乌山铜钼矿WebGIS系统的建立与应用*

刘 伟 牛 鹏 刘 洋 张鹏海 杨天鸿3

（1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院）

地理信息系统（Geographic Information System）简称GIS，是依托计算机软硬件对空间数据和信息进行科学管理和分析，从而实现对海量空间地理信息和数据进行三维展示、规划以及管理的计算机技术系统［1］。而WebGIS技术是通过互联网对地理空间数据进行发布和应用，是互联网技术与GIS技术相结合的产物。

在矿业领域，GIS是数字矿山的基础，WebGIS基于矿山物联网以实现更为先进的感知矿山和智能采矿，是实现矿山数字化、信息化以及自动化的基础［2-3］。谢卫标［4］针对不同GIS系统间由通讯方法差异造成空间信息共享性较差的问题，开展了基于WebGIS的矿山空间信息互操作的研究，并以洛阳栾川钼矿为例，实现了Mapinfo和ArcGIS之间的互操作。王绪本等［5］针对目前煤矿灾害监测和预警系统存在的信息反馈滞后问题，提出了在互联网覆盖的情况下，结合RFID、GIS两项技术，实现动态监测与静态管理相融合的井下灾害预警和救助体系的构建。谢旭阳［6］利用GIS技术作为矿井安全信息的管理手段，构建了矿井应急辅助决策支持系统。程林等［7］利用GPS实时定位功能以及GIS电子地图实时更新卡车位置功能，实现了露天矿车在互联网环境下基于电子地图的可视化导航与监控，并利用关系型数据库建立了人员、生产调度管理系统，保障了矿山卡车有效调度。

WebGIS在矿业领域工程应用中发挥着越来越重要的作用，但仍有一些问题需要解决：①侧重于“单层”表达，要么只表达地表模型，要么只构建地下地质体模型，缺少基于“地下—地表—地上”的真三维可视化构建；②目前矿业方面更多的是聚焦于GIS二维地图与矿山的结合，三维GIS研究相对较少，另外结合三维空间数据进行空间分析也是亟待解决的问题。结合以上问题，本项目根据乌山铜钼矿的实际情况，建立一个包含工程地质分区及信息查询、矿山测量、坡度分析、动态剖面分析及云端访问功能的WebGIS系统。

1 软件简介及系统架构

SuperMap软件具备二、三维一体化的数据管理、处理、制图、分析及标绘等功能，支持在线地图服务访问及云端资源系统共享，可用于空间数据的生产、加工、分析和行业应用系统快速定制开发。该软件的大规模数据快速加载与显示功能特别适合于矿山精细化三维地质模型的云端显示。

乌山露天矿使用SuperMap来支持三维地理信息模型展示及云端访问，乌山铜钼矿WebGIS系统中矿山开采现状、岩性、断层、工程分区以及边坡表面积、坡度、高度的测量等功能均通过该软件实现（图1）。

2 矿山简介及三维地质建模

2.1 乌山铜钼矿概况

乌山铜钼矿地处内蒙古呼伦贝尔地区新巴尔虎右旗境内，距满洲里市区24 km，是一座大型斑岩型铜钼矿床，构成边坡工程地质岩组的主要为黑云母花岗岩、次流纹质晶屑凝灰熔岩、次斜长花岗斑岩、次英安质角砾熔岩及部分花岗（斑）岩及闪长玢。

乌山铜钼矿铜资源储量267万t，钼资源储量54万t。乌山铜钼矿为露天开采，采场东帮边坡最大标高为858 m，采场设计坑底标高为225～240 m，设计终了边坡最大高差约为630 m，整体边坡角为43°～45°，矿山边坡台阶高度为15 m，并段后台阶高度为30 m，采场目前最低开采水平为630 m。

2.2 三维地质建模

乌山露天矿三维地理信息模型是在多个软件相互配合使用的情况下建立完成的，主要用到的软件包括3Dmine、Rino、3Ds max、SuperMap，其中3Dmine、Rino用于矿山地质建模，3Ds max用于贴图、动画制作、建筑及工程机械的建模，SuperMap用于对模型添加各种交互功能，比如模型的剖切、属性信息的查询等，形成最终的乌山铜钼矿WebGIS系统。

在3Dmine中基于现状平面图、最终境界平面图以及勘探线剖面图完成现状和最终境界的模型建立。现状台阶线以现状平面图中带有高程的台阶线为基础，通过修剪、2点连线、扩展台阶和平台进行修整简化。最终境界台阶线完全按照最终境界平面图中的坡顶线、坡底线进行扩展台阶、平台以及公路起点设置，并按照固定坡面角、台阶宽度及台阶高度来生成简化式台阶。接下来依据处理好的台阶线，按照“闭合线内部连接三角网”、“闭合线之间连接三角网”、“开放线之间连接三角网”、“开放线与闭合线之间连接三角网”等方式，生成DTM三角网表面，如图2所示。

执行以上操作后，将现状DTM表面选中保存选择集，选择dxf格式并导入Rhino三维建模软件，用现状DTM露天矿表壳切割长方体，采用Rhino中布尔运算分割命令在长方体上切出矿坑，形成矿坑三维模型。

