礦山三維模型無縫集成方法與研究

李　江, 劉修國

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北 武漢　430074; 2.湖北省國土資源廳 信息中心,湖北 武漢　430071)

0　引言

近年來,隨著數(shù)字礦山技術(shù)(Digital Mine,DM)的蓬勃發(fā)展,三維地質(zhì)建模理論在采礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,尤其在地下空間三維建模方面,三維模型的無縫集成更是三維GIS、計算機可視化與城市、礦山及巖土工程等領(lǐng)域研究的交叉熱點。數(shù)字化三維建模技術(shù)及采礦軟件以精細(xì)、可靠的空間三維集成模型為采礦設(shè)計、智能化礦山爆破過程分析、生產(chǎn)調(diào)度、虛擬仿真、決策支持等方面礦山生產(chǎn)提供了強有力的支撐平臺。目前,針對礦山地下空間地質(zhì)構(gòu)造、礦體、地層、礦山巷道、地下工程開挖體等對象進(jìn)行的三維建模研究基本都是獨立建模,各實體的幾何模型完全相互獨立,實體模型的邊界交界處勢必形成邊界縫隙,而多層界面結(jié)構(gòu)的縫隙也必將影響應(yīng)用分析的精確度,難以滿足礦山應(yīng)用的要求。因此,開展面向多層次應(yīng)用需求的多分辨率無縫集成建模,為地下空間的認(rèn)知活動提供合理、科學(xué)、高效的多分辨率無縫集成三維模型,對礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

礦山三維模型的建立集成了勘探地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、地理信息系統(tǒng)、圖形圖像學(xué)等相關(guān)知識,其起源于因礦山管理和采礦的需要,由計算機輔助設(shè)計技術(shù)發(fā)展而來。國外在該領(lǐng)域的研究起步較早,Carlson Eric于20世紀(jì)80年代末從地質(zhì)學(xué)角度提出了地下空間三維結(jié)構(gòu)模型,并由此提出了單純復(fù)形模型(Simplicial Complex),構(gòu)建了反映地質(zhì)礦體立體概念的地下空間結(jié)構(gòu)理論[1]。三維地學(xué)模型由Raper J.F于1989年提出[2]。Fritsch于1990年提出三維GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]。90年代初,Joe創(chuàng)立了基于三維點集的局部變換構(gòu)建三維Delaunay三角形算法[4],即基于空球準(zhǔn)則的偽局部優(yōu)化法(Pseudo loeally optima)。Molenar以點、弧、邊、面四元素為基礎(chǔ)構(gòu)建了形式化三維數(shù)據(jù)模型——三維矢量數(shù)據(jù)模型(3D Formal Data Structure)[5]。Houlding S .W[6-7]提出了規(guī)則三維格網(wǎng)(Regular 3D grid)、非規(guī)則塊(Irregular block)、斷面(Sectional)和體(Volume)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Vietor和Pilout M在基于Delaunay四面體的三維矢量數(shù)據(jù)模型(TEN)方面進(jìn)行了相應(yīng)研究[8-9]。Lattuada and Raper在1998年對三維GIS環(huán)境下的Delaunay三角形在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用做了相關(guān)研究工作,證明了四面體網(wǎng)格具有較高精度、方便可視化并易于實現(xiàn)關(guān)系查詢的優(yōu)點[10]。中國在該領(lǐng)域的研究近年來同樣得到了發(fā)展和突破,獲得了較多實用成果。李清泉、孫敏等提出了以TIN與CSG集成建模作為城市3D GIS和3D CM(City Model)建模的主要方式[11-12]。王彥兵[13]針對城市空間(地上空間、地表空間和地下空間)實體數(shù)據(jù)來源及分布特征,提出了TIN與廣義三棱柱(GTP)集成建模方法。在礦山建模方面,龔健雅等[14]提出了一種矢柵集成的建模方式,將空間對象定義為0-3D及復(fù)雜對象,將數(shù)字表面模型、數(shù)字立體模型、像元和體元、柱狀實體等引入到模型中。程朋根[15]等以地勘工程為研究背景,發(fā)展了以地勘工程為應(yīng)用環(huán)境的矢柵集成數(shù)據(jù)模型。侯恩科[16]在其博士論文中也提出了涉及多種空間對象類的三維地質(zhì)模擬的集成數(shù)據(jù)模型。

