基于MapGIS 利用地形图估算尾矿土方量

摘要：以河北省赤城县某金矿为例，利用MapGIS软件对尾矿土方量进行估算。使用MapGIS平台空间分析DTM分析模块相关功能，对矿区尾矿堆积前后地形图等高线进行栅格化处理，提取相对应的数字高程DEM数据生成点文件，并与区文件进行空间叠加分析，计算尾矿堆积前后高程平均值，结合尾矿平面面积求体积之差，进行尾矿土方量估计。Map⁃GIS平台DTM模型估算量与传统测量结果相差约5％，计算数据准确度较高。估算过程经济快捷，在实际生产过程中具有一定的实用性。

关键词： MapGIS；地形图；DTM模型；尾矿；土方量

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0098-03

0 引言

河北省张家口市赤城县某金矿为一责任主体灭失中型金矿，矿区内留存大量的金矿尾矿，尾矿也是一种重要矿产资源。本区内尾矿主要以堆浸堆形式存放，堆浸堆数量众多，形态各异。在矿山生态修复过程中，需要对尾矿资源进行二次开发利用，首先急需对区内尾矿资源土方量进行初步估算，为未来综合利用矿渣和尾矿资源提供基础参考数据。使用传统测量方法对矿区尾矿土方量进行估算，工作量大，费时费力，且费用较高。现以该某金矿尾矿土方量估算为例，结合已有矢量化地形图，利用MapGIS软件对金矿尾矿土方量进行估算，以期实现估算过程快速简洁，省时省力。

数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述，数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）[1]，数字高程栅格的形式组织在一起，用来表示实际地形形态，目前DEM主要通过测量手段获取。地形图作为基础图件，在工作中较为通用和常见，利用MapGIS软件DTM分析模块将地形图转化为DEM栅格数据，每个栅格单元对应一个高程值，获得多个DEM数据，该数字高程容易通过计算机软件进行后期处理，可实现尾矿资源快速估算土方量，对项目的选址、规划设计、控制总投资和分配资金等方面具有重要的意义。

1 估算方法及原理

工作区尾矿土方量估算主要是计算尾矿堆体积，体积一般由面积和高乘积求得，面积为尾矿堆不规则空间分布范围，可以利用MapGIS软件在地形图上圈定一定矢量化范围，并在计算机上直接量取求得；高为尾矿堆高，尾矿堆在空间范围内呈不规则形态，特别是其高为不规则空间曲面形态，形态多样，变化较大且无规律性，故尾矿堆高不易求得，要对各种不同形态地形的高程进行转化，需借助数量众多的数字高程对空间高程进行趋近表达。

本次工作中利用两个空间曲面（两个地形图）数字高程（DEM） 之差的方法求解尾矿堆高[4]，尾矿堆积前、后分别对应一个空间曲面，将尾矿堆高转化为两个曲面之间平均高程差（数字高程平均差），用数量众多的栅格化棱柱体来进行模拟尾矿空间曲面，进而转化成规则四棱柱求取尾矿堆体积，相对于用离散数据来模拟连续的空间曲面，在取样数量够多的情况下，栅格化后的四棱柱体无限趋近原地形形态，四棱柱体体积与不规则曲面尾矿体积近似相等。尾矿土方量估算公式如下：

Q=（H2-H1） ×S

其中Q 为尾矿土方量，H2为尾矿堆现在地形平均海拔，H1为尾矿堆原始地形平均海拔，S 为尾矿堆空间面积。

采用MapGIS软件空间分析子系统对不规则曲面尾矿体空间提取曲面GRD值（即对矿区尾矿堆积前后地形图等高线进行栅格化处理）[2-3]，具体过程是利用DTM分析模块数字高程栅格化方法近似确定尾矿堆空间高程形态，分别计算堆积前和堆积后的高程差，计算两个高程曲面差与面积积即为所求的尾矿土方量，堆积前高程为原始地貌高程平均值，堆积后高程为现在尾矿高程平均值。

