三維模擬礦山地質(zhì)環(huán)境探討

蘇志軍王迎霜李競(jìng)王瑩李英華許多

1.中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京100013

2.中化地質(zhì)礦山總局， 北京 100013

應(yīng)用地質(zhì)

三維模擬礦山地質(zhì)環(huán)境探討

蘇志軍1*王迎霜1李競(jìng)2王瑩1李英華1許多1

1.中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京100013

2.中化地質(zhì)礦山總局， 北京 100013

綜合三維模擬技術(shù)和礦山地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，運(yùn)用衛(wèi)星影像三維信息提取技術(shù)建立三維地質(zhì)體模型，探討三維模擬在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用，提出三維模擬礦山地質(zhì)環(huán)境更有助于對(duì)工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境的分析研究。

空間數(shù)據(jù) 三維模擬 衛(wèi)星影像 礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查

1 概述

1.1 三維模擬技術(shù)

二維GIS始于二十世紀(jì)六十年代的計(jì)算機(jī)輔助制圖，今天已深入到社會(huì)的各行各業(yè)中，如土地管理、電力、電信、城市管網(wǎng)、水利、消防、交通以及城市規(guī)劃等。但二維信息不能很好的研究地質(zhì)的縱向和橫向變化。因此，隨著應(yīng)用的深入，多年來(lái)地質(zhì)學(xué)家一直關(guān)注地質(zhì)體三維信息技術(shù)的發(fā)展【1】。

三維模擬技術(shù)，就是利用信息系統(tǒng)可視化技術(shù)進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象的三維數(shù)字化抽象、重構(gòu)和再現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行模型抽象、實(shí)體重構(gòu)、計(jì)算分析的仿真過(guò)程?？臻g數(shù)據(jù)獲取是GIS建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)空間三維信息的實(shí)時(shí)獲取，將會(huì)使三維技術(shù)獲得更為迅猛的發(fā)展，隨著現(xiàn)代遙感、地質(zhì)勘探等技術(shù)的快速發(fā)展，3D數(shù)據(jù)信息獲取途徑越來(lái)越多樣化，信息量也越來(lái)越豐富。伴隨GIS 技術(shù)的發(fā)展，用于泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的空間數(shù)據(jù)集成化更加便捷、高效，這大大促進(jìn)了GIS 在該領(lǐng)域的發(fā)展速度?；?GIS 技術(shù)的泥石流危險(xiǎn)度劃分逐漸取代了人工劃分，并取得了較好的應(yīng)用效果，成為當(dāng)前最高效便捷的評(píng)價(jià)方法【2】。

1.2 三維數(shù)字化模擬

三維實(shí)際上是在二維的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)維度（即Z坐標(biāo)）。地面下三維數(shù)字化模擬主要是基于鉆探資料的巖土層實(shí)體模擬，一般需要獲取研究區(qū)地層鉆探資料及建模所需空間資料和巖土層相關(guān)參數(shù)，按照鉆孔模型（Drilling model）→地層模型（Formation model）→參數(shù)模型（attributes model）→三維實(shí)體模型（3D solid model）進(jìn)行建模。

針對(duì)地面以上部分實(shí)體建模，以荊襄磷礦集采區(qū)局部區(qū)域?yàn)槔ǖ乇砟Ｐ停▓D 1），粗定義可以采用含有地層結(jié)構(gòu)和DEM數(shù)據(jù)的信息構(gòu)建計(jì)算分析模型；精細(xì)化定義可采用全站儀和RTK等測(cè)量?jī)x器設(shè)備定位實(shí)測(cè)，將相關(guān)信息與對(duì)應(yīng)地層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行適宜轉(zhuǎn)化后建立有限元單元體分析模型。地面以下可結(jié)合搜集區(qū)域地質(zhì)資料與鉆探成果，融入地層結(jié)構(gòu)信息構(gòu)建單元體分析模型（圖2）。

* 第一作者簡(jiǎn)介：蘇志軍（1971～），男，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、巖土工程、巖土測(cè)試等工作，工程碩士，高級(jí)工程師