綜上所述,目前針對礦山地下空間實體的獨立建模研究較多,并形成了較為成熟的理論和方法,但針對地下空間實體間相關(guān)關(guān)聯(lián)和影響的集成化建模研究較少,尤其是對復(fù)雜地質(zhì)形體三維模型構(gòu)建技術(shù)的相關(guān)理論和技術(shù)很不完善,不能滿足實際問題的需要。本文以四面體網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和生成算法為基礎(chǔ),針對地下空間不同實體的不同結(jié)構(gòu)特征和多種建模數(shù)據(jù)源,研究實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)源之間的融合機制,建立了集成式、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)模型,研究了三維模型無縫集成中的關(guān)鍵算法,提出了礦山地下空間實體無縫集成建模的體系結(jié)構(gòu)和建模方法,實現(xiàn)了礦山空間實體完整、連續(xù)、無縫的模型化表達(dá)。

1　無縫集成建模關(guān)鍵算法及研究

1.1　Delaunay四面體網(wǎng)格構(gòu)造算法

地質(zhì)三維空間數(shù)據(jù)模型按單元維數(shù)可分為面元模型(Facial Model)和體元模型(Volumetric Model )兩大類,按建模方式可分為單一建模模型(single modeling)、混合建模(compound modeling)和集成建模(integrated modeling)三大類[17]。

四面體網(wǎng)格(TEtrahedral Network,TEN)由三維Delaunay三角化基礎(chǔ)上提出,是不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)在三維空間上的擴展,其實質(zhì)是利用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體作為基本體元來完成對空間實體的表達(dá)[4,8-9,18]。四面體模型以空間離散點為頂點,離散點集利用互不相交的直線連接形成三角面片,所有互不穿越的三角面片就構(gòu)成了四面體網(wǎng)格,每個四面體內(nèi)不包含點集中的任意一點。四面體模型是面最少的體元結(jié)構(gòu),表達(dá)精度高,可通過插值運算實現(xiàn)實體的內(nèi)部表達(dá),在布爾計算和體積面積等屬性計算方面效率較高,便于對空間實體實現(xiàn)三維分析和顯示,能較好地應(yīng)用于地質(zhì)礦山領(lǐng)域,實現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)體的描述。本文采用四面體網(wǎng)格為數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)三維模型的無縫集成。

四面體網(wǎng)格的生成方法中以Delaunay法的使用最為廣泛,其中,局部變換法和Bowyer-Waster算法是Delaunay三角剖分的兩個經(jīng)典算法,隨著三角剖分研究的深入,越來越多的計算方法開始出現(xiàn)。具有代表性的如:多種Incremental[19-20]算法,Gift-Wrappingl算法,Quick Hull[21]算法和Divide-and-Conquer算法等?，F(xiàn)將Divide-and-Conquer(分治-合并)法介紹如下。

首先將數(shù)據(jù)點集(Point Set,PS)按升序排序,使Pi(Xi,Yi,Zi)

① 數(shù)據(jù)點集P以X坐標(biāo)為主,Y、Z坐標(biāo)為輔排序;② 將P分為近似相等的Pi和Pr;③ 判斷Pi/Pr中是否包含4-7個點。如果是,合并Pi和Pr的兩個四面體網(wǎng)格,執(zhí)行LOP算法優(yōu)化四面體網(wǎng)格,否則,調(diào)用Lee(Pi)或 Lee(Pr);④ 遞歸上述過程,直至四面體網(wǎng)格形成。

上述LOP即局部優(yōu)化算法(Local Optimization Procedure)采用是Lawson提出的換邊、換面算法。該算法在加入點后,對于共邊或共面的三角形四面體進(jìn)行空外接球或空外接圓測試,如外接球或外接圓內(nèi)包含其他點,則進(jìn)行換邊或換面的優(yōu)化操作,LOP是運用四面體網(wǎng)格性質(zhì)對有兩個公共面的四面體組成的六面體進(jìn)行判斷,如果四面體的外接球面中包含有第五個頂點,則將這個六面體的公共面相互交換(如圖1所示)。

圖1　四面體優(yōu)化示意圖

1.2　約束四面體網(wǎng)格(CD-TEN)生成算法

礦山空間對象普遍具有邊界復(fù)雜、空間特征約束較多等特點,除外部邊界外,可能存在的特征約束以兩種方式存在:線約束和面約束。線約束是空間一系列特征線形成的約束,如山脊與谷底線、道路與河流等;面約束是空間分界面形成的約束,具有不同的屬性,如地質(zhì)分層、褶皺、斷層,采空區(qū)、地下工程體外圍輪廓等。這些約束的存在增加了用四面體網(wǎng)格模型構(gòu)建建立礦山空間實體的復(fù)雜度,因此,針對約束四面體網(wǎng)格(Constrained Delaunay TEtrahedral Network,CD-TEN)生成算法研究也越來越得以關(guān)注。

