三維建模技術(shù)及其在數(shù)字礦山應(yīng)用中幾個問題的思考

三維建模技術(shù)及其在數(shù)字礦山應(yīng)用中幾個問題的思考李青元(研究員)中國測繪科學(xué)研究院(地理信息工程重點實驗室liqy@第五屆中國礦山數(shù)字與智能技術(shù)裝備大會成都2013-9-17~18概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法一、單位與個人背景

本人來自于中國測繪科學(xué)研究院地理信息工程重點實驗室。中國測繪科學(xué)研究院是隸屬于國土資源部下屬的國家測繪地理信息局，是國家100所公益性研究院所之一。我們的定位是為礦產(chǎn)資源勘探、開采提供地理空間信息領(lǐng)域的公益性的專業(yè)服務(wù)。數(shù)字礦山的專業(yè)軟件留給公司去做，我們專注于數(shù)字礦山所涉及的三維建模方面的關(guān)鍵技術(shù)。所以我們希望與數(shù)字礦山軟件公司合作共贏。同時我們希望在面向地質(zhì)勘探的三維建模軟件方面有所作為(我們的軟件“地質(zhì)工程師三維助手”

)。本人81年畢業(yè)中國礦業(yè)大學(xué)煤田地質(zhì)與勘探專業(yè)，從事過礦井地質(zhì)工作，獲煤田構(gòu)造，煤田、油氣勘探專業(yè)碩士與博士學(xué)位。在中國煤田地質(zhì)總局從事過全國煤炭資源數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。在中國測繪科學(xué)研究院從事了十多年的GIS軟件開發(fā)。2010年從事面向地質(zhì)勘探的三維GIS軟件研發(fā)。概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法2、三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系三維建模是數(shù)字礦山的基礎(chǔ)與核心，但并不是數(shù)字礦山的全部。數(shù)字礦山的真正價值來自于構(gòu)建在在三維模型上的采區(qū)管理、運輸、通風(fēng)、設(shè)備管理、供電、人員管理等各種應(yīng)用系統(tǒng)。沒有這各類專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，只有三維模型的數(shù)字礦山就只是一個擺設(shè)。但這些應(yīng)用系統(tǒng)在很大程度上依賴于礦區(qū)的三維模型。數(shù)字礦山的三維建模涉及到從地上到地面到地下。既地上的各類建筑物、高壓線，到地面的地形、覆蓋類型，到地下的地質(zhì)模型（包括地層、礦層，以及斷層、褶皺等構(gòu)造形態(tài)）以及地下的巷道、硐室、工作面、采空區(qū)，還涉及到各類設(shè)備的三維建模，另外還有各類三維網(wǎng)絡(luò)（運輸網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、信號網(wǎng)絡(luò)、排水網(wǎng)絡(luò)）。沒有三維建模技術(shù)支撐的數(shù)字礦山將是空中樓閣。概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法3.數(shù)字礦山的提出背景與作用數(shù)字礦山在2000年以后得到社會各界，尤其是礦山企業(yè)的認可而蓬勃發(fā)展。計算機技術(shù)出現(xiàn)已經(jīng)六十多年，在礦山企業(yè)的應(yīng)用也由30多年的歷史，為什么會在2000年提出，并在近年來得到蓬勃發(fā)展？這里面有兩個重要的原因。第一個原因，在1998年美國戈爾副總統(tǒng)提出“數(shù)字地球”的概念后，中國學(xué)者迅速跟進，“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字區(qū)域”、“數(shù)字流域”，等各種數(shù)字工程大量出現(xiàn)。在此大背景下，以吳立新、盧新民、王李管、毛善軍等一批從事礦山信息化研究的學(xué)者不失時機地提出了“數(shù)字礦山”的概念，并對“數(shù)字礦山”的外延、內(nèi)涵、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了很多開創(chuàng)性的研究、實踐與宣傳，使得“數(shù)字礦山”的概念逐漸被業(yè)界所接受。第二個重要的背景就是在2000年以后，三維建模技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，終于達到一定的成熟度，數(shù)字礦山所需的各種三維建模技術(shù)已基本可用，沒有這一前提條件，數(shù)字礦山就沒有建設(shè)的基礎(chǔ)。數(shù)字礦山理念的提出，一方面促使社會各界，尤其是國家層面與礦山企業(yè)，對信息化建設(shè)與投入的重視。并且自從數(shù)字礦山的口號提出后，礦山企業(yè)的信息化建設(shè)的步伐確實是得到了加快。很多與礦山(安全)開采相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)在國家層面的科技項目中得到了體現(xiàn)。但國家在數(shù)字礦山所涉及的關(guān)鍵技術(shù)方面的投入與礦山企業(yè)給國家國民經(jīng)濟貢獻所占的比例仍然偏低。概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步1）有了很多開源或付費的三維建模工具模塊可供數(shù)字礦山軟件開發(fā)商使用，使得數(shù)值礦山軟件開發(fā)商可以站在一個較高的起點上專注他們的應(yīng)用開發(fā)，國內(nèi)有不少這樣的成功經(jīng)驗。2）三維建模將由過去的單純集合建模向幾何建模與屬性場建模并重的方向發(fā)展。對金屬礦、石油、天然氣以及近年來快速發(fā)展的煤層氣、頁巖氣勘探領(lǐng)域，表達礦體內(nèi)有用金屬含量，或成藏巖層的孔隙度甚至孔隙的聯(lián)通方向都已提出了迫切的要求。3）由單機三維建模向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多部門共享的三維建模方向發(fā)展。數(shù)字礦山是信息化的采掘、運輸、通風(fēng)、機電、人員管理等多部門協(xié)同管理的綜合系統(tǒng)。4）由靜態(tài)的三維模型向帶時間坐標(biāo)的動態(tài)的三維模型發(fā)展。礦山開采是一個動態(tài)的過程，采掘進度的動態(tài)管理對傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及時態(tài)GIS的回朔技術(shù)將值得數(shù)字礦山采用與借鑒。（5）井下通訊與實時定位技術(shù)正在迅速發(fā)展，將在最近幾年趨于成熟。各種鏈式中轉(zhuǎn)站技術(shù)采用，將使得井下的無線通訊與無線定位技術(shù)成為可用。（6）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：鑲嵌在三維礦山模型中的各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步將使得瓦斯、地壓、涌水等引災(zāi)因素的監(jiān)測得以全方位、全時段的實時進行。以前井下的瓦斯監(jiān)測主要靠瓦斯檢查員巡回檢查，那么多巷道、工作面，哪一個沒有走到就可能出現(xiàn)事故。有了遍布于井下的各種監(jiān)測傳感器的7X24小時實時監(jiān)測，將可能使礦山的安全條件得到很大的改善。7）從頭到尾的三維建模：數(shù)字礦山將從地質(zhì)勘探部門提供的數(shù)字化地質(zhì)報告向數(shù)字化礦井設(shè)計方案、數(shù)字化礦井建設(shè)、生產(chǎn)管理的一條龍方向發(fā)展。這個三維地質(zhì)模型將貫穿于礦區(qū)地質(zhì)勘探、設(shè)計、建井、生產(chǎn)、報廢管理的始終，只不過是模型越來越精細、內(nèi)容越來越充實。8）平剖面聯(lián)動編輯：三維地質(zhì)建模的平剖面三維聯(lián)動編輯將趨于成熟。

