基于三維可視化技術(shù)的礦體快速建模研究

張?jiān)聜b

礦山地質(zhì)經(jīng)過了長時(shí)間的發(fā)展，最終形成了各異的地質(zhì)體，而且具有隱蔽、復(fù)雜等特點(diǎn)，給予勘察工作的開展等各項(xiàng)工作都帶來了許多的困難，為了能夠幫助礦山生產(chǎn)順利、有序的進(jìn)行，還需要在工程勘察與設(shè)計(jì)施工的過程當(dāng)中匯集到大量的數(shù)據(jù)信息，之后再由專業(yè)的工作人員對大量的信息進(jìn)行分析與研究，再進(jìn)行妥善的處理，及時(shí)反饋到實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中去，但是據(jù)了解，在對礦山地質(zhì)信息存儲管理的過程當(dāng)中，將文字、圖紙等作為了重點(diǎn)，專業(yè)儀器所呈現(xiàn)出來的最終結(jié)果，都是以數(shù)字方式或者是平面圖形方式表達(dá)出來，在進(jìn)行修改或者是分析的過程當(dāng)中非常困難，但是通過應(yīng)用三維可視化技術(shù)，就能夠?qū)⒌V山地質(zhì)體以及礦山工程全面展示在工作人員的面前，再由專業(yè)人員對其進(jìn)行深入的分析，發(fā)現(xiàn)三維地質(zhì)體的可視化可以幫助地質(zhì)數(shù)據(jù)更具表現(xiàn)力，大幅度提升信息的利用率?；诖耍疚南旅嬷饕獙θS可視化技術(shù)的礦體快速建模展開深入的探討。

1 礦山地質(zhì)三維可視化的含義分析

通過對礦山地質(zhì)三維可視化進(jìn)行認(rèn)真的分析與研究，發(fā)現(xiàn)其主要內(nèi)容包括：應(yīng)用計(jì)算機(jī)提升三維計(jì)算的能力，將礦山地質(zhì)的情況、工程在三維空間當(dāng)中的情況進(jìn)行全面的展示，之后將展示出來的結(jié)果進(jìn)行深入的分析，以此來起到信息參考與幫助的作用，生成的三維地質(zhì)體可以讓地質(zhì)數(shù)據(jù)變得更具說服力，提高礦山工程技術(shù)工作人員對礦體觀察的水平與效率，還可以將礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)在分析過程造成和出現(xiàn)的表達(dá)不準(zhǔn)確等情況妥善的解決，由此可以看出，三維可視化技術(shù)在礦山地質(zhì)當(dāng)中有著非常廣闊的發(fā)展前景。

2 礦山工程技術(shù)三維可視化建模的難點(diǎn)與重點(diǎn)分析

在礦山工程三維可視化建模的過程當(dāng)中，需要模擬的對象具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，給相關(guān)工作帶來一定的難度，由于地質(zhì)體的形態(tài)并不是一成不變的，而是發(fā)生了不斷的改變，也會伴隨著時(shí)間的不斷推移，而出現(xiàn)不同程度的變化，有時(shí)會涉及幾十公里甚至更大的范圍，想要將礦山的特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，就需要進(jìn)行勘察和測量工作，只有這樣，才能夠獲得更多的結(jié)果和信息，但是因?yàn)榈刭|(zhì)對象具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，所以想要獲得更多、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)非常困難，有的時(shí)候即使獲得了相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中也有許多不準(zhǔn)確的地方，不僅如此，工作人員的綜合素養(yǎng)、工作能力、經(jīng)濟(jì)條件、專業(yè)儀器等各方面也會對最終的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響，在勘探工作展開的過程當(dāng)中，呈現(xiàn)出隨機(jī)分布等情況，這些不規(guī)則而且容易丟失數(shù)據(jù)，對三維可視化建模來說非常的關(guān)鍵，也是相關(guān)工作人員最亟待解決和值得深思的問題之一。