根据勘探线剖面图中的岩性分界情况，首先在3Dmine中提取所有剖面的岩性结构线存储为dxf格式，并导入Rhino，按照结构线挤出封闭曲面和构建岩性体2种方式来切割矿体模型，同时进行三维地质模型的内部岩性添加。至此完成乌山铜钼矿三维地质模型的构建。乌山铜钼矿三维地质模型如图3所示。

在3Dmine、Rhino中完成了模型的建立后，将建好的模型切换到渲染模式进行材质添加、岩性贴图、轴向更改等调整，最后生成一个带有贴图的obj文件，为导入SuperMap做准备。

3 矿山WebGIS系统基础技术

3.1 坐标转换

矿山现有的三维建筑模型、地质模型、二维电子图纸以及多种点、线、面矢量数据都是基于矿山相对坐标系建立，而SuperMap所创建的三维虚拟场景则是基于大地坐标系。要想将矿山中大量的模型及数据整合到同一场景中，首先要对所有基于矿山坐标系的位置数据进行坐标转换，生成大地坐标系下对应的坐标值。

3.2 模型导入

三维地质模型、周边建筑物模型以及各种标识牌等三维模型要想导入到SuperMap软件中，均需要通过Rhino软件进行建模，导出成obj格式模型之后，才能实现导入到SuperMap中。在导入的同时需要输入模型坐标中心点所对应的经纬度坐标，选择坐标系并确定导入模型的工作空间和数据集名称，导入的时候一定要确保模型所在的工作空间处于关闭状态。

3.3 数据预处理

由于三维模型的数据量都比较庞大，占用计算机的资源较大，为提高整体应用性能，在使用前需要进行预处理。预处理的本质是将影像、地形或模型数据创建分层缓存。例如，对影像数据通过重采样方法建立一系列不同分辨率的图层，每个图层分割存储，并建立相应的空间索引机制，从而提高缩放浏览影像时的显示速度。

3.4 网络发布

SuperMap支持对整个工作空间的网络发布以及远程服务。工作空间是用户的工作环境，存储了所建立工程项目中的所有数据源、地图以及场景等的组织关系。大多数情况下，用户数据是以工作空间形式组织的。

4 乌山铜钼矿WebGIS系统的建立

乌山铜钼矿WebGIS系统是基于SuperMap中的Iserver平台，以Html5、JavaScript、JQuery、CSS等编程语言和函数库作为B/S构架开发的前端编程语言，以PHP、Ajax等作为后端编程语言，进行开发和实现。本系统构建了5个模块：工程地质分区及信息查询、矿山测量、坡度分析、动态剖面分析、云端访问。

4.1 工程地质分区及信息查询

工程地质分区是在研究区内按照工程地质条件相近的基本原则进行区域划分，目的是结合不同区域的工程地质特征进行分区域评价。根据水文地质条件、断层节理以及破碎带的工程和地质因素，乌山铜钼矿露天采场共被分为5个地质特征分区。

当需要查看地质分区及其信息时，可单击系统界面右下角功能面板复选框，系统会判断所勾选的复选框内容，以不同的颜色叠加到原有地形上，分别显示不同的地质分区，单击不同边坡分区会自动弹出消息框，消息框中包含了该区域的详细地质描述，如图4所示。

4.2 矿山测量

测量功能可以实现距离测量、高度测量、面积测量。其中距离测量可以实现2点之间的距离测量和连续测量；高度测量不仅可以测量2点之间的垂直高度，还可以测量两点之间的空间高度；面积测量可以测出指定多边形的空间面积，效果如图5所示。

4.3 坡度分析

露天矿边坡角根据所在边坡的工作性质而有差异，例如工作帮、非工作帮以及清扫平台的边坡角存在差距。坡度分析功能是将坡度值区间用一个渐变色表示，本次设计采用红—黄—蓝渐变色表示坡度从0°～90°的过渡，效果如图6所示。

当需要进行坡度分析时，在功能面板中选择坡度绘制模式，自定义绘制区域。在场景中圈定出区域后，系统会自动分析绘制区域内的坡度。若选择绘制模式为全矿模式，则会自动将整个矿区范围内的坡度展示出来。

4.4 动态剖面分析

乌山铜钼矿地质条件较为复杂，为了快速、全面地了解该矿的矿岩赋存状态，开发了一种可通过拉伸面的方法对地质模型进行任意角度剖切以及查看的功能，即动态剖面分析。当要查看某一个剖面处的矿岩赋存状态时，可在地质模型上绘制一个裁剪盒，通过改变其宽度、高度以及方位，对三维地质模型进行动态剖分，如图7所示。

4.5 云端访问

将乌山铜钼矿WebGIS系统文件上传至阿里云服务器，文件包括乌山铜钼矿WebGIS系统涉及的所有网页代码、图片、数据库、地形数据，然后在阿里云服务器上建立一个网站，就可实现乌山铜钼矿Web-GIS系统的云端访问。打开浏览器输入网址后，技术人员可随时随地查看矿山信息。

5 结语

基于SuperMap的Iserver平台，以Html5、JavaS-cript、JQuery、CSS等编程语言和函数库作为B/S构架开发的前端编程语言，以PHP、Ajax等作为后端编程语言进行开发，建立了乌山铜钼矿WebGIS系统。系统包含工程地质分区及信息查询、矿山测量、坡度分析、动态剖面分析、云端访问5大功能，该系统增强了空间数据的立体表现，便于数据的分析和表达，提升矿山管理效率。