數(shù)字高程模型在礦山遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、數(shù)字 高程模型 (Digital Elevation Model 簡(jiǎn) 稱DEM 從 20世紀(jì) 50年代后期被引入以來, 得到極 大關(guān)注和廣泛應(yīng)用。 隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的普及, DEM 作為數(shù)字地形模擬的重要成果已經(jīng)成為國(guó)家 空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施 (NSDI 的基本內(nèi)容之一, 并被納 入數(shù)字化空間數(shù)據(jù)框架 (DGDF 進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn) 1。 本次研究采用江西德興銅礦區(qū) DEM 數(shù)據(jù),分析自 20世紀(jì) 80年代礦山開發(fā)之初到如今人類活動(dòng)對(duì)地 表形態(tài)變遷造成的影響。1研究區(qū)概況德興銅礦是世界上已探明銅儲(chǔ)量在 800萬 t 以 上的特大型斑巖銅礦之一,也是中國(guó)最大的露天有 色金屬礦。 礦區(qū)位于江西省東北部

2、德興市境內(nèi), 與臨 近的大茅山同屬懷玉山脈。 其范圍東至鐵羅山, 南至 富家塢, 西至張家畈, 北至樂安河, 主體沿大塢河兩 岸分布,東西長(zhǎng)約 12km ,南北約 8km ,面積近100km 2。礦區(qū)屬中低山丘陵區(qū),山體走向近乎南北, 地勢(shì)東南高、 西北低, 礦區(qū)現(xiàn)有兩處廢石堆 (祝家、 西 源溝 、 三座尾礦庫, 已儲(chǔ)尾礦 2.2億 t 2。2數(shù)字高程模型應(yīng)用數(shù)字高程模型由數(shù)字地面模型(Digital TerrainModel ,簡(jiǎn)稱 DTM 引申而來。 DTM 是描述地面特性 的空間分布的有序數(shù)值陣列,這種地面特性可以是 地價(jià)、 土地權(quán)屬、 土壤類型、 地貌特征、 巖層深度及土 地利用等與

3、地形有關(guān)的信息。當(dāng)這種地面特性由高 程或海拔高程來表示時(shí), 這樣的 DTM 就稱為 DEM 。DEM 是一種表達(dá)三維空間信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),屬于立 體空間信息的范疇。為了了解銅礦地區(qū)的今昔地形變化,首先需要建立不同時(shí)相的 DEM ,模擬出該地區(qū)過去和現(xiàn)在的 地形狀況。1986年 DEM 生成:對(duì) 1986年測(cè)繪部門手工繪 制的 1 10萬地形圖的等高線進(jìn)行掃描矢量化處理 并賦予高程值,然后在 GIS 軟件平臺(tái)下生成 DEM , 從而建立過去的地形模擬數(shù)據(jù)。它以灰度圖像形式 表示,實(shí)質(zhì)是把覆蓋區(qū)域劃分成大小和形狀都相同 的規(guī)則網(wǎng)格,用相應(yīng)矩陣的行列號(hào)來對(duì)地面網(wǎng)格點(diǎn) 的二維地理空間定位, 而矩陣元素

4、(圖像灰度 則記 錄對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程 3。2000年 DEM 生成:獲取 2000年 10月 17日接 收的 ASTER 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù) 2。利用 ASTER 在近紅 外波段提供 15m 分辨率的徑向立體像對(duì)(Band 3N 和 3B 這一特點(diǎn), 在遙感圖像處理平臺(tái)下自動(dòng)生成 DEM 。文章編號(hào) :1005-2712(200604-0006-04數(shù)字高程模型在礦山遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用李婧 , 劉少峰(中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083摘 要 :以江西德興銅礦礦山開采狀況為例,采用兩種方式分別建立了該地區(qū) 1986年和 2000年的數(shù)字高程模型(DEM 。 并結(jié)合三維地理信

5、息系統(tǒng)和遙感技術(shù), 將 ASTER 彩色合成影像作表層貼膜, 生成 3D 礦山地形動(dòng)態(tài)演示。 同 時(shí), 在 GIS 軟件平臺(tái)下根據(jù) DEM 對(duì)尾礦庫所在區(qū)域做剖面分析, 將兩時(shí)相 DEM 地形剖面相比較, 變化信息可以被 清晰的提取出來。 最后, 對(duì)尾礦庫的空間形態(tài)做體積量算, 由此調(diào)查并預(yù)測(cè)礦山的挖掘量和尾礦的堆積量, 以真實(shí)數(shù) 據(jù)反映人類活動(dòng)對(duì)于自然環(huán)境的影響, 并為土地復(fù)墾和生態(tài)重建等決策提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 :礦山開采; 數(shù)字高程模型; 三維地理信息系統(tǒng); 體積量算; 剖面分析 中圖分類號(hào) :P228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A收稿日期 :2006-08-10基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (4

