三维建模技术及其在数字矿山应用中几个问题的思考.

三维建模技术及其在数字矿山应用中几个问题的思考李青元(研究员)中国测绘科学研究院(地理信息工程重点实验室)13511013028，[e-mail]第五届中国矿山数字与智能技术装备大会成都2013-9-17~18概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种方法一、单位与个人背景本人来自于中国测绘科学研究院地理信息工程重点实验室。中国测绘科学研究院是隶属于国土资源部下属的国家测绘地理信息局，是国家100所公益性研究院所之一。我们的定位是为矿产资源勘探、开采提供地理空间信息领域的公益性的专业服务。数字矿山的专业软件留给公司去做，我们专注于数字矿山所涉及的三维建模方面的关键技术。所以我们希望与数字矿山软件公司合作共赢。同时我们希望在面向地质勘探的三维建模软件方面有所作为(我们的软件“地质工程师三维助手”)。本人81年毕业中国矿业大学煤田地质与勘探专业，从事过矿井地质工作，获煤田构造，煤田、油气勘探专业硕士与博士学位。在中国煤田地质总局从事过全国煤炭资源数据库的设计。在中国测绘科学研究院从事了十多年的GIS软件开发。2010年从事面向地质勘探的三维GIS软件研发。概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种方法2、三维建模与数字矿山的关系三维建模是数字矿山的基础与核心，但并不是数字矿山的全部。数字矿山的真正价值来自于构建在在三维模型上的采区管理、运输、通风、设备管理、供电、人员管理等各种应用系统。没有这各类专业应用系统，只有三维模型的数字矿山就只是一个摆设。但这些应用系统在很大程度上依赖于矿区的三维模型。数字矿山的三维建模涉及到从地上到地面到地下。既地上的各类建筑物、高压线，到地面的地形、覆盖类型，到地下的地质模型（包括地层、矿层，以及断层、褶皱等构造形态）以及地下的巷道、硐室、工作面、采空区，还涉及到各类设备的三维建模，另外还有各类三维网络（运输网络、通风网络、电力网络、信号网络、排水网络）。没有三维建模技术支撑的数字矿山将是空中楼阁。概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种方法3.数字矿山的提出背景与作用数字矿山在2000年以后得到社会各界，尤其是矿山企业的认可而蓬勃发展。计算机技术出现已经六十多年，在矿山企业的应用也由30多年的历史，为什么会在2000年提出，并在近年来得到蓬勃发展？这里面有两个重要的原因。第一个原因，在1998年美国戈尔副总统提出“数字地球”的概念后，中国学者迅速跟进，“数字中国”、“数字城市”、“数字区域”、“数字流域”，等各种数字工程大量出现。在此大背景下，以吴立新、卢新民、王李管、毛善军等一批从事矿山信息化研究的学者不失时机地提出了“数字矿山”的概念，并对“数字矿山”的外延、内涵、所涉及的关键技术进行了很多开创性的研究、实践与宣传，使得“数字矿山”的概念逐渐被业界所接受。第二个重要的背景就是在2000年以后，三维建模技术经过几十年的发展，终于达到一定的成熟度，数字矿山所需的各种三维建模技术已基本可用，没有这一前提条件，数字矿山就没有建设的基础。数字矿山理念的提出，一方面促使社会各界，尤其是国家层面与矿山企业，对信息化建设与投入的重视。并且自从数字矿山的口号提出后，矿山企业的信息化建设的步伐确实是得到了加快。很多与矿山(安全)开采相关的关键技术在国家层面的科技项目中得到了体现。但国家在数字矿山所涉及的关键技术方面的投入与矿山企业给国家国民经济贡献所占的比例仍然偏低。