實現(xiàn)四面體網(wǎng)格的約束化是在普通四面體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上分三部分進(jìn)行:恢復(fù)約束邊,恢復(fù)約束面,清除多余的四面體網(wǎng)格?，F(xiàn)以四面體網(wǎng)格中的Flip局部變換為例介紹約束邊的恢復(fù)過程(圖2)。

設(shè)ViVJ是四面體中待恢復(fù)的邊,管道P(ViVJ)穿過所有與ViVJ將相交的三角面(陰影部分為相交三角面)。

管道P(ViVJ)形成的關(guān)鍵是快速搜索到所有被約束邊穿越三角面。其過程為:以Vi為起點向VJ延伸,穿越過的第一個四面體面為F(該四面體句柄),將F指向面賦予P(ViVJ)后,對于F的鄰接四面體F=F.sym,重復(fù)以下步驟,最終形成P(ViVJ):

① 如VJ在F內(nèi),則P(ViVJ)完成;② 在F的其他三個面中尋找與VJ相交的面,將其賦給F并添加P(ViVJ),取得F的鄰接四面體F=F.sym,返回步驟①。

在以上步驟中,如果在查找F的過程中,沒有三角面與VJ相交,則該約束邊與四面體相交,此時應(yīng)采用邊交換方法替換該約束邊并繼續(xù)以上步驟,如果交換方法不成功,則采用插入點方式完成[22]。

圖2　四面體約束邊恢復(fù)過程

1.3　空間插值算法

建立礦山實體三維模型時,數(shù)據(jù)的來源一般分為地震資料數(shù)據(jù)、直接測量數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)三個方面,其中鉆探過程是地質(zhì)勘探過程中獲取地下礦體、巖層、地質(zhì)構(gòu)造等信息的主要手段,過程中獲取的鉆孔數(shù)據(jù)是建立三維礦山模型的主要數(shù)據(jù)來源,鉆孔數(shù)據(jù)具有不規(guī)則性、分散性、空間性等特點,其質(zhì)量的好壞將影響到建模質(zhì)量的好壞。

鉆孔原始資料信息只局限于描述一定范圍內(nèi)的地質(zhì)屬性值,如果不對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和補充,在其基礎(chǔ)上建立的空間實體模型將難有較好的精度保證。因此,在礦山實體建模過程中,利用有限的鉆孔采樣點數(shù)據(jù),采用一定的計算方法,對未知區(qū)域的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和估計,提高整體數(shù)據(jù)密度,就是空間插值的概念,即通過已知的空間數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則估算或預(yù)測未知空間數(shù)據(jù)值[23]?？臻g插值過程也是一個將非規(guī)則分布的地下礦山空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則分布,從而構(gòu)建出一個連續(xù)的地下空間數(shù)據(jù)曲面的過程。在礦山應(yīng)用領(lǐng)域,成熟的插值方法包括最近鄰點插值法、克里金法(Kriging)和距離冪次反比法,下面以克里金法為例介紹空間插值的過程。

克里金插值方法是在地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法(Geostatistics)基礎(chǔ)上發(fā)展的空間插值計算方法。該算法的特點是在插值過程中能夠根據(jù)特定的優(yōu)化準(zhǔn)則動態(tài)決定變量的數(shù)值,因此在插值計算中能夠有效解決其它插值方法中誤差難以分析的問題,并能逐點對誤差進(jìn)行理論估計,避免了“邊界效應(yīng)”的產(chǎn)生[24]。該算法與傳統(tǒng)的加權(quán)插值算法類似,不同之處在于權(quán)重的賦予方面,距離加權(quán)反比插法僅考慮了插值點與采樣點的距離,而克里金法除距離因素外,通過結(jié)構(gòu)分析和變差函數(shù),同時將采樣點的空間分布信息、采樣點與插值點的空間方位關(guān)系、采樣點的總體趨勢變化等相關(guān)因素統(tǒng)一納入考慮范圍?？死锝鸩逯捣椒ǚ独缦?

