露天礦山三維設計方法的應用與研究

陳 國 貴， 李 洪 豪， 龔 山 琳

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在露天礦山開采過程中面臨很多問題，通過三維設計能準確地反映出露天礦山的形貌。

數據端復雜和數據量龐大的數字地面模型(digitalterrainmodels，DTM)是三維設計的基礎和關鍵。數字地面模型構建的主要途徑有兩個：規則格網和不規則三角網。規則格網是采用規則排列的正方形、矩形網格表示地形表面；而不規則的三角網則是通過從不規則分布的數據點生成的連續三角網逼近地形。在數字地面模型構建研究方面，國內的一些專家、學者開展了涉及地形數據處理、構網邊界處理、構網方法優化、地面與模型融合構建等一系列卓有成效的研究。OpenRoads技術主要采用在地形擬合方面表現最出色的狄洛尼三角網構建原理，能讀取機載激光雷達獲取的點云數據和多種存儲地形數據的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于對原始數據進行檢查和修正處理，根據需要對地形進行剪切和融合。筆者介紹了通過圖形過濾器從測繪數據中提取等高線和高程點、導入軟件構成三角網對錯誤地形點進行修正、導出成.dat或.tin格式，最終通過數字地面模型可快捷地讀取三維空間點(Y，Y，Z)，剖切任意位置地形并直觀查看三維顯示地形。

2 在三維地質體熱點建模技術

2.1 斷層的三維建模技術

斷層破壞了地質體的完整及連續性, 改變了數據的原始分布格局，為最常見的地質現象之一。當礦體和各種巖層遇到有斷層的情況時,斷層對其的空間分布影響十分顯著，必須加以考慮。斷層的三維建模技術是一項比較重要的工作，一般采用 TIN 數據結構生成斷層線框模型，從而在三維空間中準確地描述斷層的空間分布形態。TIN 又名不規則三角網。斷層模型一般有兩種：一種是斷層比較薄，即斷層面。對于這種形式，我們以面的形式進行處理；另外一種為斷層比較厚，即斷層破碎帶，其比面狀斷層發育，對于這種形式，我們以三維實體模型進行處理。斷層模型的構建是一個復雜的過程，在實際工作中需要參照幾個相鄰剖面上的斷層線的分布，還需結合其它一些工程數據資料予以認識和解譯，進而進行斷層面的擬合，建立正確的斷層模型。

2.2 復雜地質體建模技術

類似于斷層的模型構建，地質體的構建也分為兩類：一類是單個層狀地質體模型的構建。地質體可以采用光滑曲面進行模擬，在計算機圖形學中，可以用多個多邊形進行無窮逼近光滑曲面的方法構建曲面模型,故所構建的曲面模型即轉換成構建無數個三角面。因此，單個層狀地質體模型的構建實際上就是通過表面三角面的逼近規則通過封閉表面的技術予以實現；第二類為構造三維地質模型。野外地質調查和觀察所得到的主要是巖層和斷層的分界線數據，建模時需要了解各個地質體之間的三維空間分布關系，尤其是各個地質體之間的對應關系，通過相關測量數據完成各類地質體的模型構建。

2.3 礦體三維線框模型

礦體三維線框模型在建模中占有極其重要的地位，是后期資源儲量估算的基礎，建模步驟分為探礦工程數據庫的建立、剖面解譯和剖面間連礦三個步驟。經過多年的發展，相對于其他建模技術而言，礦體的三維模型建立和可視化顯示技術已十分完善。礦體的三維模型有多種分類：從模型的構成元素分，有基于面模型、基于體元模型和兩種的混合模型三類；從模型存儲的元素類型分，可以分為基于矢量模型、柵格模型以及前兩種的混合模型三類。

3 三維設計系統的注意事項

3.1 設計文件格式

文件格式是計算機三維設計系統應用重要的方面。計算機三維設計最為突出的表現為跨專業文件共享，從而對文件格式提出了全新的要求。當發生文件信息丟失或打不開時將會直接影響到計算機三維設計的效果，因此，在文件格式的選擇上，一定要保障文件格式的通用性效果，從而能夠在其使用的過程中保證文件的兼容性特點，方便文件在第三方設置下保留更多的輔助性信息。計算機三維設計系統在文件格式的選擇上更加專業，需要掌握一定的二維設計知識，才能更有效地開展三維設計工作。