3 礦山三維地質(zhì)模型的重要性以及主要的作用

將三維可視化技術(shù)加入到礦體快速建模過程當(dāng)中去，對技術(shù)工作人員和勘探工作人員都提出了更高的要求以及具有重要的意義，它可以將礦山地質(zhì)、空間形態(tài)中的細(xì)節(jié)部分全面展示在相關(guān)工作人員面前，而且可以為礦上開采挖掘工作提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持與幫助。首先，通過相關(guān)工作人員對三維地質(zhì)模型進(jìn)行仔細(xì)的觀察以及分析，可以對整體礦產(chǎn)有一個(gè)全面的了解，也可以對礦產(chǎn)周圍的地質(zhì)情況、環(huán)境等展開深入的探討與分析，大量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，無論是對于前期的勘探工作還是后期的開采工作，都有幫助作用和意義。

其次，三維地質(zhì)模型的出現(xiàn)，工作人員就可以對礦產(chǎn)附近的區(qū)域、不同的工作面等各方面進(jìn)行認(rèn)真的分析研究，之后形成具有完整性特點(diǎn)的礦產(chǎn)剖面圖，工作人員在展開礦產(chǎn)區(qū)域勘探的過程當(dāng)中，就可以保證礦產(chǎn)地質(zhì)儲量可以被準(zhǔn)確的計(jì)算出來，為后期的礦山建設(shè)等各方面提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持和幫助。

再則，三維地質(zhì)建模的出現(xiàn)，將邊坡臺階實(shí)際的高度設(shè)計(jì)出來，也讓開采支撐結(jié)構(gòu)變得更加完整，通過制定出了高質(zhì)量的開采方案，為后期提高開采能力以及安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

最后，通過礦山三維地質(zhì)模型，能夠有效地預(yù)防工程地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)與發(fā)生，幫助相關(guān)工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)極有可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，并且制定出完善的方法與處理，將問題妥善的解決，把地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性降到最低點(diǎn)，甚至消滅在萌芽當(dāng)中。

4 礦山工程三維可視化建模技術(shù)的主要特點(diǎn)分析

基于三維可視化技術(shù)的礦體快速建模，將礦山數(shù)據(jù)如實(shí)的表現(xiàn)了出來，各個(gè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系聯(lián)系更加的清楚、更加的清晰、更加的明確，但是因?yàn)榉浅Ｈ菀讜艿娇睖y投入資金、勘察條件等各方面所帶來的影響和制約，在許多的時(shí)候，勘探經(jīng)費(fèi)并不能夠完全有效地滿足勘探提出來的要求，而且地質(zhì)條件具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，有些地區(qū)的勘探條件極差，專業(yè)技術(shù)工作人員和設(shè)備無法有效的到達(dá)目的地，最終造成勘探所獲得到的數(shù)據(jù)不是特別的完整，這對真正的實(shí)現(xiàn)礦山工程三維建模造成了一定的困難，所以必須要應(yīng)用相關(guān)的方法與技術(shù)，幫助數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息更加的完整、更加的準(zhǔn)確，真正的實(shí)現(xiàn)可視化的效果。

4.1 空間插值專業(yè)技術(shù)

考慮到礦山已有的地質(zhì)研究工作目標(biāo)及范圍，設(shè)定了一個(gè)巨大的立方體空間作為地質(zhì)空間的包集，驗(yàn)證過程中為了與顯示模擬的礦體三維可視化模型進(jìn)行比較，選取了鉆孔深度范圍-400m～200m 的地質(zhì)空間作為研究區(qū)域。最常見、也是最常用的插值方法，在正常的情況之下，都會運(yùn)用距離冪次反比法、樣條函數(shù)法等，因?yàn)椴煌刭|(zhì)條件也會有很大的差異，而且礦體周邊的環(huán)境也會有很多差別，所以需要相關(guān)工作人員按照不同地域的不同特點(diǎn)，選擇出最合適、最恰當(dāng)?shù)牟逯捣椒?，只有這樣，才能夠?yàn)楂@取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)打下良好基礎(chǔ)。如果選用了不符合礦體要求的差值方法，那么就會增加預(yù)算的時(shí)間，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不斷的降低。另外，對那些非常重要的數(shù)據(jù)可以運(yùn)用Kriging 插值方法，來尋找到所有的數(shù)據(jù)信息；對那些非關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，可以運(yùn)用距離冪次反比方法來獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。