圖 1 地上三維實(shí)體建模Fig.1 3D solid modeling on the ground

圖 2 地下三維實(shí)體建模（含鉆孔）Fig.2 Underground 3D solid modeling (including drilling holes)

2 三維模型的建立

2.1 三維數(shù)據(jù)的處理

三維信息的獲取隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，航空與近景攝影測(cè)量、機(jī)載與地面激光掃描、遙感與 GPS等傳感器采集數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性都有了明顯的提高。本文就提取衛(wèi)星影像坐標(biāo)高程等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境信息建立三維地質(zhì)模型，來(lái)探討三維模擬技術(shù)的應(yīng)用。

地表三維模擬：按照需要進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查區(qū)范圍獲取衛(wèi)星影像或高程數(shù)據(jù)（圖 3），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需要的坐標(biāo)系（WGS84、54或80等），將相關(guān)數(shù)據(jù)添加到ARCGIS等具備三維功能的軟件中，進(jìn)行地形等高線的處理及三維顯示預(yù)處理，然后疊加衛(wèi)星影像圖，生成與實(shí)際相近的仿三維模型。在約束TIN的構(gòu)建過(guò)程中，采用一種以等高線為約束邊的不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)的算法，并對(duì)算法過(guò)程中產(chǎn)生的等高線穿越三角形和平三角形的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理，采用邊交換法和插入輔助點(diǎn)相結(jié)合的算法進(jìn)行優(yōu)化（圖4）。運(yùn)用OpenGL 的三維真實(shí)感地形生成技術(shù)，可以生成較好的三維地形模型。

圖3 具DEM數(shù)據(jù)信息的影像Fig.3 images with DEM data

圖4 以等高線為約束邊優(yōu)化處理Fig.4 The constrained edge optimization with contour line

地下三維模擬：搜集或直接鉆探獲取勘探資料，對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行初始化，將相關(guān)巖土體特征信息逐一建造，對(duì)不同巖土體特征信息進(jìn)行分類定義（如地下水—導(dǎo)水系數(shù)、滲透系數(shù)等，巖土體—物理力學(xué)性質(zhì)等，環(huán)境影響—污染點(diǎn)源等），依據(jù)不同的分析要求或目的，可以選用三維巖土、地下水模擬等三維軟件進(jìn)行建模分析研究。三維巖土軟件可以模擬特殊性巖土原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變后對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響（圖 5）；地下水模擬系統(tǒng)可以模擬地下水受污染后污染羽隨時(shí)間的變化，以及其對(duì)環(huán)境的影響情況（圖6）。

圖5 三維應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響Fig.5 Geological environment impact by 3D stress field change

圖6 模擬地下水環(huán)境變化Fig.6 The simulation of groundwater environmental change

三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)分析，可采用ANSYS商業(yè)軟件，該軟件作為廣泛應(yīng)用的有限元軟件充分綜合了圖形處理工具的優(yōu)點(diǎn)，是建立復(fù)雜計(jì)算模型有效而快捷的平臺(tái)。單一地層可以采用以下方法建立：

（1）利用已知點(diǎn)生成等間距的樣條曲線（SPLINE）。

（2）采用ASKIN生成光滑的空間曲面(地表面、地層分界面以及較大的結(jié)構(gòu)面等)。

（3）通過(guò)VEXT或VDRAG拉伸地表面成完整幾何實(shí)體。

（4）采用地質(zhì)界面切割幾何實(shí)體，從而獲得表征主要地質(zhì)構(gòu)造幾何特征的實(shí)體模型。

多地層模型可采用以下方法：

（1）導(dǎo)人研究巖層頂?shù)酌娴淖鴺?biāo)，利用已知點(diǎn)生成等間距的樣條曲線。

（2）利用8個(gè)頂點(diǎn)直接生成小的實(shí)體，若干小體構(gòu)成一個(gè)巖層。

（3）各個(gè)巖層均按此法生成，從而構(gòu)成整個(gè)實(shí)體。

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化：為能夠使模擬效果接近真實(shí)情況，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。綜合數(shù)據(jù)的來(lái)源甄別其可靠性，并結(jié)合工作區(qū)相關(guān)的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選出可供模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模研究。

