摘要：煤礦地層三維可視化是運(yùn)用三維地學(xué)模擬方法對現(xiàn)實(shí)礦山的三維空間實(shí)體在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行三維模擬，文章研究和分析了煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)及相關(guān)算法，研究了分別基于面、體和混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，平面的剖分算法、地質(zhì)界面的插值方法和基于三棱柱的地質(zhì)體剖切算法，模型的三維可視化技術(shù)等，根據(jù)煤礦三維可視化系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型顯示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：煤礦地層；三維可視化；三維地質(zhì)建模

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）18

數(shù)字礦山是以礦山系統(tǒng)為原型，以地理坐標(biāo)為參考系，綜合礦山科學(xué)技術(shù)、信息科學(xué)、人工智能和計(jì)算科學(xué)，建立數(shù)字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化等綜合自動化的現(xiàn)代礦山系統(tǒng)。煤礦地層三維可視化就是運(yùn)用三維地學(xué)模擬對現(xiàn)實(shí)礦山的三維空間實(shí)體在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行三維模擬顯示，如三維地層、斷裂、礦體和巷道的真三維動態(tài)顯示、三維巷道的空間拓?fù)浞治?、三維礦體的體積、儲量的計(jì)算等。論文將通過Microsoft Office Access2003建立鉆孔數(shù)據(jù)庫作為后臺地質(zhì)基礎(chǔ)信息，在VS2005開發(fā)環(huán)境下，利用OGRE圖形庫函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)-三角網(wǎng)混合數(shù)字高程面模型（Grid-TIN）和三棱柱（GTP）體模型三維可視化，然后填充各種巖性的紋理、加入對三維模型的操作功能，最終建成三維地質(zhì)模型的三維可視化系統(tǒng)。

1研究背景及試驗(yàn)區(qū)概況

目前，我國很多煤礦在生產(chǎn)信息化方面比較薄弱，對礦井信息的存儲管理多借助于紙質(zhì)的圖、表和二維的GIS軟件，這些信息不能直觀的反映在煤礦生產(chǎn)過程中所遇到的一些地質(zhì)現(xiàn)象和工程問題。另外煤礦的穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)對我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有很重要的作用，但頻繁發(fā)生的煤礦安全事故（例如瓦斯爆炸、突水等）嚴(yán)重影響著我國煤礦工業(yè)的安全生產(chǎn)和發(fā)展?；谝陨蠁栴}的提出，在數(shù)字礦山的建設(shè)中實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)空間的可視化有助于更好的了解地下地質(zhì)體形態(tài)和三維空間關(guān)系等。本文將從數(shù)據(jù)模型和

軟件開發(fā)兩方面分析三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀。

東灘煤礦是我國目前井工開采生產(chǎn)規(guī)模最大的現(xiàn)代化特大型礦井之一，位于山東省鄒城、兗州、曲阜三市接壤地區(qū)，兗州向斜的核部和深部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等，以寬緩的褶皺為主，伴有一定數(shù)量的斷裂構(gòu)造，斷層的發(fā)育有明顯的分區(qū)性。本文基于東灘煤礦十四采區(qū)內(nèi)的鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要選取了煤層厚度相對較大的3上煤層及其頂板砂巖和底板泥巖在十四采區(qū)中的部分地層數(shù)據(jù)。

2模型算法研究

2.1煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)研究

在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行二維顯示或三維虛擬顯示時(shí)，需要把地下復(fù)雜的、難以全面獲取信息和直接表示的地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行抽象，提取實(shí)體的主要特征元素進(jìn)行量化，利用一定的有效數(shù)據(jù)模型進(jìn)行近似模擬，逼近表達(dá)。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)不同模型的表達(dá)優(yōu)勢，需要不同的模型來對地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行逼近顯示。根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，煤礦三維地質(zhì)體的模擬方法概括有三種，即基于曲面模擬、體元模擬和混合結(jié)構(gòu)模擬。

2.1.1曲面模擬

基于面的煤礦三維數(shù)據(jù)模型主要用于對三維地質(zhì)實(shí)體的表面進(jìn)行表示，像地表地形、某一地層頂?shù)装鍖用?、?gòu)筑物或工程的空間框架和輪廓。目前，常用的基于曲面的煤礦三維地質(zhì)模型有線框模型（Wire Frame Model）、樣條曲面模型（Spline Surface Model）、形狀模型（Shape）、面片模型（Patch Model）、邊界模型（Boundary Model）、斷面模型（Section Model）和多層DEM模型（Multi-DEM Model）。

2.1.2體元模擬

在實(shí)際應(yīng)用中，規(guī)則體元通常用于對水體和污染等環(huán)境問題進(jìn)行建模；非規(guī)則體元則是有采樣約束的、基于地層界面和地質(zhì)構(gòu)造的面向?qū)嶓w的三維數(shù)據(jù)模型，所以在三維地質(zhì)建模中主要采用非規(guī)則體元模型。常用的體模型方法有結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型方法（CSG）、三維柵格模型方法（Array）、塊模型方法（Block）、八叉樹模型方法（Octree）、三棱柱模型方法（TP）和四面體模型方法