通過空間插值法實(shí)現(xiàn)礦山三維地質(zhì)建模的步驟為：礦山地質(zhì)體數(shù)據(jù)獲??；基于網(wǎng)格化空間插值，構(gòu)建三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場；采用三維等值面構(gòu)建算法實(shí)現(xiàn)由網(wǎng)格離散點(diǎn)到地質(zhì)體三維等值面的模擬，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維曲面重建；通過三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維空間形態(tài)模型的可視化。

4.2 三維數(shù)據(jù)表達(dá)專業(yè)技術(shù)

三維空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)對三維可視化技術(shù)來說非常的重要，同時(shí)，也是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)問題，所建立出來的三維地質(zhì)模型要滿足基本地質(zhì)信息所提出來的要求，更需要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，這樣做的目的是為了方便各個(gè)屬性信息之間的傳遞以及數(shù)據(jù)的交流。通過站在數(shù)據(jù)研究層面的角度進(jìn)行認(rèn)真的分析，三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括有基于面和基于體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式?；诿娴臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式將各個(gè)單元作為依托和參考，再把三維空間當(dāng)中幾何特點(diǎn)加入到了其中之后，再進(jìn)行認(rèn)真的分析?；隗w的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式把大量真實(shí)的數(shù)據(jù)信息作為參考，進(jìn)行地質(zhì)空間的具體描述。

4.3 三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是對連續(xù)量或連續(xù)體按一定精度進(jìn)行抽樣的過程，常應(yīng)用三維柵格的方法對礦山地質(zhì)空間進(jìn)行分割抽樣，分割后得到的各個(gè)柵格稱為獨(dú)立單元。礦山地質(zhì)空間分割的精度決定立體網(wǎng)格單元的大小，與礦山地質(zhì)勘探程度因素存在一定相關(guān)性。三維空間經(jīng)過抽樣分割網(wǎng)格化后，對地質(zhì)體與空間作用分布按網(wǎng)格單元進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)量化取值與編碼，以達(dá)到構(gòu)建礦山地質(zhì)體三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場。

5 露天礦工程三維空間建模實(shí)例

5.1 三維空間建模主要內(nèi)容

建模的主要內(nèi)容包括：對地表、斷層、礦體這三大最主要的部分進(jìn)行建模，地表主要內(nèi)容包括：伴隨著時(shí)間不斷的推移，以自然的方式形成的山坡，也有人為行為所建的工程，形成人為邊坡；斷層主要指的是在礦山的內(nèi)部規(guī)模較為龐大，而且有文獻(xiàn)資料描述的斷層；礦體則是三維建?？臻g當(dāng)中最重要的組成部分，同時(shí)也是最重要的區(qū)域。

