露天煤礦三維地質地形建模、可視化及應用研究

王麗英，劉 紅

（1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000；2.神華和利時信息技術有限公司，北京 100011）

近年來，三維地質建模（3D Geoscience Modeling，3DGM）己引起地質、采礦、巖土工程等諸多領域的日益重視。相對于傳統的二維地質數據表示方法，三維模型能夠完整準確地表達復雜地質現象的邊界條件及地質體內含的各種地質構造，直觀地再現地質單元的空間展布及其相互關系，最大限度地提高地質分析的直觀性和準確性［1］。3DGM的概念最早由加拿大學者Simon W.Houlding于1993年提出［2］。所謂3DGM，就是運用計算機技術，在三維環境下將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地質統計學、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并用于地質分析的技術。

隨著三維地質建模和可視化［3－15］軟件的發展，計算機己在各行各業得到了充分的應用，并己成為人們處理各種事務和工作的必不可少的工具。雖然地理信息系統己經在地質學領域取得了廣泛的應用，但是在露天煤礦方面的應用比較少，有一些難以解決的本質問題，主要是因為露天煤礦地質條件的復雜性和對于地下三維地質體模型的數學建模沒有較好的解決方案。本文以國內某大型露天煤礦為研究對象，以GIS為核心技術，基于SDE、GeoDatabase和Oracle平臺，建立基礎地理地質空間數據庫，在此基礎上開發三維地形地質建模GIS系統，實現地質模型的動態三維展示和空間查詢、任意剖面圖繪制、采剝量分類計算和儲量計算、模型實時更新等功能，為露天開采設計奠定基礎，為礦上人員提供高效便捷的服務。

1 露天礦三維地形地質建模GIS系統的實現

1.1 系統關鍵技術

1.1.1 空間數據庫技術

依托ArcInfo提供的SDE、GeoDatabase以及Oracle來實現多種類型、多種來源、多種空間數據的集成建庫。

屬性數據庫主要存儲建模用到的基礎鉆孔數據、煤質數據、儲量數據等結構化數據，系統通過Oracle數據庫接口訪問屬性數據庫。

空間數據庫主要存放各類包含空間位置的基礎圖層、模型數據、圖件數據和地形數據等。系統通過ArcSDE空間數據庫引擎訪問空間數據庫。

1.1.2 地形地質建模技術

目前，對于地質層面模型的數據結構主要有2種方式：規則格網Grid和不規則三角網TIN。針對露天礦實際賦存情況本文采用不規則三角網TIN算法建立地質層面模型。

把三維礦床地質模型看成是由地表面、土巖界面、巖層界面、煤巖界面等若干界面的組合。每個界面根據勘探鉆孔、地質寫實等離散點數據提取出各地質體頂底信息，通過插值以及擬合算法增加數據密度，并利用地質統計學估值算法（構建TIN），生成各地質體層面模型。根據三維地形模型、構造信息優化地質層面模型，在層面模型基礎上拉伸構建地質體模型。通過此方法形成動態、高效、高精度的露天礦三維地形模型、地質層面模型（煤巖土各界面模型），展示礦區地形地貌、煤巖層賦存特征三維形態、三維空間關系，以此作為整個項目各種數據算量和優化的基礎數據模型。

1.2 露天礦三維地形地質模型的建立

1.2.1 基于地形等高線的三維地形模型

以原始地形等高線（等高距2m，DWG格式）為基礎建模數據，進行粗差檢測，剔除異常高程點；以等高線高程數據為基礎，以等高線為約束條件，采用帶有約束的建模算法，三角網不可以穿過等高線生成，不能出現地形溝壑被填平的現象，保證地形DEM的準確性與真實性，如圖1所示。

圖1 地形模型三維效果圖

對等高線賦予三維高程信息，根據礦區的勘探邊界和準確的等高線數據生成地表TIN模型。

1.2.2 基于勘探鉆孔數據的三維地質模型

以勘探鉆孔數據為基礎，經過嚴格的數據檢查，包括數據結構檢查、數據邏輯關系檢查、數據粗差檢查，通過插值擬合處理，建立巖石頂板面模型、煤層頂底板面模型，并按照空間位置關系進行無縫拼接，建立地層實體模型，如圖2所示。

圖2 地質模型三維效果圖

1.2.3 基于鉆孔采樣數據的煤質指標模型

本研究中，根據勘探鉆孔和生產鉆孔的原始煤質采集數據，對毛煤和原煤的Ad（干燥基灰分）、Mad（空氣干燥基水分）、Mt（全水分）、Qnet、ar（收到基低位發熱量）等離散勘探鉆孔、生產地質鉆孔以及補勘鉆孔的煤質數據，采用合適的空間估值算法，通過生成毛煤、原煤等各煤質指標的柵格模型，如圖3所示。

圖3 灰分煤質模型三維效果圖

1.2.4 三維地形地質模型動態更新

隨著實際生產的進行，礦區地表模型會因為地表巖土的剝離與堆積而隨之改變，所以利用每月的采場DEM更新地表模型（見圖4），實施展示礦區的位置與剝離情況，對實際生產也將起到重要的指導意義。另一方面，隨著實際生產的進行，露天礦甚至直接把上覆巖土層剝離使之露出地面，這樣就必須根據實際需要對該煤巖層進行修復更新，使原來的三維模型更大程度上符合實際生產情況。

