地理信息系统在矿山公路选线设计中的应用

黄其冲，胡 俊，肖 飞

(武汉理工大学 资源环境工程学院， 湖北 武汉 430070)

地理信息系统是自20世纪 60年代快速发展起来的地理学研究技术，是多学科交叉的产物，是一种非常重要的特定空间信息系统。是在计算机软硬件系统支持下，基于地理空间数据库，采集、管理、分析和描述部分或整个地球表面与空间和地理分布相关的数据，为地理研究与决策提供服务的信息系统。GIS自问世以来，受到各行各业的密切关注，在测绘、建筑、道路设计、土木工程、地质、规划、防洪、农业、军事工程和战场仿真模拟等领域得到了广泛的发展与应用。矿山工程是与地表和近地表的地质体的空间信息紧密相关的行业，因此通过借助地理信息系统的空间信息管理技术来提高矿山设计、生产和管理的效率，具有广阔的前景，对于推进数字化矿山建设具有重要的意义[1-3]。

公路选线易受地形、地势等自然条件因素影响，矿山公路选线尤其如此。矿山大多位于山区，山区地形复杂，地面起伏较大，有的山高坡陡。与一般公路相比矿山公路具有允许坡度大，曲率半径小，车辆载重大，车速慢以及相对服务年限短等特点。为了降低修建公路的投资，矿山公路一般会因地制宜，顺着山体地势修建，对地形的依附性更大，因此矿区的地形和地表的坡度直接影响矿山公路的定线。

1 矿山公路选线传统方法

一般的公路选线通常要经过3个步骤：全面布局、逐段安排、最终定线，是一项研究范围由大到小、工作深度由粗到细、工作方法由轮廓到具体，逐步深入的工作，实质上是一个不断修订并加密控制点的过程。

目前，露天矿山公路平面定线的方法是在明确设计起点和终点及其标高的情况下(例如露天矿山的起点一般为废石堆场或者地方公路的交汇处，终点为第一或第二采矿工作平台)，当选定了公路纵向平均坡度以后，换算出单位高差所需要的平面投影长度，然后依据此长度在矿山地形图上的起点和终点之间加密控制点，划出两至三条路线，并进行建设工程量估算，作为方案比较的基础。由此可知，依附于矿区地形的矿山公路定线原理，就是在矿区地形自然坡面上找出一条坡度不大于限定值的连通设计起点和终点的路径基线。当该路径经过点的地形自然坡度小于公路坡度限定值时，线路走向不受地形限制；当路径经过点的地形自然坡度大于公路坡度限定值时，为了使公路坡度不大于限定值，线路走向与地形自然坡向之间有一个夹角限制，即线路走向是自然地形坡面的“伪倾斜”方向。显然，矿区地形倾向和坡度是影响公路定线的重要因素[4-5]。

2 DEM在矿山公路选线中的应用

地理信息系统的数字高程模型适合对空间面的数字模拟，并具有对空间面进行特征分析的强大功能。因此，采用 DEM原理对矿区地面原形进行描述，并用于矿山公路选线设计，可大大提高设计的效率和准确性[6-7]。

DEM是地形表面的数字表达形式，由三维坐标有限序列组成，其数学函数形式为[8]：

V=(Xi，Yi，Zi)i=1,2,3......,n

(1)

式中,Xi，Yi为平面坐标；Zi为高程。

在建立 DEM时，由于只有有限个离散点的实测高程数据，大量空白区域只能依靠空间插值运算获取近似值。即通过已知点高程和插值建立起数字高程模型。

2.1 矿区地表地形模型的建立

矿山公路与矿区地表地形密切相关，矿区地表地形是矿山设计的重要依据之一。因此，进行矿山辅助设计首先要建立完整准确的矿区地表地形模型[9]。建立矿区地表地形模型的基础资料来源于矿区地质勘察资料 (如地质地形图等 )。目前地质勘察部门广泛使用地质资料管理系统 (如MapGIS系统)，其自动生成的数字地质地形图资料为建立矿区地表地形模型创造了优越的条件[10]。建立矿区地表地形模型的类型选择，一方面需要考虑能方便且准确地反映地表地形，另一方面要兼顾与矿床模型和开采境界模型匹配的需要，以利于进行辅助设计。矿山的地质资料是一切矿山设计的基础资料，矿区地形的等高线可由此基础资料获得。对矿区地表地形模型的建立，将提取出来的等高线首先进行高程赋值，然后将其导入Arcgis软件中，通过软件工具箱的TIN模型建立构造出三维立体的三角网模型，然后通过TIN转DEM将其转化成DEM模型。

2.2 实现方式

传统的矿山公路选线大部分都是在CAD环境中进行，在地质地形图上进行判断决策。DEM可以形成不同高差的等高线，可利用其来生成满足要求的等高线。等高线的疏密决定了公路选线的精确性：等高线越密集，即单位高差越小，矿山公路线路判定越为精确，但是人工工作量越大，越繁琐；反之则工作量小，但判定的精确性不够。为了解决这一矛盾，可利用计算机进行辅助设计，将人工的这一部分用计算机来代替则既提高了公路选线的精确性，又降低了人为的工作量。