5.2 礦山三維建模的主要過程

需要對礦山進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的匯集，然后通過空間數(shù)據(jù)插值來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，選擇出適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，讓描述變得更加準(zhǔn)確、更加真實(shí)、更加全面，最終滿足礦山三維建模所提出來的要求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的繪制圖。其一：對斷層數(shù)據(jù)、地表數(shù)據(jù)、礦體數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集，并且在數(shù)據(jù)采集的過程當(dāng)中，保證所有的數(shù)據(jù)都具有真實(shí)性與準(zhǔn)確性，都是通過準(zhǔn)確的測量所獲得的，并沒有盲目問題。針對于礦山周邊的天然邊坡可以通過地質(zhì)平面圖，將平面圖上面的邊界點(diǎn)和高點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在對人工邊坡數(shù)據(jù)匯集的過程當(dāng)中，可以運(yùn)用境界圖，采集度越高就代表著能夠?qū)⒌乇淼闹饕攸c(diǎn)全面的展示出來。礦體斷層和主礦體的相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員可以按照剖面圖來進(jìn)行分析，用邊界線當(dāng)中的控制點(diǎn)拷貝到平面圖上面，之后再與剖面圖上面的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再進(jìn)行分析，在其中找到礦體和斷層的相關(guān)數(shù)據(jù)。其二：因?yàn)槁短斓V場操作范圍極大，如果只是依靠勘探工作人員所匯集到的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，那么無法滿足生產(chǎn)過程當(dāng)中所提出來的需求，為了可以清晰的將斷層礦坑表現(xiàn)出來，需要運(yùn)用空間插值技術(shù)，才能夠真正的將目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行露天礦坑前期會議采集的過程當(dāng)中可以運(yùn)用Kriging 插值方法來獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，之后還需要運(yùn)用雙線性插值獲得數(shù)據(jù)，這樣就能夠有效的節(jié)約大量的時(shí)間，還可以確保所獲得到的所有數(shù)據(jù)都更加準(zhǔn)確、更加真實(shí)。其三：在進(jìn)行礦體地表勘探的過程當(dāng)中，地表上面所有的點(diǎn)、線的主要特點(diǎn)都非常的關(guān)鍵，但是在規(guī)則的模型當(dāng)中，無法將這些點(diǎn)、線描述出來，這時(shí)就可以通過不規(guī)則網(wǎng)格模型，將地表上點(diǎn)、線的主要特點(diǎn)充分描述，在露天礦場當(dāng)中，通過應(yīng)用不規(guī)則的網(wǎng)格模型，所呈現(xiàn)出來的效果極好，可以為相關(guān)工作人員提供繪制幫助。其四：制圖環(huán)節(jié)。將匯集到的所有數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)和參考，為繪制地表斷層以及主礦體的模型打下良好的基礎(chǔ)，將三種不同的地質(zhì)模型相互融合、拼接，最終呈現(xiàn)出高質(zhì)量的三維地質(zhì)模型。

6 三維可視化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

在信息化不斷發(fā)展的大背景之下，礦山正向高效、綠色的方向發(fā)展，數(shù)字化礦山工作也從最初的單一向著二維、三維的方向所轉(zhuǎn)變，所以建立三維可視化系統(tǒng)已然成為了礦山建設(shè)過程當(dāng)中最重要的問題，相關(guān)工作人員對其非常關(guān)注與重視。

6.1 智能化協(xié)同設(shè)計(jì)以及全生命周期管理

在礦山建設(shè)部的過程當(dāng)中，智能化采礦設(shè)計(jì)非常的關(guān)鍵且重要，并且是重要的組成部分，相關(guān)設(shè)計(jì)緊緊圍繞在地質(zhì)、多人協(xié)同、計(jì)算機(jī)輔助、人工智能等內(nèi)容周圍展開相關(guān)的工作，智能化的設(shè)計(jì)通過應(yīng)用BIM 技術(shù)、人工智能等對于具有傳統(tǒng)特點(diǎn)的礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)設(shè)計(jì)等不斷的更新。通過建立了三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員可以在這個(gè)平臺當(dāng)中發(fā)揮出自己的作用和力量，大幅度的提高自己設(shè)計(jì)的水平與效率。將多方的BIM 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)在空間當(dāng)中進(jìn)行匯集，防止設(shè)計(jì)在三維空間上出現(xiàn)矛盾。結(jié)合三維設(shè)計(jì)計(jì)劃展開自動或者是半自動式的輔助決策，輸出采礦設(shè)計(jì)圖紙以及相關(guān)的報(bào)告，更是降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，并且真正的實(shí)現(xiàn)了智能化的目的。