6、0201034 ; 國(guó)土資源部 “十五” 重點(diǎn)科研項(xiàng)目 (2002206 :李, Vol.19,No.3Sep. 20051932005年 9月Vol.20,No.4Dec. 2006第 20卷第 4期 2006年 12月 Jiangxi Nonferrous Metals江西有色金屬第 4期 2.1三維礦山地形動(dòng)態(tài)演示三維地理信息系統(tǒng)可定義為在三維方式下用于 采集、 存儲(chǔ)、 管理、 處理、 檢索、 分析和表達(dá)地理空間 數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),而三維地形動(dòng)態(tài)演示隸屬于地 理空間數(shù)據(jù)表達(dá)的研究范疇 4。將地球表面地形與 地物的三維空間屬性采用數(shù)字高程模型這種數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)合理地表達(dá)出來,然后逼真地再現(xiàn)于計(jì)

7、算機(jī)屏幕 上, 達(dá)到直觀真實(shí)地給決策者以視覺感受的需要, 可 以克服非專業(yè)人士難以解讀地質(zhì)圖的障礙。在這一問題上,國(guó)內(nèi)外諸多遙感和三維 GIS 軟 件都提供了三維可視化工具。其中 ERDAS IMAG-INE 的虛擬地理信息系統(tǒng)(VirtualGIS 模塊便能出 色的完成上述工作,為用戶建立一種對(duì)大型多源數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游操作的途徑 5。 (1 研究區(qū)。 選擇該礦區(qū)及周圍約 214.65km 2的 地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū), 可以囊括全部銅礦開采區(qū)、 尾礦堆 放區(qū)及附近居民區(qū)。(2 DEM 。由 2000年 ASTER-Band3立體像對(duì) 生成, img 格式, 格網(wǎng)間距為 1000m , 投影為 T

8、rans-verse Mercator ,橢球?yàn)?Krasovsky , 基準(zhǔn)面為 Pulko-vo1942, 中央經(jīng)線為東經(jīng) 117°。 (3 影像。由 2000年 ASTER-RGB :732彩色合 成,為源影像的鑲嵌數(shù)據(jù), img 格式,分辨率為 15m ,在 Virtual GIS 模塊下的 Virtual GIS Viewer 視 窗中同時(shí)將兩幅具有相同投影方式、 坐標(biāo)范圍、 大地 水準(zhǔn)面等參數(shù)的 DEM 和 ASTER 彩色合成影像打 開,可將其疊合在一起,得到的三維礦山虛擬視景 (如圖 1 既包含了高程信息, 又具備了衛(wèi)星影像的 光譜特征,為各項(xiàng)遙感調(diào)查提供了直觀可靠的

9、理論 基礎(chǔ)。圖中偏南部的品紅色區(qū)域?yàn)榇笮豌~礦露天采場(chǎng),采場(chǎng)東北部的藍(lán)色凹陷地帶為 4號(hào)尾礦庫所在 地, 堆積了大量尾礦和廢水。 采場(chǎng)正北方有兩個(gè)較小 的藍(lán)色區(qū)域, 分別是 1號(hào)和 2號(hào)尾礦庫。另外,在該模塊下還可制作三維虛擬礦山飛行 動(dòng)畫。 首先建立飛行路徑, 然后對(duì)飛行路徑中各節(jié)點(diǎn) 的高程(AGL&ASL 、速度(Speed 、焦點(diǎn) (Focal point 、 視場(chǎng)角度 (FOA 、 俯視角度 (Pitch 、 方位角度 (Azimuth 和旋轉(zhuǎn)角度 (Roll 調(diào)整到最佳, 并對(duì)飛行 過程的連續(xù)性和飛行角度反復(fù)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。最 后, 通過三維動(dòng)畫工具 (Create Movie

