三维地学模拟与虚拟矿山系统.docx

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三维地学模拟与虚拟矿山系统

三维地学模拟与虚拟矿山系统

吴立新,张瑞新,戚宜欣,齐安文,李冰

   摘要:

三维地学模拟（3DGeoscienceModelling,简称3DGM）与虚拟矿山系统（VirtualMineSys2tem,简称VMS）是数字矿山（DigitalMine,简称DM）战略实施的关键技术,其中3DGM是VMS及所有真三维地学虚拟现实系统的基础。

基于国内外VMS研究与应用分析,指出目前2.5维VMS的缺陷和不足;同时,对当前国际学术界3DGM理论与方法进行了评析。

进而,从3DGM与VMS耦合的角度出发,提出了一种新的3DGM方法:

类三棱柱（AnalogicTri2Prism,简称ATP）法。

ATP模型由点、TIN边、TIN面、棱边、侧面TIN和ATP体共6组基本元素组成。

本文设计了ATP的数据结构,并给出了基于实验钻孔的3DGM可视化图。

   1　前言

   虚拟现实（VirtualReality,简称VR）技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术,模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术[1]。

VR在许多工程领域和基础研究方面已得到较广泛的应用,在国外矿业领域的研究起步也较早,出现了一些2.5维的虚拟矿山系统（VirtualMineSystem,简称VMS）[2～4],有效地支持了矿山生产决策和矿山培训与职业教育工作。

我国的VRM研究起步于20世纪末,目前在矿山安全、火灾模拟等研究领域取得阶段性进展[5～7]。

   由于矿山是一个真三维动态地理/地质环境,所有矿山生产与组织活动均是在真三维地理/地质环境中进行的。

因此,真正实用的VMS（以及所有虚拟地学系统）,都应是真三维的,即必须以3DGM为基础,而目前仍是空白点。

DM是21世纪新经济条件下利用信息技术改造传统产业的矿山科技创新与发展战略,3DGM与VMS则是实施DM战略的关键技术[8,9]。

本文将总结介绍国内外3DGM与VMS的研究现状,并分析未来发展中应解决的关键问题。

   2　3DGM理论与方法

   矿山的自然地质现象与人造工程如矿体、地层、断裂、钻孔、井巷、采空区等,都是三维空间实体。

2维或基于DEM/DTM的2.5维GIS、VMS都难以表达复杂的地下三维地质与工程问题及进行矿山空间分析,包括复杂矿体、断层、褶皱等不连续体的真三维建模、地质体任意剖面生成、三维可视化等。

近年,真3DGM、地面地下工程的空间整合分析、三维动态模拟、三维地学可视化与地学多维图解的集成[10]等问题,已成为GIS的技术前沿和攻关热点。

如何对这些多维空间数据进行集成管理、动态处理和时空分析,是国内外学术界和工程应用面临的一大理论与技术难题。

   3DGM技术就是为了解决地学领域中遇到的三维问题,如三维地层、断裂、矿体和巷道的显示、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积与储量计算等问题而提出来的。

3DGM是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化（SciV）等学科交叉而形成的一门新兴学科[11]。

它由加拿大SimonW.Houlding于1993年首先提出[12],其含义为:

3EDGM是一门运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达,并运用SciV来对地层及其环境进行真三维再现和可视化交互的科学与技术。

   2.1　构模方法评析

   三维地学构模方法大致有以下5种:

   2.1.1　块段（block）构模法

   块段构模技术的研究和应用始于20世纪60年代初,是一种传统的地学构模方法。

20世纪60年代和70年代开发的一些计算机系统即采用这种构模技术,比较典型的有奥廷托锌业公司（RTZ）开发的OBMS和OPDP系统,控制数据（ControlData）公司的MINEVAL系统和Minetec公司的MEDS系统。

这类构模技术是把要建立模型的整个立方块空间分割成规则的三维立方网格（grid）,称为块段;每个块段在计算机中存储的地址与其在自然矿床中的位置相对应;用克立格法、距离加权平均等方法和优势原则来确定各块段中的品位或质量参数。

这种技术的优点是可以采用隐含定位技术来节省存储空间和运算时间;但在精确模拟矿体边界与分割粒度（存储量）上存在尖锐矛盾。

   2.1.2　线框（wireframe）构模法

   线框构模技术是一种表面构模技术,即把面上的点用直线连接起来,形成一系列多边形,然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格,以此来模拟地质边界或开采边界。

该法的缺陷是无法表达边界内部或地质体内部。

   2.1.3　实体（solid）构模法

   实体构模法是采用多边形网格来描述地质和开采过程所形成的形体边界,并用传统的块段模型描述形体内部的品位或质量的分布。

实体构模技术以LYNX系统中提供的三维元件构模（3Dcomponentmodeling）为代表。

该构模方法以真实的地质或开采形体的几何形态为基础,以中平面的前后扩展为构模原理,交互式逐个生成由地质分表面（sub2surface）和开采边界面所构成的各地质元件（component）。