3.2 實用性

計算機三維設計系統的廣泛應用性能夠滿足設計要求。三維設計與二維設計相比在技術上的要求相對較高，因此，初學者在應用方面較為困難，但這并不影響應用的實際效果。計算機三維設計系統在設計人員的簡單操作下，根據所提供的設計要求能夠自動的生成設計結果。因此，在設計過程中，需要提供完整的設計材料，只有這樣，才能夠保證設計結果的準確性。計算機三維設計系統能夠為初學者實踐操作水平的提升提供便利條件，保證初學者在利用計算機三維設計系統的過程中能夠盡快地應用設計系統，對計算機三維設計系統進行全面的研究，突破現有設計領域存在的問題，從而解決實際應用需求。

3.3 設計產品的主流性

應用計算機三維設計系統需要一個能力較強的團隊共同完成，并且隨著計算機三維設計系統功能性的不斷完善，更多的設計要求對設計人員提出了全新的發展方向，計算機三維設計系統的功能性將會得到充分的提升。單一設計人員無法正常的利用三維設計系統，只能在團隊集成合作下共同利用計算機三維設計系統進行正常的工作。計算機三維設計系統是最為先進的主流產品，如果其使用團隊在能力上不符合計算機三維設計系統的應用要求，那么，采購計算機三維設計系統只會造成嚴重的經濟與人力資源的浪費。而選擇適合自身的設計主流產品能夠提升企業的設計能力，保證所設計的產品符合設計要求。良好的技術支持能夠為設計團隊提供專業的指導，因此，在采購計算機三維設計系統之后，需要對設計所用的軟硬件進行定期升級，只有更新后的計算機三維設計系統才能夠為設計團隊帶來全新的技術體驗。

4 三維設計方法的應用基礎

礦山三維地質模型是采用三維設計方法進行開拓方案設計的基礎，具體包括以下模型：

(1)地表模型。地表模型是用來虛擬地形和表面的不封閉表面模型，由一系列三角面片根據地形線和地形散點無縫拼接構成。在DIMINE三維礦業軟件中，可以通過原始測量數據生成法和矢量化CAD地形圖等高線生成法構建礦山地表模型。

(2)構造模型。構造模型包括斷層模型和巖性模型，是用來模擬斷層構造和不同巖層的不封閉表面模型，由一系列三角面片根據斷層線和巖層線拼接形成。將各個平剖面圖中的斷層信息和巖層信息導入DIMINE三維礦業軟件中，依據構造信息，按照一定順序將各構造線連接成面，從而生成構造模型。

(3)地質數據庫。地質數據庫是將礦山的鉆孔、坑道等數據資料按照一定的方式存儲起來，為礦體對比圈定、品位統計分布規律分析以及估值提供基礎數據。在DIMINE三維礦業軟件中，可以將鉆探成果分別整理成孔口文件、測斜文件、樣品文件和巖性文件等導入，生成地質數據庫。

(4)礦體模型。礦體模型是一種封閉的表面模型，具有體積信息，能夠在任一方向和高程上剖切，形成平剖面圖。在DIMINE三維礦業軟件中，可以直接對地質數據庫進行解譯，圈定礦體輪廓線，創建礦體模型；也可將已解譯的CAD或MapGIS地質平剖面圖導入DIMINE三維礦業軟件中，通過三維地質數據庫對礦體輪廓線進行校正，創建礦體模型。完整的礦體模型要求能夠計算出體積，沒有冗余的點、線、面數據，以便于對模型進行后續的布爾運算、品位估值和塊段分析工作。

(5)塊段模型。塊段模型是對礦體模型進行單元塊細分，并以地質數據庫為基礎，采用空間的插值方法對各單元塊的品位、巖性等進行推估，得到礦體的內部屬性值。DIMINE三維礦業軟件采用外存八叉樹模型的構建技術創建塊段模型。

近年來，三維可視化技術在各行各業都得到了迅速發展，具有巨大的潛力和研究價值。礦山三維礦體建模以及相關技術作為數字化礦山的基礎，對于礦山的勘探和開發具有非常重要的意義。但是，三維礦業軟件的開發和應用還有很多地方值得研究，以使其更好地服務于的礦業勘探和開發。

5 結 語

綜上所述，在當前露天礦山開采過程中，我們一定要充分利用所擁有的計算機技術，通過三維技術的應用來提升礦山的開采水平。