設(shè)對于插值點0,其鄰域內(nèi)共有n個有效的離散采樣點對0產(chǎn)生影響,那么插值點的估算值Z*(X0)如式(1)所示:

(1)

式中:Z(Xi)為已知采樣點Xi(i=1,2，…,n)的屬性值;λi為加權(quán)因子,表示各產(chǎn)生影響的已知點的屬性值Z(Xi)對插入點的估計值Z*(Xi)的影響大小。該方法需滿足以下兩個前提,一是插值點的實際值與估算值的誤差期望為0,如式(2)所示:

E[Z(X0)-Z*(Xi)]=0

(2)

二是估計方差最小,如式(3)所示:

(3)

對于無偏條件,應(yīng)該滿足各權(quán)系數(shù)的和等于1,如式(4):

(4)

(5)

因此,由式(5)可得式(6):

(6)

克里金插值法有很多分支,如普通克里金法、范克里金法、協(xié)同克里金法和指示克里金法等。不同的克里金法適用于不同條件,可以滿足不同的研究需要。

1.4　曲面求交運算

礦山空間領(lǐng)域存在大量層面、層狀現(xiàn)象,當(dāng)出現(xiàn)斷層錯斷巖層、地層不整合、地層尖滅等情形時普遍會遇到曲面間的求交問題,同時,在進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的三維無縫建模時,針對生成一致且封閉塊體模型的要求,褶皺、斷層以及地層界面相互之間的切割和調(diào)整處理同樣涉及曲面求交,因此,曲面求交(Surface-Surface Intersection,SSI)運算是實體建模的關(guān)鍵,也是三維模型無縫集成過程中的關(guān)鍵算法。曲面求交運算類型共分四類:隱式曲面—隱式曲面求交,隱式曲面—參數(shù)曲面求交,參數(shù)曲面—參數(shù)曲面求交,多邊形曲面—多邊形曲面求交。下面以曲面求交四個步驟(曲面求交判斷、交線跟蹤、局部區(qū)域重構(gòu)、優(yōu)化處理)中曲面求交判斷為例對該算法作簡要介紹。

曲面求交判斷又稱作碰撞檢測,包括空間分解法(Space Decomposition)和層次包圍盒法(Hierarchical Bounding Volumes)?？臻g分解法是將虛擬空間劃分為相等體積的獨立單元格,對占據(jù)了同一單元格或相鄰單元格的幾何對象進(jìn)行相交測試。層次包圍盒法是采用體積略大且?guī)缀翁匦院唵蔚陌鼑薪泼枋鰪?fù)雜的幾何對象,從而僅對包圍盒重疊的對象進(jìn)行進(jìn)一步的相交測試,同時通過構(gòu)造樹狀層次結(jié)構(gòu)逼近對象幾何模型,直至基本完全獲得對象的幾何特性。比較典型的曲面求交算法包括軸向方向包圍盒法(Axis-Aligend Bounding Boxes,AABB)和方向包圍盒法(Oriented Bounding Boxes,OBB)。AABB是最簡單的包圍盒,但其緊密性較差,OBB緊密性最好,但其計算和相交測試的算法較為復(fù)雜。

OBB樹是利用OBB 建立的樹結(jié)構(gòu),它的基本描述參數(shù)為:原點ori (orix,oriy,oriz)、方向dir (dirx,diry,dirz)和大小size ( sizex,sizey,sizez)。其建立過程首先建立整個曲面的OBB,然后將其分解為2 個節(jié)點OBB,并將這2 個節(jié)點的孩子節(jié)點重復(fù)以上步驟,直至其最小單元無法繼續(xù)分割的OBB,最終形成一個僅包含一個三角形的OBB,如圖3所示。

圖3　OBB包圍盒示意圖

2　礦山三維模型無縫集成方法與過程

對礦山地下空間實體進(jìn)行有效、完整的統(tǒng)一描述和無縫集成建模是目前三維建模領(lǐng)域的難點所在,單一的建模方式無法完成對地下復(fù)雜實體的空間查詢和可視化分析需求,體元模型能夠描述地質(zhì)體的內(nèi)部品位變化,卻無法精確描述地質(zhì)體邊界、礦體與斷層褶皺、礦體與礦井巷道等空間關(guān)系,面元構(gòu)模方式能夠精確描述礦體或地層的層間邊界輪廓,卻無法針對地質(zhì)體內(nèi)部的屬性變化進(jìn)行精確表達(dá),混合模型存在的數(shù)據(jù)存儲量大、計算復(fù)雜等缺點也同樣不適用于地質(zhì)體三維模型的集成。因此,在保證空間地下實體三維模型無縫和拓?fù)湟恢碌那疤嵯?利用某種合適的關(guān)聯(lián)集成不同模型之間的公共界面,構(gòu)建一種建立在多模型基礎(chǔ)上的新型空間數(shù)據(jù)模型是建立復(fù)雜地質(zhì)體模型的唯一途徑。

