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(duì)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(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)顯示、三維巷道的空間拓?fù)浞治觥⑷S礦體的體積、儲(chǔ)量的計(jì)算等。論文將通過Microsoft Office Access2003建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)地質(zhì)基礎(chǔ)信息，在VS2005開發(fā)環(huán)境下，利用OGRE圖形庫(kù)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(duì)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(guó)很多煤礦在生產(chǎn)信息化方面比較薄弱，對(duì)礦井信息的存儲(chǔ)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(duì)我國(guó)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(guó)煤礦工業(yè)的安全生產(chǎn)和發(fā)展。基于以上問題的提出，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(guó)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(duì)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(shì)，需要不同的模型來(lái)對(duì)地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行逼近顯示。根據(jù)國(guó)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(duì)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(duì)水體和污染等環(huán)境問題進(jìn)行建模；非規(guī)則體元?jiǎng)t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ā⒌貙拥臉?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(gè)完全開源的、跨平臺(tái)的圖形繪制引擎，以插件的形式調(diào)用其它圖形行庫(kù)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(jiǎn)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(lái)，實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景的渲染。

2.4建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

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(tái)地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(yǔ)言作為開發(fā)語(yǔ)言，并利用OGRE圖形引擎和簡(jiǎn)單的Microsoft Access2003數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(chǎng)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(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，加載鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，以編碼生成的紋理庫(kù)作為巖性紋理圖案的繪制來(lái)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(gè)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(duì)性地對(duì)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(kù)技術(shù)建立了論文需要的后臺(tái)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)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)。

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作者簡(jiǎn)介：代琦（1986-），男，江蘇豐縣人，安陽(yáng)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)）