（TEN）等。

2.1.3混合結(jié)構(gòu)模擬

利用面模型和體模型的優(yōu)點(diǎn)，限制各自的缺點(diǎn)，文章采用混合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型，混合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型有Grid-TIN混合模型、TIN+Octree混合模型、TEN+Octree混合模型及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型（OO3D）。

2.2三維數(shù)據(jù)模型相關(guān)算法研究

在三維地質(zhì)實(shí)體建模過程中需要用到許多的地質(zhì)數(shù)學(xué)算法問題，例如根據(jù)有限的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)插值生成任意一點(diǎn)的空間位置信息或?qū)傩孕畔⒌姆椒?、地層的?gòu)模算法、切割算法、挖掘算法等。

2.3模型的三維可視化技術(shù)

文中用到了OGRE圖形繪制引擎，即面向?qū)ο蟮膱D形渲染引擎（Object-Oriented Graphics Rendering Engine），它是一個完全開源的、跨平臺的圖形繪制引擎，以插件的形式調(diào)用其它圖形行庫的圖形渲染接口（目前主要為OpenGL和Direct3D）。OGRE利用高度的抽象方法，以更加直觀的、簡潔的、靈活的方法接口把不同類型的3D應(yīng)用程序接口封裝起來，實(shí)現(xiàn)3D場景的渲染。

2.4建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

本文通過整理原始鉆孔勘探資料，基于Microsoft Access 2003建立三維地質(zhì)模型可視化系統(tǒng)的后臺地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括煤礦鉆孔基本屬性表、煤礦鉆孔綜合確定成果表、巖層頂?shù)装錎EM信息表和巖層屬性表等。

3三維地質(zhì)模型顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)定位與開發(fā)環(huán)境

本文的研究目的主要在于對煤礦三維地層建模的理論方法和操作算法進(jìn)行研究，與其同步進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)定位在建立數(shù)字礦山系統(tǒng)中三維地質(zhì)空間可視化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的程序開發(fā)是在Windows系統(tǒng)下，使用VS2005環(huán)境中的VC++程序設(shè)計(jì)語言作為開發(fā)語言，并利用OGRE圖形引擎和簡單的Microsoft Access2003數(shù)據(jù)庫技術(shù)集成開發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)功能。

3.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在研究有關(guān)三維地質(zhì)模型的理論方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能主要包括：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的管理與查詢、鉆孔的虛擬顯示、地質(zhì)界面的模擬顯示、地質(zhì)體的模擬顯示、三維場景操作、模型的

操作。

在運(yùn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先以創(chuàng)建的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，加載鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，以編碼生成的紋理庫作為巖性紋理圖案的繪制來源。然后基于這些離散的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。最后創(chuàng)建并生成整個實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的基于格網(wǎng)-三角網(wǎng)混合數(shù)字高程面模型（Grid-TIN）和基于三棱柱（GTP）的地層體模型。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程如圖1所示：

4結(jié)論

本文深入并系統(tǒng)地研究了基于面、體和混合結(jié)構(gòu)的煤礦三維數(shù)據(jù)模型及其可視化技術(shù)，同時(shí)有針對性地對地質(zhì)界面的插值算法、平面剖分算法和基于三棱柱的地質(zhì)體剖切算法進(jìn)行了研究；研究了鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的特征和處理方法，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了論文需要的后臺地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；根據(jù)煤礦三維地質(zhì)模型的模擬和可視化技術(shù)的要求以及軟件系統(tǒng)的開發(fā)原則，在VS2005環(huán)境下，利用Microsoft Access2003作為后臺數(shù)據(jù)庫和OGRE圖形引擎為顯示工具，設(shè)計(jì)了三維地質(zhì)模型可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳學(xué)習(xí)，吳立新．三維地學(xué)模擬現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，5（2）．

[2]李梅，董平，毛善君．地質(zhì)礦山三維建模技術(shù)研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33（4）．

[3]陳莉娟．三維巷道模型生成系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]．安徽理工大學(xué)，2009.

[4]徐能雄，段慶偉，等．三維地質(zhì)建模方法及程序?qū)崿F(xiàn)[M]．地質(zhì)出版社，2011.

[5]馮興隆，李德，等．淌塘銅礦三維可視化建模及應(yīng)用[J]．中國礦山工程， 2011，（6）.

作者簡介：代琦（1986-），男，江蘇豐縣人，安陽鑫龍煤業(yè)助理工程師，研究方向：瓦斯地質(zhì)。

（責(zé)任編輯：葉小堅(jiān)）