2.2 三維地表模型建立

三維地表模型重建方法分為以下三類：①基于地圖的方法，利用已有GIS、地圖和CAD提供的二維平面數(shù)據(jù)以及其他高度輔助數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)快速建立盒狀模型；②基于圖像的方法，利用近景、航空與遙感圖像建立包括頂部細(xì)節(jié)在內(nèi)的逼真表面模型，該方法相對(duì)比較費(fèi)時(shí)和昂貴，自動(dòng)化程度還不高；③基于點(diǎn)群的方法，利用激光掃描和地面移動(dòng)測(cè)量快速獲得的大量三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)建立幾何表面模型。

2.3 三維地質(zhì)體模型的建立

結(jié)合地表地形和已有的巖土體特征信息，按照由點(diǎn)到線，由線到面的次序建立模型信息。參照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際（擬用的調(diào)查區(qū)底圖），設(shè)定模型的基礎(chǔ)邊界，網(wǎng)格化地質(zhì)實(shí)體單元，依據(jù)需要解決的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題（如巖土體變形可選用MIDAS，污染物的運(yùn)移可選用Modflow或GMS等），選擇適宜的模擬計(jì)算模型。在地下工程施工對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響方面，采用綜合方法建立三維地質(zhì)體模型模擬會(huì)收到很好的效果，據(jù)已有工程（例如礬水溝大橋-師婆溝隧道）應(yīng)用表明，MADAS/GTS-FLAC3D耦合建模方法可行有效，優(yōu)勢(shì)明顯【4】。

3 三維礦山地質(zhì)環(huán)境

3.1 實(shí)例模擬

基于圖像的建模和繪制（Image based modeling & rendering：IBMR）作為一種新的視覺(jué)建模方法，在不需要復(fù)雜幾何模型的前提下也能夠獲得具有高度真實(shí)感的場(chǎng)景表達(dá)，能夠較好的解決三維建模過(guò)程中模型復(fù)雜度與繪制的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性三者之間的矛盾，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作【5】。

應(yīng)用于礦山（藍(lán)色區(qū)域）地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的水流（灰色區(qū)域）及泥石流趨勢(shì)（灰色～灰黑色區(qū)域）分析圖（趨勢(shì)由黑色高位松散物源堆積狹窄區(qū)向淺色低位平緩開(kāi)闊區(qū)過(guò)渡）（圖7、8），可以較好地模擬泥石流可能發(fā)生的范圍和區(qū)域，結(jié)合地表三維衛(wèi)星影像圖（圖 9）可以更加直觀進(jìn)行判斷出泥石流可能暴發(fā)區(qū)域?yàn)槲镌磪^(qū)和水源集中區(qū)，以及具備礦山自高到低的地形條件區(qū)域；而地下巖土體三維模型則根據(jù)鉆探資料進(jìn)行模擬概化后得到（圖10），從三維圖上可以清晰地獲取地下巖土分層信息，結(jié)合已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，可以分析礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的位置和原因，三維信息提供給使用者的判斷和評(píng)價(jià)更加真實(shí)、直觀。

在三維系統(tǒng)中，需要根據(jù)不同的高程及巖土層信息賦予不同的顏色以達(dá)到生動(dòng)顯示不同高低范圍的模型【6】。由選定的或者自定義的顏色表根據(jù)不同的高程自動(dòng)賦予相應(yīng)的顏色，可以了解垂向礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分布特征，與礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查相結(jié)合達(dá)到最佳的評(píng)價(jià)效果。

圖7 水流流向分析圖（由淺色指向深色部分）Fig.7 Flow direction analysis (from the point of light colored to dark part)

