三維建模技術(shù)及其在數(shù)字礦山應(yīng)用中幾個(gè)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(gè)問題的思考李青元(研究員)中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院(地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室liqy@第五屆中國(guó)礦山數(shù)字與智能技術(shù)裝備大會(huì)成都2013-9-17~18概要1.單位與個(gè)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(jìn)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(jià)值的部分6.三維地質(zhì)建模的幾種方法一、單位與個(gè)人背景

本人來自于中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院是隸屬于國(guó)土資源部下屬的國(guó)家測(cè)繪地理信息局，是國(guó)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(shí)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(guó)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(guó)煤田地質(zhì)總局從事過全國(guó)煤炭資源數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。在中國(guó)測(cè)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(gè)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(jìn)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(jià)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(jià)值來自于構(gòu)建在在三維模型上的采區(qū)管理、運(yùn)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(gè)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)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(gè)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(jìn)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(jià)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(huì)各界，尤其是礦山企業(yè)的認(rèn)可而蓬勃發(fā)展。計(jì)算機(jī)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(huì)在2000年提出，并在近年來得到蓬勃發(fā)展？這里面有兩個(gè)重要的原因。第一個(gè)原因，在1998年美國(guó)戈?duì)柛笨偨y(tǒng)提出“數(shù)字地球”的概念后，中國(guó)學(xué)者迅速跟進(jìn)，“數(shù)字中國(guó)”、“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(shí)機(jī)地提出了“數(shù)字礦山”的概念，并對(duì)“數(shù)字礦山”的外延、內(nèi)涵、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了很多開創(chuàng)性的研究、實(shí)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(gè)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(dá)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(huì)各界，尤其是國(guó)家層面與礦山企業(yè)，對(duì)信息化建設(shè)與投入的重視。并且自從數(shù)字礦山的口號(hào)提出后，礦山企業(yè)的信息化建設(shè)的步伐確實(shí)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(guó)家層面的科技項(xiàng)目中得到了體現(xiàn)。但國(guó)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(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)所占的比例仍然偏低。概要1.單位與個(gè)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(jìn)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(jià)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(jìn)步1）有了很多開源或付費(fèi)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(gè)較高的起點(diǎn)上專注他們的應(yīng)用開發(fā)，國(guó)內(nèi)有不少這樣的成功經(jīng)驗(yàn)。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(chǎng)建模并重的方向發(fā)展。對(duì)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(dá)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(jī)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(yùn)輸、通風(fēng)、機(jī)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(shí)間坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)的三維模型發(fā)展。礦山開采是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，采掘進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理對(duì)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(shí)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(shí)時(shí)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?zhǔn)街修D(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(jìn)步將使得瓦斯、地壓、涌水等引災(zāi)因素的監(jiān)測(cè)得以全方位、全時(shí)段的實(shí)時(shí)進(jìn)行。以前井下的瓦斯監(jiān)測(cè)主要靠瓦斯檢查員巡回檢查，那么多巷道、工作面，哪一個(gè)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(cè)傳感器的7X24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(bào)告向數(shù)字化礦井設(shè)計(jì)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(gè)三維地質(zhì)模型將貫穿于礦區(qū)地質(zhì)勘探、設(shè)計(jì)、建井、生產(chǎn)、報(bào)廢管理的始終，只不過是模型越來越精細(xì)、內(nèi)容越來越充實(shí)。8）平剖面聯(lián)動(dòng)編輯：三維地質(zhì)建模的平剖面三維聯(lián)動(dòng)編輯將趨于成熟。

概要1.單位與個(gè)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(jìn)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(jià)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(jià)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(jià)值最大的仍然是三維地質(zhì)建模技術(shù)。因?yàn)榫?xì)、準(zhǔn)確的三維地質(zhì)建模能真正的用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)中的礦山模型從地上到地下像真的一樣，而起對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)的意義并不大。一個(gè)逼真的三維設(shè)備模型與一個(gè)用簡(jiǎn)單的方框表達(dá)的設(shè)備在機(jī)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(shí)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(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，對(duì)于這層包皮后面的地層、礦層的真實(shí)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(huì)隨時(shí)跟進(jìn)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)編入的。對(duì)于煤巷，他們會(huì)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(duì)于礦層的精準(zhǔn)三維建模具有很好的控制作用。因此筆者建議對(duì)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(dá)地層、礦層與巷道切割關(guān)系的三維建模。概要1.單位與個(gè)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(jìn)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(jià)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(jiǎn)要分析層狀的煤礦產(chǎn)三維地質(zhì)建模的幾個(gè)不同階段的主要數(shù)據(jù)特點(diǎn)與建模方法。（1）根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；（2）根據(jù)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；（3）根據(jù)各礦層底板等高線數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行三維建模需要對(duì)各個(gè)鉆孔進(jìn)行分層，確定全區(qū)能對(duì)比的主要地質(zhì)界面在各個(gè)鉆孔的位置，即確定界面的若干采樣點(diǎn)x,y,z；然后由這些界面采樣點(diǎn)進(jìn)行三角剖分構(gòu)建各個(gè)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(duì)所生成的曲面進(jìn)行細(xì)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(jìn)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(bào)告的基礎(chǔ)圖件之一，它提供地質(zhì)工程師對(duì)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(jìn)行三維建模是擺在三維建模軟件面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。關(guān)鍵是如何提高自動(dòng)化程度，減少人的工作量。（