煤礦地層三維可視化研究與實現

摘要：煤礦地層三維可視化是運用三維地學模擬方法對現實礦山的三維空間實體在計算機系統中進行三維模擬，文章研究和分析了煤礦三維地質建模技術及相關算法，研究了分別基于面、體和混合結構的數據模型，平面的剖分算法、地質界面的插值方法和基于三棱柱的地質體剖切算法，模型的三維可視化技術等，根據煤礦三維可視化系統的要求，設計實現三維地質模型顯示的實驗系統。

關鍵詞：煤礦地層；三維可視化；三維地質建模

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）18

數字礦山是以礦山系統為原型，以地理坐標為參考系，綜合礦山科學技術、信息科學、人工智能和計算科學，建立數字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化等綜合自動化的現代礦山系統。煤礦地層三維可視化就是運用三維地學模擬對現實礦山的三維空間實體在計算機系統中進行三維模擬顯示，如三維地層、斷裂、礦體和巷道的真三維動態顯示、三維巷道的空間拓撲分析、三維礦體的體積、儲量的計算等。論文將通過Microsoft Office Access2003建立鉆孔數據庫作為后臺地質基礎信息，在VS2005開發環境下，利用OGRE圖形庫函數標準，實現格網-三角網混合數字高程面模型（Grid-TIN）和三棱柱（GTP）體模型三維可視化，然后填充各種巖性的紋理、加入對三維模型的操作功能，最終建成三維地質模型的三維可視化系統。

1研究背景及試驗區概況

目前，我國很多煤礦在生產信息化方面比較薄弱，對礦井信息的存儲管理多借助于紙質的圖、表和二維的GIS軟件，這些信息不能直觀的反映在煤礦生產過程中所遇到的一些地質現象和工程問題。另外煤礦的穩定、安全的生產對我國的經濟建設具有很重要的作用，但頻繁發生的煤礦安全事故（例如瓦斯爆炸、突水等）嚴重影響著我國煤礦工業的安全生產和發展。基于以上問題的提出，在數字礦山的建設中實現三維地質空間的可視化有助于更好的了解地下地質體形態和三維空間關系等。本文將從數據模型和

軟件開發兩方面分析三維地質建模研究現狀。

東灘煤礦是我國目前井工開采生產規模最大的現代化特大型礦井之一，位于山東省鄒城、兗州、曲阜三市接壤地區，兗州向斜的核部和深部，地質構造復雜程度屬中等，以寬緩的褶皺為主，伴有一定數量的斷裂構造，斷層的發育有明顯的分區性。本文基于東灘煤礦十四采區內的鉆孔基礎數據，主要選取了煤層厚度相對較大的3上煤層及其頂板砂巖和底板泥巖在十四采區中的部分地層數據。

2模型算法研究

2.1煤礦三維地質建模技術研究

在計算機中進行二維顯示或三維虛擬顯示時，需要把地下復雜的、難以全面獲取信息和直接表示的地質實體進行抽象，提取實體的主要特征元素進行量化，利用一定的有效數據模型進行近似模擬，逼近表達。在不同的應用領域，根據不同模型的表達優勢，需要不同的模型來對地質實體進行逼近顯示。根據國內外的研究現狀，煤礦三維地質體的模擬方法概括有三種，即基于曲面模擬、體元模擬和混合結構模擬。

2.1.1曲面模擬

基于面的煤礦三維數據模型主要用于對三維地質實體的表面進行表示，像地表地形、某一地層頂底板層面、構筑物或工程的空間框架和輪廓。目前，常用的基于曲面的煤礦三維地質模型有線框模型（Wire Frame Model）、樣條曲面模型（Spline Surface Model）、形狀模型（Shape）、面片模型（Patch Model）、邊界模型（Boundary Model）、斷面模型（Section Model）和多層DEM模型（Multi-DEM Model）。

