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摘 要：煤矿地层三维可视化是运用三维地学模拟方法对现实矿山的三维空间实体在计算机系统中进行三维模拟,文章研究和分析了煤矿三维地质建模技术及相关算法,研究了分别基于面、体和混合结构的数据模型,平面的剖分算法、地质界面的插值方法和基于三棱柱的地质体剖切算法,模型的三维可视化技术等,根据煤矿三维可视化系统的要求,设计实现三维地质模型显示的实验系统.
关 键 词：煤矿地层；三维可视化；三维地质建模
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）18
数字矿山是以矿山系统为原型,以地理坐标为参考系,综合矿山科学技术、信息科学、人工智能和计算科学,建立数字化、信息化、虚拟化、智能化、集成化等综合自动化的现代矿山系统.煤矿地层三维可视化就是运用三维地学模拟对现实矿山的三维空间实体在计算机系统中进行三维模拟显示,如三维地层、断裂、矿体和巷道的真三维动态显示、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积、储量的计算等.论文将通过MicrosoftOfficeAccess2003建立钻孔数据库作为后台地质基础信息,在VS2005开发环境下,利用OGRE图形库函数标准,实现格网-三角网混合数字高程面模型（Grid-TIN）和三棱柱（GTP）体模型三维可视化,然后填充各种岩性的纹理、加入对三维模型的操作功能,最终建成三维地质模型的三维可视化系统.
1 研究背景及试验区概况
目前,我国很多煤矿在生产信息化方面比较薄弱,对矿井信息的存储管理多借助于纸质的图、表和二维的GIS软件,这些信息不能直观的反映在煤矿生产过程中所遇到的一些地质现象和工程问题.另外煤矿的稳定、安全的生产对我国的经济建设具有很重要的作用,但频繁发生的煤矿安全事故（例如瓦斯爆炸、突水等）严重影响着我国煤矿工业的安全生产和发展.基于以上问题的提出,在数字矿山的建设中实现三维地质空间的可视化有助于更好的了解地下地质体形态和三维空间关系等.本文将从数据模型和
软件开发两方面分析三维地质建模研究现状.
东滩煤矿是我国目前井工开采生产规模最大的现代化特大型矿井之一,位于山东省邹城、兖州、曲阜三市接壤地区,兖州向斜的核部和深部,地质构造复杂程度属中等,以宽缓的褶皱为主,伴有一定数量的断裂构造,断层的发育有明显的分区性.本文基于东滩煤矿十四采区内的钻孔基础数据,主要选取了煤层厚度相对较大的3上煤层及其顶板砂岩和底板泥岩在十四采区中的部分地层数据.
2 模型算法研究
2.1 煤矿三维地质建模技术研究
在计算机中进行二维显示或三维虚拟显示时,需要把地下复杂的、难以全面获取信息和直接表示的地质实体进行抽象,提取实体的主要特征元素进行量化,利用一定的有效数据模型进行近似模拟,逼近表达.在不同的应用领域,根据不同模型的表达优势,需要不同的模型来对地质实体进行逼近显示.根据国内外的研究现状,煤矿三维地质体的模拟方法概括有三种,即基于曲面模拟、体元模拟和混合结构模拟.
2.1.1 曲面模拟
基于面的煤矿三维数据模型主要用于对三维地质实体的表面进行表示,像地表地形、某一地层顶底板层面、构筑物或工程的空间框架和轮廓.目前,常用的基于曲面的煤矿三维地质模型有线框模型（WireFrameModel）、样条曲面模型（SplineSurfaceModel）、形状模型（Shape）、面片模型（PatchModel）、边界模型（BoundaryModel）、断面模型（SectionModel）和多层DEM模型（Multi-DEMModel）.
2.1.2 体元模拟
在实际应用中,规则体元通常用于对水体和污染等环境问题进行建模；非规则体元则是有采样约束的、基于地层界面和地质构造的面向实体的三维数据模型,所以在三维地质建模中主要采用非规则体元模型.常用的体模型方法有结构实体几何模型方法（CSG）、三维栅格模型方法（Array）、块模型方法（Block）、八叉树模型方法（Octree）、三棱柱模型方法（TP）和四面体模型方法
（TEN）等.
2.1.3 混合结构模拟
利用面模型和体模型的优点,限制各自的缺点,文章采用混合结构的三维数据模型,混合结构的三维数据模型有Grid-TIN混合模型、TIN+Octree混合模型、TEN+Octree混合模型及面向对象的数据模型（OO3D）.
2.2 三维数据模型相关算法研究
在三维地质实体建模过程中需要用到许多的地质数学算法问题,例如根据有限的采样点数据插值生成任意一点的空间位置信息或属性信息的方法、地层的构模算法、切割算法、挖掘算法等.
2.3 模型的三维可视化技术
文中用到了OGRE图形绘制引擎,即面向对象的图形渲染引擎（Object-OrientedGraphicsRenderingEngine）,它是一个完全开源的、跨平台的图形绘制引擎,以插件的形式调用其它图形行库的图形渲染接口（目前主要为OpenGL和Direct3D）.OGRE利用高度的抽象方法,以更加直观的、简洁的、灵活的方法接口把不同类型的3D应用程序接口封装起来,实现3D场景的渲染.
2.4 建立地质数据库
本文通过整理原始钻孔勘探资料,基于MicrosoftAccess2003建立三维地质模型可视化系统的后台地质属性数据库.地质数据库系统包括煤矿钻孔基本属性表、煤矿钻孔综合确定成果表、岩层顶底板DEM信息表和岩层属性表等.
3 三维地质模型显示实验系统设计与实现
3.1 系统设计定位与开发环境
本文的研究目的主要在于对煤矿三维地层建模的理论方法和操作算法进行研究,与其同步进行的实验系统定位在建立数字矿山系统中三维地质空间可视化系统.实验系统的程序开发是在Windows系统下,使用VS2005环境中的VC++程序设计语言作为开发语言,并利用OGRE图形引擎和简单的MicrosoftAccess2003数据库技术集成开发实现系统的实验功能.
3.2 系统功能设计与实现
在研究有关三维地质模型的理论方法的基础上,开发的实验系统功能主要包括：地质数据库的管理与查询、钻孔的虚拟显示、地质界面的模拟显示、地质体的模拟显示、三维场景操作、模型的
操作.
在运行时,实验系统首先以创建的地质数据库作为数据来源,加载钻孔基础数据信息,以编码生成的纹理库作为岩性纹理图案的绘制来源.然后基于这些离散的钻孔数据进行插值.最后创建并生成整个实验区内的基于格网-三角网混合数字高程面模型（Grid-TIN）和基于三棱柱（GTP）的地层体模型.实验系统运行过程如图1所示：
4 结论
本文深入并系统地研究了基于面、体和混合结构的煤矿三维数据模型及其可视化技术,同时有针对性地对地质界面的插值算法、平面剖分算法和基于三棱柱的地质体剖切算法进行了研究；研究了钻孔基础数据的特征和处理方法,并根据数据库技术建立了论文需要的后台地质数据库；根据煤矿三维地质模型的模拟和可视化技术的要求以及软件系统的开发原则,在VS2005环境下,利用MicrosoftAccess2003作为后台数据库和OGRE图形引擎为显示工具,设计了三维地质模型可视化实验系统.