概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种方法4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步1）有了很多开源或付费的三维建模工具模块可供数字矿山软件开发商使用，使得数值矿山软件开发商可以站在一个较高的起点上专注他们的应用开发，国内有不少这样的成功经验。2）三维建模将由过去的单纯集合建模向几何建模与属性场建模并重的方向发展。对金属矿、石油、天然气以及近年来快速发展的煤层气、页岩气勘探领域，表达矿体内有用金属含量，或成藏岩层的孔隙度甚至孔隙的联通方向都已提出了迫切的要求。3）由单机三维建模向网络环境多部门共享的三维建模方向发展。数字矿山是信息化的采掘、运输、通风、机电、人员管理等多部门协同管理的综合系统。4）由静态的三维模型向带时间坐标的动态的三维模型发展。矿山开采是一个动态的过程，采掘进度的动态管理对传统的三维建模技术带来了挑战，数据库技术以及时态GIS的回朔技术将值得数字矿山采用与借鉴。（5）井下通讯与实时定位技术正在迅速发展，将在最近几年趋于成熟。各种链式中转站技术采用，将使得井下的无线通讯与无线定位技术成为可用。（6）物联网技术：镶嵌在三维矿山模型中的各种传感器与物联网技术的进步将使得瓦斯、地压、涌水等引灾因素的监测得以全方位、全时段的实时进行。以前井下的瓦斯监测主要靠瓦斯检查员巡回检查，那么多巷道、工作面，哪一个没有走到就可能出现事故。有了遍布于井下的各种监测传感器的7X24小时实时监测，将可能使矿山的安全条件得到很大的改善。7）从头到尾的三维建模：数字矿山将从地质勘探部门提供的数字化地质报告向数字化矿井设计方案、数字化矿井建设、生产管理的一条龙方向发展。这个三维地质模型将贯穿于矿区地质勘探、设计、建井、生产、报废管理的始终，只不过是模型越来越精细、内容越来越充实。8）平剖面联动编辑：三维地质建模的平剖面三维联动编辑将趋于成熟。概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种方法5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分虽然数字矿山所涉及的三维建模技术众多，包括地质、巷道、硐室、管网、设备、地形、地面建筑等等，但这其中难度最大、价值最大的仍然是三维地质建模技术。因为精细、准确的三维地质建模能真正的用于指导设计与开采，而巷道、硐室、设备、地面建筑的三维建模的主要目的是用来观赏，使计算机中的矿山模型从地上到地下像真的一样，而起对指导生产的意义并不大。一个逼真的三维设备模型与一个用简单的方框表达的设备在机电工程师眼中并没有什么本质的区别，只是使领导和外行看起来更“炫”而已。巷道与硐室的三维建模也大多是贴膜的“假景象”，就算是换成真实的影像，由于巷道与硐室的周壁都已经被砖石垒砌或锚喷遮蔽得严严实实，对于这层包皮后面的地层、矿层的真实情况什么也看不见。但是我们知道，井巷施工中，地质工程师是会随时跟进进行施工现场的地质编入的。对于煤巷，他们会记录煤层顶板在左帮、右帮的中线（腰线）之上或之下多少，或顶、底的什么位置，而这些矿层与巷道的交切关系的三维建模对于矿层的精准三维建模具有很好的控制作用。因此笔者建议对于巷道、硐室的三维建模除了有一套表现砌拱、锚喷后的三维影像的三维模型，还应该有一套原始地质编入所记录的能表达地层、矿层与巷道切割关系的三维建模。概要1.单位与个人背景2.三维建模与数字矿山的关系3.数字矿山的提出背景与作用4.三维建模技术近年与未来几年的主要进步5.三维地质建模仍然是数字矿山建设中最困难与最有价值的部分6.三维地质建模的几种典型方法6.三维地质建模的几种典型方法数字矿山三维建模的数据来源多种多样，不同阶段的数据来源也各有差异。下面简要分析层状的煤矿产三维地质建模的几个不同阶段的主要数据特点与建模方法。