10、 在實(shí)時(shí)的三維 飛行或漫游操作過程中直接記錄畫面生成三維動(dòng)畫 (如圖 2 。2.2剖面分析隨著銅礦開采活動(dòng)的日益激烈,尾礦廢渣堆積 的日益增多, 礦山周圍原始地形發(fā)生了極大變化。 自80年代中期以來,地形變化較明顯的區(qū)域主要分布 在各尾礦庫所在地,其中以 4號(hào)尾礦庫區(qū)域變化尤為顯著,可針對(duì)這一區(qū)域不同時(shí)相的剖面做動(dòng)態(tài)變 化對(duì)比分析。4號(hào)尾礦庫位于大山選礦廠下西源溝, 1986年9月開工建設(shè), 1987年 11月竣工。初期壩高 42m , 壩 頂標(biāo)高 110m , 設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高 285m , 有效庫容 8億 m 32。 1986年至 2000年期間, 4號(hào)尾礦庫的建立 和使用使該區(qū)域地形發(fā)生

11、了巨大變化。 傳統(tǒng)方法采用手工繪制剖面圖,精度往往難以 保證; 若需任意選取剖面線觀察剖面, 傳統(tǒng)方法效率 也非常低下。而利用 DEM 數(shù)據(jù), 在 ERDAS 等遙感 圖像處理平臺(tái)下, 可以準(zhǔn)確而高效地繪制多類型、 多 角度剖面圖, 從而進(jìn)行不同形式的剖面對(duì)比分析, 使 用戶更加深入地掌握研究區(qū)的動(dòng)態(tài)變化情況。1GIS 圖 2三維礦山動(dòng)態(tài)演示李 婧 , 等 :數(shù)字高程模型在礦山遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 7第 20卷江西有色金屬體剖面, 可以顯示任一空間數(shù)據(jù)集的高低起伏狀況。 以 ERDAS 軟件平臺(tái)的 Viewer 模塊為例,通過設(shè)定 剖面位置, X 、 Y 、 Z 軸長(zhǎng)度及表示意義后,對(duì)該地區(qū)

12、的 4號(hào)尾礦庫中同一區(qū)域范圍的 DEM 提取三維空 間剖面,所做的 1986年與 2000年的三維空間剖面 對(duì)比情況如圖 3和圖 4所示。 其中 X 、 Y 軸均表示圖 像中的像元值(距離 , 1986年的 DEM 基礎(chǔ)上建立 的剖面中 Z 軸表示絕對(duì)高程, 2000年的 DEM 基礎(chǔ) 上建立的剖面中 Z 軸表示相對(duì)高程, 在此僅對(duì)二剖 面做定性變化對(duì)比分析?？臻g剖面曲線是以曲線的形式反映沿用戶定義曲線上 DEM 所表現(xiàn)出的地表在空間上的高低起伏 狀況。 在 Viewer 模塊中分別裝入 1986年和 2000年 的 DEM 數(shù)據(jù), 調(diào)整 X 、 Y 、 Z 軸的長(zhǎng)度、表示意義和單 位后,將剖

13、面線分別建立在 1986年和 2000年數(shù)據(jù) 的 4號(hào)尾礦庫同一位置,即可生成相應(yīng)的空間剖面 曲線 (如圖 5、 圖 6 。 其中 X 軸表示剖面線所代表的 實(shí)際距離, 基于 1986年 DEM 的剖面曲線圖中 Y 軸 表示絕對(duì)高程,基于 2000年 DEM 的剖面曲線中 Y 軸表示相對(duì)高程,在此僅對(duì)二剖面曲線做定性變化 對(duì)比分析。形今昔形態(tài)對(duì)比分析中不難看出, 1986年的 4號(hào)尾礦庫區(qū)域地形高低起伏, 地表面曲線蜿蜒曲折, 屬于 典型的山嶺溝谷地貌; 至 2000年, 低谷已抬升, 地表 面相對(duì)高程趨于一致, 成為水平面。由此說明, 經(jīng)歷 了十余年的礦山挖掘和填埋過程, 4號(hào)尾礦庫所在 的

14、溝谷被尾礦砂和廢水堆積,曾經(jīng)溝壑起伏的山谷 地形已被改造成如今的礦渣水庫。剖面圖形數(shù)據(jù)直 觀地表明, 銅礦尾礦的堆積造成了地形的變遷, 改變 了原始的地形地貌。2.3體積量算在德興地區(qū)的礦山開采過程中,排放出大量的 固體廢料、 廢棄物 (如尾礦、 矸石等 需要與鄰近礦區(qū) 儲(chǔ)礦量相匹配的容積適當(dāng)?shù)奈驳V庫來堆置。這些用 于堆積尾礦砂的尾礦庫不但改變了原始的地形, 礦 石、廢渣中的重金屬元素以及廢石堆浸噴淋造成的 酸性水體、尾礦堆放和選礦廢水造成的堿性水體和 混合污染水體都嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)氐耐寥婪柿椭脖?長(zhǎng)勢(shì)。 因此, 調(diào)查量算尾礦庫的體積和表面積等統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)對(duì)于決策部門作出合理妥善的規(guī)劃決策和制定