此外，BIM 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，為三維可視化系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持和幫助，在面對智慧化設(shè)計(jì)的三維可視化系統(tǒng)當(dāng)中，可以對礦山工程建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期進(jìn)行嚴(yán)格的管理，因?yàn)樵诓煌A段，會出現(xiàn)大量的建造信息、維護(hù)信息等，將所有的信息全部放置在一個(gè)三維可視化系統(tǒng)當(dāng)中，這樣即使礦山建設(shè)工程具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，全生命周期管理也能夠提高工作的效率與水平，為礦山的開采工作打下良好的基礎(chǔ)。

6.2 通風(fēng)模擬時(shí)空分析以及相關(guān)的模擬

礦井通風(fēng)系統(tǒng)也是最重要的組成部分之一，三維通風(fēng)模擬和可視化是智能通風(fēng)最重要的部分，有傳統(tǒng)特點(diǎn)的通風(fēng)模擬經(jīng)過了手工操作以及計(jì)算，無論是其準(zhǔn)確性還是最終的結(jié)果都無法達(dá)到預(yù)期的要求，這時(shí)三維可視化系統(tǒng)的出現(xiàn)，將通風(fēng)監(jiān)測、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算和三維巷道進(jìn)行了耦合，真正的實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的模擬、污染物排放模擬等各項(xiàng)工作，節(jié)省了大量的通風(fēng)支出成本，幫助風(fēng)流狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動態(tài)化的效果變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，而且對設(shè)計(jì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)也有著借鑒的作用和意義。

6.3 三維綜合管理可視化

據(jù)了解，三維綜合管理可視化系統(tǒng)主要將三維可視化平臺作為基礎(chǔ)和依托，具有高效性的特點(diǎn)，有效地應(yīng)對采礦、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、機(jī)電、安全監(jiān)測、人員定位等各項(xiàng)工作與內(nèi)容，也幫助礦區(qū)真正的實(shí)現(xiàn)綜合自動化和工業(yè)視頻等數(shù)據(jù)的連接和查詢工作。三維可視化綜合管理系統(tǒng)，通過將自己的作用全部發(fā)揮出來，成為了礦井安全生產(chǎn)信息的可視化決策支持平臺，其中包括了大量的內(nèi)容，例如：從地質(zhì)專業(yè)到專業(yè)設(shè)備管理等各方面的數(shù)據(jù)源，都可以看作為系統(tǒng)當(dāng)中的一部分，同時(shí)也是信息化建設(shè)過程當(dāng)中具有特色的工程。

6.4 地表環(huán)境監(jiān)測三維可視化

地表環(huán)境監(jiān)測為可視化系統(tǒng)將地表地理信息開采信息等全部匯集到三維可視化平臺當(dāng)中去，并且將查詢、分析等各項(xiàng)功能全部提供，為礦區(qū)地表塌陷區(qū)環(huán)境治理等各項(xiàng)工作提供了大量的幫助，也是相關(guān)工作人員最得力的“助手”。

7 結(jié)語

綜上所述，通過將三維可視化技術(shù)加入到礦體快速建模過程當(dāng)中去，此技術(shù)憑借著自身強(qiáng)大的優(yōu)勢與特點(diǎn)，無論在任何礦山工程當(dāng)中，它都可以將要表達(dá)的數(shù)據(jù)信息真實(shí)的體現(xiàn)出來，并以最直接的形式展示在大眾的眼前，大幅度的提高工作人員的工作效率以及水平，尤其幫助巖土工程師進(jìn)行了正確的判斷，科學(xué)地分析巖土工程所出現(xiàn)的問題，之后制定出完善的方法，將問題妥善的解決。伴隨著時(shí)間的不斷推移，三維可視化的技術(shù)必定會更加的成熟、更加的完善，將其加入到露天礦工程或者是其他巖土工程當(dāng)中去，所呈現(xiàn)出的效果必定會更加的準(zhǔn)確、更加的真實(shí)、更加的全面。