2 计算总体思路

2.1 所需软件

本次金矿尾矿土方量估算涉及多个软件，其中主要基于软件MapGIS6.7及以上版本，其中MapGIS6.7 操作平台购买价格低，普及性较广，该软件使用人群基数大，操作性好，对电脑硬件要求不高，所生成图件通用性好。另外为了提高工作效率，需要借助Map⁃GIS辅助软件Section2016及以上版本、Excel等完成部分数据导出及统计计算工作。

2.2 计算过程

开始计算工作前收集工作区尾矿堆积前、后地形图，并对不同坐标系、不同比例尺地形图进行空间位置校正。利用MapGIS6.7对原始纸质版地形图（主要是等高线）进行矢量化，等高线附属性，在地形图矢量化后，进行数字高程DEM 栅格化处理。通过Map⁃GIS6.7“空间分析”功能，由点、面文件属性相交分析得到尾矿堆空间范围内的数字高程DEM栅格数据；Sec⁃tion软件导出数字DEM高程栅格；最后利用Excel完成对数字高程统计分析和计算工作，主要是计算各个尾矿堆平均数字高程值。

3 计算详细步骤

3.1 数据预处理

首先利用MapGIS6.7编辑子系统“图形处理”模块对纸质地形图等高线进行矢量化（已有矢量化地形图，可忽略本步骤），不同坐标系统、不同比例尺的地形图需进行空间位置校正（尽可能选择相同比例尺地形图，以减少估算误差）。若等高线较稀疏，可考虑通过Section软件“1辅助工具”中的“等高线功能”，插入等高线，进而提高数字高程精度（根据实际情况选择）。需要说明的是，等高线插值相当于对尾矿堆进行空间形态描述，其作用是将高程数值平滑处理，在地形图比例尺小的情况下考虑使用。

由MapGIS6.7属性管理子系统“库管理”模块为地形图等高线增加高程属性项，之后利用“高程自动赋值”功能为地形图等高线赋高程值。在矢量化后的地形图上圈出尾矿堆范围，生成相应的线文件、区文件（jsfw.wl、jsfw.wp） ，相应文件也需要赋属性，包括尾矿序号、堆编号、面积等内容。上述数据预处理为后续生成数字高程DEM数据提供基础文件。

3.2 生成DEM 数据

通过MapGIS6.7软件子系统“空间分析”模块生成尾矿堆范围内数字高程Grd文件，具体软件操作步骤为：①空间分析→DTM分析模块→文件→打开数据文件→线数据文件；②处理点线→高程点/线栅格化→ 确定，其中在“栅格化参数”对话框内，其它原始参数不变，调整数据网格间距，设置网格DX、DY间距均为1，即DEM高程栅格边长为1m，网格间距小，精度高，计算过程缓慢（可通过比较不同栅格边长数字高程差，在不同边长情况下，差值变化相差不大的情况下，选择较小栅格边长，这个过程需要多次比较）[6]；“等高线高程属性项”选择等高线高程属性选项；③栅格化保存→确定，将生成的数字高程另存为grd文件（sgsj.grd） 。

MapGIS6.7软件子系统“空间分析”模块中对生成的grd文件进行相关数据处理（主要是对点文件赋高程，为下一步DEM数据提取做准备），具体软件操作步骤为：模型应用→高程点标注制图→在弹出的对话框内打开sgsj.grd文件→确定，其中在标注输出设置对话框内勾选“输出标注到属性字段”项，同时根据工作需要可以对数字高程点字体、格式、注释位置等进行设置（以便结合地形图等高线检查数字高程是否有错误）；最后保存数字高程DEM 栅格数据为点文件（szgc.wt） 。