（1）根据钻孔数据进行三维建模；（2）根据剖面数据进行三维建模；（3）根据各矿层底板等高线数据进行三维建模；（4）剖面图与矿层底板等高线图联合建模。（1）根据钻孔数据进行三维建模需要对各个钻孔进行分层，确定全区能对比的主要地质界面在各个钻孔的位置，即确定界面的若干采样点x,y,z；然后由这些界面采样点进行三角剖分构建各个界面的三角网；追踪生成界面等高线。还可以采用一些高次曲面插值方法，对所生成的曲面进行细化处理，使得三角去面片之间广顺连接。（2）根据剖面数据进行三维建模地质勘探中，地质工程师主要在勘探线剖面上分析、确定勘探区的构造形态。勘探线剖面图是传统地质报告的基础图件之一，它提供地质工程师对矿区地质构造形态的直观解释。如何根据剖面数据进行三维建模是摆在三维建模软件面前的一个巨大挑战。关键是如何提高自动化程度，减少人的工作量。（3）根据各矿层底板等高线数据进行三维建模底板等高线图是传统地质勘探中非常重要的一个基础图件，它是以等高线的方式反映矿层底界面的几合形态。底板等高线图是一个非常好的三维建模数据源。要注意的是现在常用的二维作图软件（例如AutoCAD\MapGIS\ArcGIS）所提供的等高线图存在以下问题：a.等高线不连续（为标注或建筑）所隔断。b.等高线上采样点过密。c.等高线上虽然标注有高程，但实际等高线上的点没有高程需要采取以下预处理：a.手工将这些不连续的等高线连接起来，b.对等高线重采样，c.为等高线赋高程，d.对断面交线，根据与等高线的交点获取其高程。（4）剖面图与矿层底板等高线图联合建模（平、剖面联动编辑）将上述的平面图建模（底板等高线图建模）与剖面建模结合起来。使底板等高线图所表达的构造形态与剖面图所表达的构造形态相互约束，达到平、剖面联动编辑。即修改平面图上的等高线，剖面图上的相应界面的构造形态应该随之变化，反之亦然。平、剖面联动编辑将是三维地质建模软件的“杀手级应用”。它将成为地质工程师愿意使用三维建模软件的决定性理由。因为现在国家没有规定地质勘探成果必须提交三维模型，很多业主也还没有这方面的要求（尽管矿井设计部门非常希望勘探队所提交的地质报告中包括三维模型，省去他们重新数字化地质报告说带来的工作量），所以勘探队认为三维建模只是增加他们的成本。但平剖面联动编辑确实是地质工程师在提交地质报告时所需要的功能。平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑是目标是理想，是地质工程师对三维地质建模软件的期望。但不同三维地质建模软件建模的内部数据结构、实现算法相差很大，因而实现的途径也会各不相同。笔者这里根据“地质工程师三维助手”软件平台的开发实践，实现思路与方法。基于等高线的曲面构建方式曲面是地层界面、不整合面、断层面等地质界面的抽象数学表达。同时，曲面还是体状地质体的边界。因此，三维曲面是三维地质建模软件平台的基础。三维建模软件的很多操作最后都归结为对三维曲面的操作（如显示、修改、求交）。从测绘学的角度，地学曲面的空间形态的描述与控制的原始数据来自于对原始曲面的若干离散的三维采样点，这些采样点记录了曲面的x、y、z坐标。从数学的角度，曲面是由某种解析的函数表达式所表达，显示的为z=f(x,y)隐式的为F(x,y,z)=c计算机几何造型与计算机图形学的角度，曲面的表达不外以下四种方式：TIN：不规则三角网DEM:(数字高程矩阵)Contour：等高线各种函数表达：TIN与DEM方式不适合地质工程师修改曲面，虽然它们能够表达曲面，但地质工程师很难直接修改它们所表达的曲面形态，因此TIN和DEM方式所表达的地质曲面对地质工程师来说是隐式的。Contour等高线方式所表达的曲面形态对地质工程师来说是显式的，地质工程师对于用拖拽等高线的方式修改地质界面的曲面形态很熟悉。目前的三维建模平台中，在计算