根据公路选线基本原理和方法，基于矿区DEM的矿山公路定线实质上就是根据地形坡度、坡向和公路坡度限定值确定公路走向的问题。考虑工程设计实际，可以的实现方式：先按一定高差由矿区DEM做出等高线图，且保证足够的精度，再在等高线图上用等步距搜索，寻找临近高程点(将平面投影长度作为步距)。

国内外的地理信息系统软件层出不穷，通过市场调查和资料查询，其中Arcgis软件的市场占有率最高，其具有强大的地理信息处理分析功能。

本文通过Arcgis 10.0和CAD软件实现了矿山公路的选线设计。基于Arcgis 10.0的数字高程模型构建功能，可用其构建生成出矿山数字模型，但介于其二维作图功能不够强大，因此选择CAD软件划出线路图。实现思路是由Arcgis 10.0软件构建矿区地形DEM后由其生成足够密度的等高线，极限是达到栅格大小，在此基础上通过CAD的自主汇编语言VBA编写一个程序，设计出一个交互式窗体设计界面(见图1)，在明确设计起点和终点后，通过向计算机输入设计纵向坡度，可得此纵坡条件下的选线方案。

图1 VBA编程窗体界面

本文通过反复作圆的方式实现满足坡度要求的控制点选取。当选定了起终点和公路纵向坡度以后，在由Arcgis10.0构建的矿区DEM模型提取足够密度等高线的基础上(密度由单位高差确定)，在CAD作图环境中，以起点为第一个圆的圆心，由单位高差换算成的平面投影长度为半径作第一个圆，然后从起点往终点这个方向，考虑每条等高线，依次以前一个圆与相应等高线的交点为圆心，单位平面投影长度为半径进行作圆，反复执行这个过程，直到延伸至终点，将所有的交点记录使之成为控制点，再将起终点和这些控制点逐一相连，即作出矿山公路线路。

作圆过程中交点可能有多个，对于每次如何选择一个最佳交点进行作圆，本文探索了一种判定，依据两点之间直线最短的原理，首先连接起终点，在纵坡条件绝对满足的情况下可将起终点的直线连线作为矿山路线，若纵坡条件不满足则选择靠近起终点连线的交点进行作圆，以夹角大小为判断依据进行选择，即夹角越小，越靠近起终点连线，工程量也越小。如图2，经过判断选择右边的圆，即选择A点作为交点。若圆与等高线无交点，则选择起终点连线与临近等高线的交点为控制点，再以此为圆心继续作圆。

图2 作图原理

3 工程中的实际应用

在某露天矿山的开发利用方案中，需要对矿山公路进行设计，在设计初期绘制基础路线方案时，通过由Arcgis10.0构建的矿区DEM模型生成所需密度的等高线图，将第一工作水平即山顶设为起点，山下公路入口作为终点，在CAD环境中利用所编制的程序由计算机可快速作出某纵坡要求下的路线方案(见图3)。图中绿线和红线是计算机自动绘制出的公路路线，单位高差选择为10 m，1号线是10%的纵坡条件下做出的公路路线，2号线是9%的纵坡条件下作出的公路路线，后期再考虑其他的设计因素，如公路宽度、转角半径、视距等因素对初选公路进行补充和修改则可作出矿山的基本公路。

4 结 语

本文基于DTM模拟地形的强大功能，结合Arcgis10.0和CAD两个软件，研究了以DTM为基础数据的矿山公路自动定线方法。运用Arcgis10.0建立DEM模型并生成足够密度的等高线，并在此基础上将二次开发语言VBA所编制的程序运行于CAD作图环境中，可达成依据公路纵向坡度自动绘制矿山公路走向的效果。通过发挥两者各自的专业特性实现了DTM在矿山公路选线的辅助设计，大大提高了矿山公路选线的效率和准确性，为矿山设计以及信息化管理提供了新的有效工具。

图3 矿山公路选线效果

参考文献：

[1]张俊峰，李克民.GIS技术在露天矿山中的应用[J].煤炭工程，2008(1)：109-111.

[2]莫焕东.MapGIS (地理信息系统)在矿山中的应用[J].现代商贸工业，2008，20(4)：263-264.

[3]富崇彦.计算机技术在露天矿设计中的应用[J].世界采矿快报，2000，16(12)456-457.

[4]刘光辉. 地质选线在山区公路中的应用[J].中国水运，2008(1).

[5]毕旭冰，王国良，李文涛. 山区公路选线[J].河南交通科技，1996(3).

[6]李志林，朱 庆. 数字高程模型(第2版)[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[7]汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程(第二版)[M].北京：科学出版社，2010.

[8]王 荣，刘景秀．地理信息系统在水泥矿山境界圈定中的应用研究[J]．武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2009(6).

[9]胡 俊，刘景秀，李 慧. 基于DTM的矿山排土场设计[J]．武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2013(1).

[10]杨宏志，韩跃杰，李 芬,等. 基于GIS和遗传算法的公路智能选线[J].长安大学学报(自然科学版)，2009(3).