元件是3DGM的基本单元,不仅表示一个形体,也表示封闭的体积以及形体中的地质特征（品位或质量等）分布。

实体构模法实质是线框构模法与扩展的块段构模法的耦合,因此弥补了块段构模处理边界的不足。

   2.1.4　断面（section）构模法

   断面构模技术是再现传统的手绘建模方法的计算机化矿床构模技术,即通过一系列平面图或剖面图来描述矿床,并记录信息。

其特点是将3维问题2维化,便于地质描述,大大简化了模型的设计和程序的编制;但它在矿床的表达上是不完整的,往往需要与其他构模方法配合使用。

   2.1.5　表面（surface）构模法

   表面模型有时也称为数字地面模型（DigitalTerrainModels,简称DTM）。

有很多方法可以用来表达表面,如等高线模型、网格模型等,而最常用的模型还是不规则三角网（TIN）。

表面模型多用于层状矿床构模,一般先生成各岩层的接触界面或厚度在模型域上的表面模型,然后根据岩层间的截割和切错关系通过“修剪”、“优先级次序覆盖”等逻辑运算来对各模拟面进行精确修饰。

在TIN表面建模的基础上,LYNX还通过上、下相邻表面TIN的对应连接形成一组三棱柱,来模拟地层或矿床内部;其前提条件是上、下相邻表面TIN上的对应点无平面位置偏移,即（x,y）相同。

   2.2　类三棱柱构模

   实际上由于钻孔偏斜和界面采样的随机性,上、下相邻表面TIN上的对应点无法保证平面位置无偏移,因此导致所连接形成的三棱柱的侧面不是平面。

作者称这种三棱柱为类三棱柱（Ana2logicTri2Prism,简称ATP）;进而提出了将层间表面TIN与TIN间ATP的联合使用来构建三维地质模型的方法,称为类三棱柱法（简称ATP法）。

图1所示为2层ATP模型的基本结构。

图1　ATP构模基本结构

   ATP模型由点、TIN边、TIN三角形、棱边、侧面（分割为三角形）、ATP体共6组基本元素组成。

采用ATP构模技术,不仅可以精确模拟地层或矿床的点的x,y,z坐标next:

long;

     //指向下一个点的指针

   　TINEdge[n]:

arrayofTTINEdge;//点周围的TIN边

   　UpPsmEdge,DownPsmEdge:

TprismEdge;//点所对应的上、下棱边

     End;

   2.2.2　TIN边的数据结构

     Type

   　TINEdge=Record

   　Pstart,Pend:

Tpoint;//TIN边的起点、终点

   　LeftTriID,RightTriID:

integer;//TIN边的左、右三角形标识号

     End;

   2.2.3　棱边的数据结构

      Type

    　PrismEdge=Record

    　Pstart,Pend:

Tpoint;//棱边的起点、终点

    　NeighbourTriID:

arrayofinteger;//相邻的多个侧面三角形标识号

      End;

   2.2.4　TIN三角形的数据结构

     Type

   　Triangle=Record

   　TriID:

Integer;//三角形的标识号

   　Point[3]:

Tpoint;//组成三角形的3个顶点

   　TINEdge[3]:

TTINEdge;//组成三角形的3条边

   　NeighbourTri[3]:

ArrayofInteger;//相邻的3个三角形的标识号

     End;

   2.2.5　侧面三角形的数据结构

     Type

   　SideTriangle=Record

   　SideTriID:

integer;//三角形的标识号

   　Point[3]:

Tpoint;//组成三角形的3个顶点

   　LeftTriPrism,RightTriPrism:

TanatriPrism;//三角形的左右ATP

     End;

   2.2.6　ATP的数据结构

     Type

   　AnatriPrism=Record

   　PrismID:

Integer;//ATP的标识号

   　Point[6]:

Tpoint;//组成ATP的6个顶点

   　UpTri,DownTri:

Triangle;//组成ATP的上、下TIN

   　SideTri[6]:

TsideTriangle;//组成ATP的6个侧面三角形

   　NeighbourPsm[5]:

Arrayofinteger;//相邻的5个ATP标识号

     End;

   2.3　ATP构模方法实验示例

   作者对ATP法进行初步程序实现,并用一组实验钻孔数据进行了3DGM与可视化。

钻孔数据库由以下字段组成:

钻孔号、岩层编号、岩层倾角、岩层方位角、岩层名称、岩性描述、岩层厚度、岩层界面坐标。

图2为从钻孔数据库里提取地层层面数据、运用ATP法自动生成的3D地质模型。

图2　基于ATP生成的真3维地质模型

   3　VR技术在矿山工程中的应用

   VR技术在矿业领域较早得到应用,目前的研究主要集中在利用现有的VR平台进行VMS开发,在矿山风险评估、事故模拟与调查、职业教育与技术培训等方面取得长足进展。

   3.1　矿山生产环境的风险评价

   在矿山安全监察中对矿山环境中潜在的灾害事故进行有效的预测与分析是保障安全生产的主要途径。

风险评价已成为现代矿山生产管理日常工作的一部分。

英国诺丁汉大学AIMSSolutions公司已经开发出一系列矿山VR模型,如露天矿单斗2卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。

   通过应用VR技术辅助识别和评