15、 改善污染的有效措施具有重大意義,對(duì)于后期的尾 礦再利用以及擴(kuò)容工程也提供了量的依據(jù)。在這一 問題上, 以建設(shè)較早的 2號(hào)尾礦庫為例做體積量算。2號(hào)尾礦庫位于銅埠, 1980年開工, 1984年 12月竣工投入使用。 采用 “上游法” 堆壩工藝, 設(shè)計(jì)最終 250m 1m 3圖 51986年基于 DEM 的空間剖面曲線圖 62000年基于 DEM 的空間剖面曲線40035020003000距離 /m4號(hào)尾礦庫絕 對(duì) 高 程 /m40035030025020015010050100020003000距離 /m4號(hào)尾礦庫相 對(duì) 高 程 /m圖 31986年 4號(hào)尾礦庫三維空間形態(tài)圖 42000年

16、4號(hào)尾礦庫三維空間形態(tài)50040030020010000102030405像元值 /m絕 對(duì) 高 程 /m4號(hào)尾礦庫像 元值 /m 5004003002001000020406080102040304號(hào)尾礦庫506070相 對(duì) 高 程 /m像元值 /m像 元值 /m 8第 4期 The Application of Digital Elevation Model to Mine s Dynamic MonitoringLI Jing , LIU Shao-feng(School of the Earth Sciences and Land Resources, China University

17、 of Geosciences (Beijing , Beijing 100083, China Abstract:The research takes the Dexing Copper Mine in Jiangxi Province as an example to generate two DigitalElevation Models (DEMs through different methods in 1986and 2000. And the DEM is fused with the ASTER col-or image in the copper mine, based on

18、 RS technology combined with 3D-GIS. At the same time, the profiles of gangue pool are portrayed under GIS software, which clearly show the change of topography. At the last, the volume of gangue pool is calculated through the analysis of DEM , which can be the proof to investigate and monitor the e

19、x-cavated situation. The topography change and the excavating volume 3D modeling reflect the influence of the hu-man mining activities on the nature, and provide us a theoretical base for land reclaiming and ecological rebuilding. ; 圖 72號(hào)尾礦庫 DEM壩, 壩底標(biāo)高 45.7m , 壩頂標(biāo)高 70m 2。目前,許多三維地理信息系統(tǒng)軟件都提供了體 積量算的功能,

20、一改往日傳統(tǒng)測(cè)繪和手工統(tǒng)計(jì)方法 的繁瑣。由于 DEM 已具備了礦山三維形態(tài)的數(shù)據(jù) 信息,因此只需將其導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件的相關(guān) 模塊,提供必要的空間參數(shù),即可迅速完成體積量 算, 得出有效容積和表面積等統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在 ArcGIS 家族的 ArcScene 模塊下導(dǎo)入 2號(hào)尾礦庫的 DEM (如圖 7 , 該系統(tǒng)采用基于像元的微小柱體法 (即將量算地區(qū)的 DEM 視為一個(gè)由許多以像元大小為底 面、 以像元反射值為高的立柱體組合而成的空間體, 這個(gè)空間體的體積即所有立柱體體積之和 ,利用 DEM 這種特殊的表面數(shù)據(jù)計(jì)算出尾礦庫的有效容 積和庫底面積。 位于尾礦庫中部的攔水壩高 55m , 可 近似于庫深提供給系統(tǒng)做統(tǒng)計(jì)。 通過量算, 2號(hào)尾礦 庫的表面積為 1885539.46m 2,合 185.54hm 2,與規(guī) 劃面積 183.5hm 2基本吻合。其最大有效庫容 為 1.00億 m 3與初期設(shè)計(jì)庫容 1億 m 3也基本一致。3結(jié)論與討論(1 將 DEM 疊加以表面紋理影像數(shù)據(jù), 在遙感圖像處理平臺(tái)下做三維視景建立以及動(dòng)態(tài)飛行模 擬, 將礦山