2.1.2體元模擬

在實際應用中，規則體元通常用于對水體和污染等環境問題進行建模；非規則體元則是有采樣約束的、基于地層界面和地質構造的面向實體的三維數據模型，所以在三維地質建模中主要采用非規則體元模型。常用的體模型方法有結構實體幾何模型方法（CSG）、三維柵格模型方法（Array）、塊模型方法（Block）、八叉樹模型方法（Octree）、三棱柱模型方法（TP）和四面體模型方法

（TEN）等。

2.1.3混合結構模擬

利用面模型和體模型的優點，限制各自的缺點，文章采用混合結構的三維數據模型，混合結構的三維數據模型有Grid-TIN混合模型、TIN+Octree混合模型、TEN+Octree混合模型及面向對象的數據模型（OO3D）。

2.2三維數據模型相關算法研究

在三維地質實體建模過程中需要用到許多的地質數學算法問題，例如根據有限的采樣點數據插值生成任意一點的空間位置信息或屬性信息的方法、地層的構模算法、切割算法、挖掘算法等。

2.3模型的三維可視化技術

文中用到了OGRE圖形繪制引擎，即面向對象的圖形渲染引擎（Object-Oriented Graphics Rendering Engine），它是一個完全開源的、跨平臺的圖形繪制引擎，以插件的形式調用其它圖形行庫的圖形渲染接口（目前主要為OpenGL和Direct3D）。OGRE利用高度的抽象方法，以更加直觀的、簡潔的、靈活的方法接口把不同類型的3D應用程序接口封裝起來，實現3D場景的渲染。

2.4建立地質數據庫

本文通過整理原始鉆孔勘探資料，基于Microsoft Access 2003建立三維地質模型可視化系統的后臺地質屬性數據庫。地質數據庫系統包括煤礦鉆孔基本屬性表、煤礦鉆孔綜合確定成果表、巖層頂底板DEM信息表和巖層屬性表等。

3三維地質模型顯示實驗系統設計與實現

3.1系統設計定位與開發環境

本文的研究目的主要在于對煤礦三維地層建模的理論方法和操作算法進行研究，與其同步進行的實驗系統定位在建立數字礦山系統中三維地質空間可視化系統。實驗系統的程序開發是在Windows系統下，使用VS2005環境中的VC++程序設計語言作為開發語言，并利用OGRE圖形引擎和簡單的Microsoft Access2003數據庫技術集成開發實現系統的實驗功能。

3.2系統功能設計與實現

在研究有關三維地質模型的理論方法的基礎上，開發的實驗系統功能主要包括：地質數據庫的管理與查詢、鉆孔的虛擬顯示、地質界面的模擬顯示、地質體的模擬顯示、三維場景操作、模型的

操作。

在運行時，實驗系統首先以創建的地質數據庫作為數據來源，加載鉆孔基礎數據信息，以編碼生成的紋理庫作為巖性紋理圖案的繪制來源。然后基于這些離散的鉆孔數據進行插值。最后創建并生成整個實驗區內的基于格網-三角網混合數字高程面模型（Grid-TIN）和基于三棱柱（GTP）的地層體模型。實驗系統運行過程如圖1所示：

4結論

本文深入并系統地研究了基于面、體和混合結構的煤礦三維數據模型及其可視化技術，同時有針對性地對地質界面的插值算法、平面剖分算法和基于三棱柱的地質體剖切算法進行了研究；研究了鉆孔基礎數據的特征和處理方法，并根據數據庫技術建立了論文需要的后臺地質數據庫；根據煤礦三維地質模型的模擬和可視化技術的要求以及軟件系統的開發原則，在VS2005環境下，利用Microsoft Access2003作為后臺數據庫和OGRE圖形引擎為顯示工具，設計了三維地質模型可視化實驗系統。

參考文獻

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作者簡介：代琦（1986-），男，江蘇豐縣人，安陽鑫龍煤業助理工程師，研究方向：瓦斯地質。

（責任編輯：葉小堅）