圖4 地表（上）、煤巖層（下）模型更新示意圖

2 地形地質三維GIS系統的可視化應用研究

基于三維地形地質GIS系統，實現地質層面模型的三維旋轉展示、平移、縮放、地質層面模型屬性查詢、繪制鉆孔柱狀圖、繪制任意方向剖面圖、煤層等高線、煤巖層對比圖等基本地質圖件地質模型更新和煤層儲量分類計算等基本功能，為露天礦開采計劃提供強有力的技術保障，有助于指導科學規劃、合理生產進行輔助決策，同時也為露天礦工作人員提供高效便捷服務。

2.1 煤質預報

基于煤質指標模型和地質模型，分析各煤層以及實際開采空間范圍的煤質變化情況，實現露天礦生產過程中的煤質預報和監控，為開采計劃和實際生產提供指導。煤質預報的主要表現形式為：煤質等值線圖（見圖5）和煤質區域統計分析報表（見圖6）。

2.2 儲量計算與自動統計

目前，現有儲量系統多存在只有臺帳、報表管理系統，沒有實現圖形繪制算量，沒有實現報表與圖形關聯等缺點。本研究中的儲量管理模塊最主要的特點就是圖數結合（見圖7）。圖數結合就是將圖形與數據統一起來，圖形不再是單純的圖形，數據也不再脫離圖形而單獨存在。圖形包含了空間數據，數據蘊含在圖形之內，二者做到了有機的統一。

2.3 采剝量分類計算模型

采剝量分類計算是根據每月驗收測量的數據，可以按時間序列生成一系列的采場（排土場）的DEM模型，通過不同時刻DEM模型，作一次差值運算，就可以準確計算出這個時間段的采剝量，再結合地質模型采用GIS的地理空間疊置分析方法，就能夠分類計算出土、巖、煤的體積或重量，如圖8所示。

2.4 專題圖件管理

利用露天礦空間庫中收集存儲的勘探線、鉆孔等數據，結合三維地形地質（地質層面、構造）模型，生成剖面圖（見圖9）、鉆孔柱狀圖、等值線圖、等厚線圖、煤巖層對比圖等地質圖件。

3 結束語

露天煤礦地形地質三維GIS系統從露天生產實際應用角度出發，以地形、地質勘探數據為基礎，借助于GIS強大的空間數據庫管理和空間分析功能，建立三維地質地形模型，打破傳統CAD系統圖數分離的局限性，開發三維礦床模型可視化系統，表達礦區地形及煤巖層真實賦存特征，系統具有良好的通用性，操作簡單、界面友好，實現三維地形地質模型的任意瀏覽、查詢、剖面圖繪制、儲量分類計算、地質模型的實時動態更新等功能，為儲量計算和煤質分析、采礦設計、計劃編制等提供基本模型數據支持。

［1］陳學習，吳立新，車德福，等.基于鉆孔數據的含斷層地質體三維建模方法［J］.煤田地質與勘探，2005，33（5）：5－8.

［2］Houlding S W.3D Geoseience Modeling：Computer Techniques for Geological characterition［M］.Berlin：SPringer－Veriag，1994.

［3］段立莉.露天煤礦三維地質建模及其可視化研究—以霍林河南礦為例［D］.西安：煤炭總院西安研究院，2008.

［4］張菊明.三維地質模型的設計和顯示［J］.中國數學地質進展，1995（7）：189－195.

［5］陳健.三維地層信息系統的建模與分析研究［D］.武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2001.

［6］吳立新，張瑞新，戚宜欣，等.三維地學模擬與虛擬礦山系統［J］.測繪學報，2002，31（1）：28－33.

［7］齊安文，昊立新，李冰，等.一種新的三維地學空間構模方法：類三棱柱法［J］.煤炭學報，2002，27（2）：158－163.

［8］Wu L X.A Generalized Tri－Prism Model for 3D Geoseienees Modeling and To Pologieal Desceription［C］.Workshop on Advanced GIS.Hongkong，PolyU，2002.

［9］Wu L X.Topological relations included generalized triprism 3D＆GeoScienees［C］.geosctences modelling.Computers.2003.

［10］陳昌彥，張菊明，杜永廉，等.邊坡工程地質信息的三維可視化及其在三峽船閘邊坡工程中的應用［J］.巖土工程學報，1998，20（4）：1－6.

［11］柴賀軍，黃地龍，黃潤秋，等.巖體結構三維可視化及其工程應用研究［J］.巖土工程學報，2001（2）：217－220.

［12］Liu D A，Zhang J M，Wang S J.Constrained fitting of faulted bedding planes for three－dimensional geologieal modelling.Advances in Engineering Software［J］.2002（33）：817－824.

［13］張菊明.三維地質模型的設計和顯示［M］.中國數學地質進展，北京：地質出版社，1995：158－167.

［14］張菊明，孫惠文.局部間斷擬合函數在地質曲面分析和顯示中的應用［M］.中國數學地質進展，北京：地質出版社，1995：14－23.

［15］陳漢章，劉紅.露天煤礦地質體層面模型及可視化應用研究［J］.山西煤炭管理干部學院學報，2010（4）：170－171.