概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分雖然數(shù)字礦山所涉及的三維建模技術(shù)眾多，包括地質(zhì)、巷道、硐室、管網(wǎng)、設(shè)備、地形、地面建筑等等，但這其中難度最大、價值最大的仍然是三維地質(zhì)建模技術(shù)。因為精細、準確的三維地質(zhì)建模能真正的用于指導(dǎo)設(shè)計與開采，而巷道、硐室、設(shè)備、地面建筑的三維建模的主要目的是用來觀賞，使計算機中的礦山模型從地上到地下像真的一樣，而起對指導(dǎo)生產(chǎn)的意義并不大。一個逼真的三維設(shè)備模型與一個用簡單的方框表達的設(shè)備在機電工程師眼中并沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，只是使領(lǐng)導(dǎo)和外行看起來更“炫”而已。巷道與硐室的三維建模也大多是貼膜的“假景象”，就算是換成真實的影像，由于巷道與硐室的周壁都已經(jīng)被磚石壘砌或錨噴遮蔽得嚴嚴實實，對于這層包皮后面的地層、礦層的真實情況什么也看不見。但是我們知道，井巷施工中，地質(zhì)工程師是會隨時跟進進行施工現(xiàn)場的地質(zhì)編入的。對于煤巷，他們會記錄煤層頂板在左幫、右?guī)偷闹芯€（腰線）之上或之下多少，或頂、底的什么位置，而這些礦層與巷道的交切關(guān)系的三維建模對于礦層的精準三維建模具有很好的控制作用。因此筆者建議對于巷道、硐室的三維建模除了有一套表現(xiàn)砌拱、錨噴后的三維影像的三維模型，還應(yīng)該有一套原始地質(zhì)編入所記錄的能表達地層、礦層與巷道切割關(guān)系的三維建模。概要1.單位與個人背景2.三維建模與數(shù)字礦山的關(guān)系3.數(shù)字礦山的提出背景與作用4.三維建模技術(shù)近年與未來幾年的主要進步5.三維地質(zhì)建模仍然是數(shù)字礦山建設(shè)中最困難與最有價值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種典型方法6.三維地質(zhì)建模的幾種典型方法數(shù)字礦山三維建模的數(shù)據(jù)來源多種多樣，不同階段的數(shù)據(jù)來源也各有差異。下面簡要分析層狀的煤礦產(chǎn)三維地質(zhì)建模的幾個不同階段的主要數(shù)據(jù)特點與建模方法。（1）根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進行三維建模；（2）根據(jù)剖面數(shù)據(jù)進行三維建模；（3）根據(jù)各礦層底板等高線數(shù)據(jù)進行三維建模；（4）剖面圖與礦層底板等高線圖聯(lián)合建模。（1）根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進行三維建模需要對各個鉆孔進行分層，確定全區(qū)能對比的主要地質(zhì)界面在各個鉆孔的位置，即確定界面的若干采樣點x,y,z；然后由這些界面采樣點進行三角剖分構(gòu)建各個界面的三角網(wǎng)；追蹤生成界面等高線。還可以采用一些高次曲面插值方法，對所生成的曲面進行細化處理，使得三角去面片之間廣順連接。（2）根據(jù)剖面數(shù)據(jù)進行三維建模地質(zhì)勘探中，地質(zhì)工程師主要在勘探線剖面上分析、確定勘探區(qū)的構(gòu)造形態(tài)?？碧骄€剖面圖是傳統(tǒng)地質(zhì)報告的基礎(chǔ)圖件之一，它提供地質(zhì)工程師對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的直觀解釋。如何根據(jù)剖面數(shù)據(jù)進行三維建模是擺在三維建模軟件面前的一個巨大挑戰(zhàn)。關(guān)鍵是如何提高自動化程度，減少人的工作量。（