圖8 泥石流趨勢(shì)分析圖Fig. 8 Trend analysis of debris flow

圖9 地表三維衛(wèi)星影像圖Fig.9 Surface 3D satellite image map

圖10 地下巖土體三維建模（borehole為鉆孔位置）Fig.10 3D modeling of underground rock and soil (borehole-drill hole position)

3.2 二維與三維礦山地質(zhì)環(huán)境

以泥石流為例，二維分析主要為泥石流發(fā)生流域的上、中、下游及地表物源的地質(zhì)調(diào)查與分析，而三維分析則在二維的基礎(chǔ)上，搜集調(diào)查區(qū)域空間地質(zhì)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行建模，獲取潛在的物源量信息、相對(duì)更為準(zhǔn)確的流量信息及地表形態(tài)數(shù)據(jù)，這些都是對(duì)泥石流進(jìn)行分析的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，合理的模擬可以得出更為符合實(shí)際的結(jié)論，既可以為后期的治理提供直接依據(jù)，又方便我們直接獲取區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的變化。同樣，水土環(huán)境的變化也是空間的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，只考慮面上的影響，都可能使我們忽視潛在的空間影響帶來(lái)的不良后果。此外，包括滑坡、地面塌陷等都是空間環(huán)境問(wèn)題，早期研究限于相關(guān)技術(shù)不能同步發(fā)展，因此主要以二維研究為主，現(xiàn)在快速發(fā)展的三維技術(shù)給我們帶來(lái)研究基礎(chǔ)和條件，有必要更多的運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)推動(dòng)其在地質(zhì)環(huán)境研究上同步發(fā)展。

4 結(jié)論

隨著地學(xué)研究的不斷深入，三維地質(zhì)模擬已引起了地球科學(xué)界的重視，并被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)、礦產(chǎn)、水文、物探、地震和環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域。因此，三維GIS的應(yīng)用有著越來(lái)越明顯的優(yōu)越性。使用三維技術(shù)來(lái)模擬礦山地質(zhì)環(huán)境并進(jìn)行評(píng)價(jià)是未來(lái)的發(fā)展方向。三維GIS技術(shù)從軟件到硬件、從多源數(shù)據(jù)獲取技術(shù)到數(shù)據(jù)庫(kù)一體化管理技術(shù)、多維數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用與動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)等已得到較全面的研究和實(shí)踐，并在商品化過(guò)程中取得了重要的進(jìn)展，有關(guān)成果已被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的實(shí)際工程。尤其在三維數(shù)據(jù)獲取和海量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化方面具有鮮明特色，因此將其應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和前景。當(dāng)然，這些研究實(shí)踐在三維空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析與決策支持方面的能力還較弱，三維的網(wǎng)絡(luò)化與標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題也有待隨著三維仿真技術(shù)的云計(jì)算進(jìn)一步深化和完善。

本文通過(guò)依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“我國(guó)主要磷礦、硫鐵礦礦山集中開(kāi)采區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查”項(xiàng)目和“長(zhǎng)江中游磷、硫鐵礦基地礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查”的項(xiàng)目，總結(jié)前人的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本次項(xiàng)目取得的成果，運(yùn)用三維模擬技術(shù)嘗試對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了探討分析，認(rèn)為該技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作中有應(yīng)用前景。

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DISCUSSION ON THREE DIMENSIONAL SIMULATION OF MINE GEOLOGICAL ENVIRONMENT

Su Zhijun1Wang Yingshuang1Li Jing2Wang Ying1Li Yinghua1Xu Duo1
1.General Institute of Chemical Geology Survey of China Chemical Geology and Mine Bureau Beijing,100013,China
2.China Chemical Geology and Mine Bureau,100013,China

Combined with three-dimensional simulation technology and mine geological environmental characteristics, a 3D geological model was build using 3D satellite image information extraction technology, in order to investigate the application of 3D simulation in mine geological environment survey, and improve the 3D simulation of mine geological environment more help on the analysis of the geological environment.

Spatial data，3D simulation，satellite image，mine geological environment survey

P69；TP391

A

1006–5296（2016）04–0221–05

2016-04-25；改回日期：2016-05-25