2.1　三維模型無縫集成原理

礦山地下三維空間對象涵蓋地質(zhì)體和井巷開挖工程等實體,針對地層、礦體、斷層、褶皺、巷道、豎井等實體進(jìn)行三維無縫建模不僅能實現(xiàn)地下空間的數(shù)字化、可視化表現(xiàn),同時也能對礦山資源評價、儲量計算、礦山生產(chǎn)的規(guī)劃和過程模擬等提供有力支撐。

三維模型無縫集成的原理是基于模型關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)集成機制,采用一體化的三維空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),將地下三維空間對象相互集成。針對地質(zhì)體模型間的無縫集成原理為:采用CD-TIN模型對地質(zhì)分界面、斷層、褶皺等進(jìn)行構(gòu)模,采用TEN模型對地層、礦體等地質(zhì)體進(jìn)行構(gòu)建,利用不同實體間的相交檢測、實體切割拆分、單元重構(gòu)、約束模型重建等方式,完成地質(zhì)體模型之間的無縫集成。針對地質(zhì)體模型與地下開挖工程的無縫集成原理是:首先利用GTP模型完成地下開挖工程建模,然后采用模型轉(zhuǎn)換算法,實現(xiàn)GTP模型向TEN模型的轉(zhuǎn)換,將一個GTP單元剖分為三個四面體模型,最后通用體-體模型間相交檢測、實體切割拆分、單元重構(gòu)、約束模型重建方式,完成地質(zhì)體模型與地下開挖工程的無縫集成。集成原理如圖4。

圖4　礦山三維模型無縫集成原理圖

2.2　斷層與地層的無縫構(gòu)模過程

斷層與地層無縫構(gòu)模的過程是:利用地層數(shù)據(jù)建立初始四面體網(wǎng)格模型,然后將斷層與地層擬合后的面模型進(jìn)行曲面相交計算,經(jīng)過曲面重構(gòu)和局部優(yōu)化,將產(chǎn)生的集合三角面作為約束條件,最后生成斷層和地層的一體化無縫三維模型。斷層與地層統(tǒng)一無縫構(gòu)模流程圖如圖5所示。建模過程可分為七個步驟:

(1)數(shù)據(jù)處理。針對不同類型和不同精度的原始數(shù)據(jù)按照模型預(yù)先設(shè)計的數(shù)據(jù)庫格式進(jìn)行整理,將整理后的各類數(shù)據(jù)如鉆孔斷點數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)、斷層表格數(shù)據(jù)、地層分層數(shù)據(jù)等進(jìn)行分類保存。

(2)數(shù)據(jù)加工。對原始采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。針對地層數(shù)據(jù),利用加密、插值計算對分布離散的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行補充,使之滿足地層層面擬合需要。對斷層數(shù)據(jù),需對稀疏的斷點數(shù)據(jù)加密、插值,同時根據(jù)地質(zhì)工作經(jīng)驗對數(shù)據(jù)補充修正,對地質(zhì)剖面圖反映的各地層與斷層的交切關(guān)系以及各個斷點的準(zhǔn)確坐標(biāo)進(jìn)行完善補充。

(3)生成初始三維地層模型。利用完善后的地層層面鉆孔數(shù)據(jù),采用四面體生成算法,完成三維地層實體模型構(gòu)建。

(4)擬合斷層面。利用斷層參數(shù)數(shù)據(jù)、斷點數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等斷層數(shù)據(jù),采用約束Delaunay三角剖分算法擬合合理的斷層面網(wǎng)格。如斷層之間存在切錯關(guān)系,需首先按多條斷層的切錯關(guān)系進(jìn)行優(yōu)先排列,然后再進(jìn)行切割處理。

(5)擬合地層層面。該步驟以加密插值后的鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對每個地層層面分別進(jìn)行擬合。生成地層層面三角網(wǎng)模型時需考慮斷層線的約束作用。