3.3 DEM 数据提取

地形图数字高程DEM栅格数据生成是针对整个工作区，尾矿堆土方量估算仅需要对尾矿堆范围内的数据，需要对估算区域（尾矿堆）数据内进行提取，即将区文件（jsfw.wp） 与数字高程DEM栅格数据点文件（szgc.wt） 进行空间合并分析，提取矿堆范围内的数据。通过MapGIS6.7软件子系统“空间分析”模块完成相关空间分析功能，具体步骤为：①空间分析→装入相应点、区文件→②点空间分析→③另存为新生成的点文件（tjgc.wt） 。为了保证数字高程DEM数据对地形曲面的准确描述，根据实际情况调整栅格数据网格DX、DY间距，保证每个尾矿堆范围内有一定数量的数字高程DEM数据。通过设置不同大小DX、DY间距，比较两次高程统计结果大小，在统计结果无明显变化时，选择较大DX、DY间距。尾矿堆积前后分别对应一个空间曲面，为保证计算误差，DX、DY间距设置相同。本步骤参数设置需多次尝试性，选择数据量最小者。

4 土方量估算

4.1 统计分析

利用MapGIS 辅助软件Sec⁃tion2016导出点文件（tjgc.wt） 相关属性内容，打开Section软件，具体步骤为：①文件→装入相应点文件（tjgc.wt） →②1辅助工具→③导入导出功能→④导出属性数据（Excel） 。导出的Excel文件中包括ID、标注、高程、面积、周长、渣堆编号等多个属性数据，以尾矿堆编号形成Excel单表格，并对每个表格统计计算平均高程。

4.2 土方量估算

赤城县某金矿区内共有46个尾矿堆，按空间分布关系分别进行编号，在地形图上圈定尾矿范围并计算面积S，在尾矿堆积范围内，利用前述计算方法分别计算堆积前地形图平均高程H1和堆积后地形图平均高程H2，体积由（H2-H1） ×S 计算可得，工作区尾矿土方量估算结果见表1所示。与传统计算结果进行对比[5]，误差大致为5％，相对较小，能满足后续生产工作需要。

5 总结

基于MapGIS利用地形图估算金矿尾矿土方量，主思路是通过矢量化和空间分析，生成数字高程DEM 数据；通过设置不同的DEM分辨率（栅格边长），可以使估算结果达到稳定数值，进而可以在空间上利用离散化的数字高程对尾矿不规则曲面进行近似模拟，提取并统计尾矿堆积前后地形平均高程差，进而估算尾矿土方量。

在本次金矿土方量估算过程中，与传统测量结果进行对比，本方法统计结果存在一定的误差，主要受地形图精度（不同比例尺）、地形图矢量化（人为误差）、数据转换（坐标系统转化）等因素影响，另外尾矿范围圈定主要在室内地形上完成，缺少野外实地核实检验，也导致了估算结果误差的存在。在采取相应的措施情况下，可保证估算精度进一步提高。

利用地形图生成数字高程DEM数据并估算尾矿土方量的数学模型严谨合理，可以在最大程度上逼近地形表面，在选择合适的DEM数据分辨率情况下，可保证较高的计算精度。计算方法方便实用，统计过程快捷，减少了大量图件绘制工作，节约了成本。为矿渣砂石骨料利用和土地综合整治提供专业数据支撑，在实际生产过程中具有一定的实用性。

参考文献：

[1] 陈文杰.基于MapGIS的DTM模型应用：以矿产储量计算为例[J].城市地质，2008，3（4）：37-40.

[2] 吴信才，谢忠，吴亮，等.MapGIS地理信息系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2015.

[3] 武汉中地信息工程有限公司，武汉中地时代软件工程有限公司.MapGIS地理信息系统实用教程[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4] 盛利，关欣，蒋婧，等.MapGIS在土地整理土方量计算中的应用：以湖南省祁东县黄土铺镇军民村为例[J].湖北农业科学，2010，49（12）：3185-3187.

[5] 谷振飞，邓佳，燕云生，等.赤城县炮梁乡盛宇堆浸堆取样分析报告[R].张家口：河北省地质矿产勘查开发局第三地质大队，2023.

[6] 谷振飞，侯伟利.基于MapGIS利用地形图制作坡度图[J].电子世界，2021（3）：146-147.

【通联编辑：李雅琪】