(6)斷層面與地層面曲面相交計算。利用曲面求交運算,對斷層面與地層面進(jìn)行切割、調(diào)整、約束處理。當(dāng)?shù)貙訉用媾c斷層面完成切割調(diào)整后,還要根據(jù)斷層之間的斷距對交線附近的地層層位高程進(jìn)行調(diào)整,并將調(diào)整后的交線約束到斷層面上。

(7)地層與斷層無縫建模。利用上一步驟生成的三角網(wǎng)結(jié)合作為約束條件,針對初始的地層三維模型,采用約束四面體網(wǎng)格的生成算法,而生成無縫且一致的斷層與地層一體化模型,最終實現(xiàn)地層與斷層的無縫建模。

圖5　斷層與地層統(tǒng)一無縫構(gòu)?；玖鞒虉D

2.3　礦體與地下開挖工程間無縫構(gòu)模方法

礦山地下開挖工程是礦山空間領(lǐng)域內(nèi)根據(jù)一定幾何、屬性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行一致表達(dá)的特定空間實體,包括斜井、豎井、巷道等。礦山地下開挖工程在地下空間占有一定的空間和范圍,具有一定的形態(tài)和屬性,具備與地質(zhì)體一樣的三維特性并與自然地質(zhì)對象緊密聯(lián)系。

礦體與礦山開挖工程無縫構(gòu)模的基本思想是:分別利用TEN和GTP模型建立礦體與工程體的三維模型,然后,利用轉(zhuǎn)換算法將工程體GTP模型轉(zhuǎn)換為TEN模型,將轉(zhuǎn)換后的工程體模型與礦體三維模型(TEN)進(jìn)行體—體模型布爾運算,最終實現(xiàn)礦體與礦山地下開挖工程的三維模型無縫集成,圖6以礦山巷道和礦體的無縫建模為例,展示其基本建模流程。

(1)數(shù)據(jù)處理。即鉆孔原始數(shù)據(jù)和礦山巷道勘測數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程。包括針對單工程礦段截取過程所需的數(shù)據(jù)補充和修正,針對礦體初始三維模型建立的鉆孔數(shù)據(jù)加密插值以及針對礦山巷道橫斷面的輔助數(shù)據(jù)增加等;

(2)礦體初始四面體網(wǎng)格建立。將加密插值后的鉆孔數(shù)據(jù)根據(jù)礦體品位劃分為多個離散數(shù)據(jù)段,建立礦體的初始三維模型;

(3)勘察剖面圖的生成。包括單工程礦段截取和礦體圈定兩個過程,最終形成包含多個礦體邊界的多邊形輪廓線;

(4)礦體三維模型的建立。以勘察剖面圖為約束條件,在礦體的初始三維模型的基礎(chǔ)上,采用約束四面體網(wǎng)格的生成算法,最終形成礦體三維模型;

(5)礦山巷道GTP模型建立。利用礦山巷道勘測數(shù)據(jù),針對橫斷面形狀固定和變化的兩種情況,生成巷道GTP三維模型;

(6)巷道GTP模型向四面體模型轉(zhuǎn)換。利用前述的轉(zhuǎn)化算法,實現(xiàn)GTP模型轉(zhuǎn)換為UC-TEN模型的轉(zhuǎn)換,此時,礦體和巷道的三維模型都以四面體網(wǎng)格形式構(gòu)建;

(7)礦體和巷道三維模型集成。利用四面體之間的布爾運算,按相交檢測、單元拆分、單元重構(gòu)的體相交原則,最終實現(xiàn)兩者之間的無縫構(gòu)模。

圖6　礦體與礦山巷道無縫構(gòu)?；玖鞒虉D

3　結(jié)語

礦山地下空間的無縫集成三維建模是數(shù)字礦山和三維GIS領(lǐng)域的難點。本文針對復(fù)雜地質(zhì)體和礦山地下開挖工程的建模過程,提出一種基于四面體網(wǎng)格模型的無縫集成建模方法,其總體思路為:利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)插值加密后構(gòu)建基礎(chǔ)三維模型,然后利用多重約束和曲面求交運算等方法重構(gòu)各種界面,最后通過塊體相交算法重構(gòu)三維實體模型。該方法已經(jīng)在部分礦山儲量計算過程中實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體的無縫建模與可視化,并提供了相應(yīng)的計算模型,下一步將完善無縫集成模型的空間分析、數(shù)據(jù)挖掘和地學(xué)統(tǒng)計等相應(yīng)功能,使之真正成為數(shù)字化礦山的核心技術(shù)和平臺。

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