基于多源數據集成與WebGIS的三維礦山空間數據管理系統關鍵技術及應用

陳根深，劉 剛，陳麒玉，趙力行，向世澤，羅 慶，張俊杰

（1.中國地質大學 計算機學院；2.智能地學信息處理湖北省實驗室；3.生物地質與環境地質國家重點實驗室；4.武漢地大坤迪科技有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

數字礦山的概念源于數字地球和數字城市，是信息技術應用與地質礦產領域的重要實踐［1-3］。其目標是將礦山的各種信息，包括地質、工程、生產、經濟、環境等信息進行數字化、網絡化、可視化處理，從而實現礦山的精細化、智能化管理［4-8］。數字礦山既然是礦山信息化的產物，其產生、發展和運行必然受到礦山系統本身信息運動客觀機理的制約。在礦山系統中，礦山地質體（礦床、礦體和礦石）是最核心的信息［9］。然而，礦山生產涉及多種不同來源和格式的數據，給數據的綜合集成與利用帶來了重大挑戰。具體而言，來自地質測量、物探、鉆探、采掘等不同來源數據的集成與融合分析通常復雜且繁瑣，數據在結構、格式和協議等方面存在差異，難以協調，導致了信息孤島問題。為了支持礦山生產過程中海量空間數據的實時可視化與交互分析，尤其是三維地質模型數據，其復雜性和多樣性給可視化表達帶來挑戰，在實時可視化的情境下，跨尺度的信息表示需要在保持高效渲染和流暢交互的前提下，將地質構造和資源分布呈現在同一界面中。

本文專注于解決開發三維礦山空間數據管理系統時所面臨的兩個關鍵問題：礦山多源數據集成和三維地質模型的可視分析與交互。

礦山生產是一個復雜的過程，涵蓋了地質勘探、物探、鉆探、采掘和測量等多個環節。地質勘探階段獲取的地質構造、地層分布和礦產賦存等信息，通過物探與鉆探手段獲取的地層數據和巖性數據、采掘過程中收集到的礦體分布和品位等數據，以及測量環節產生的礦山地理信息和礦體變化等數據對于了解礦山地質特征至關重要，為礦山的實時監測與資源管理提供了關鍵支持。然而，由于這些數據來自不同環節、不同設備和傳感器，常常以文本、圖像、視頻、傳感器讀數等不同格式存在，甚至存儲在各自獨立的數據庫中。這種異構性和分散性導致數據難以進行統一的處理與利用，數據之間缺乏連接和交互性，形成了“數據孤島”。這種數據的隔離使得人們在整個數據集中難以獲得全面的洞察力，導致決策的不準確和資源浪費，同時增加了數據管理的復雜性，使得礦山生產過程中的數據分析和決策規劃變得困難且低效。因此，解決多源數據集成的挑戰顯得尤為迫切。通過標準化數據格式以及建立統一的數據模型，不僅有助于消除數據的異構性，而且能促使數據在不同環節之間實現有機的關聯。

三維地質模型涉及大量的復雜數據和結構，會導致數據加載和渲染性能方面的問題。當前網絡GIS 難以有效應對這種大規模數據，導致頁面加載緩慢，甚至可能導致崩潰。在模型需要進行實時更新、拾取和剖面分析等操作時，實時交互受到性能限制和延遲影響，嚴重影響用戶的使用體驗。針對復雜的地質模型，現有產品在展現細節和真實感方面存在不足，很難準確呈現地層、巖性、斷層等微觀細節，從而限制了用戶對地質結構的深入理解。同時，由于地質數據的多樣性和異構性，數據集成和模型構建變得更復雜，因此需要解決數據來源不一致和格式不統一等問題。通過三維可視化集成建立統一的礦山地質數據模型和標準，可打通不同部門或機構之間數據訪問與信息共享的通道，提升礦山的管理效率和決策的準確性。

為此，本文提出一套三維礦山空間數據管理系統，通過多源數據集成和三維地質模型快速渲染等技術實現三維礦山空間數據的集成管理與高效的可視化交互。本文的貢獻包括：

（1）基于MRM 存儲架構，結合關系型數據庫、內存數據庫和對象存儲服務，實現多源數據的解析、轉換和一體化處理。構建統一的綜合地質信息數據庫，有效應對海量空間數據存儲與處理的挑戰，為系統提供了高性能、可擴展的數據存儲與處理能力。

（2）提出一種省域級多尺度三維地質體模型渲染方法，通過構建八叉樹索引，采用多級緩存策略，實現大規模三維地質模型的流暢加載和高效可視化渲染，從而提升三維模型的渲染速度和用戶交互體驗。

在此基礎上，研發基于多源數據集成與WebGIS 的三維礦山空間數據管理系統。通過四層架構的設計，實現系統的高效集成、綜合管理和可視化分析。通過MRM 存儲架構的運用，為系統提供穩定、可靠的數據存儲和處理能力。此外，通過基于二三維一體化的客戶端可視化技術架構，應對地質數據可視化的挑戰，為用戶提供先進且可靠的數據展示與交互分析工具。

1 相關研究

本文工作圍繞三維礦山空間信息管理系統建設展開研究，涵蓋了礦山信息系統的理論、方法和關鍵技術，主要涉及多源數據集成、存儲、管理和可視化等領域。

近年來，在礦山數據管理系統和三維可視化技術的研究與開發方面取得了許多重要進展［10］。為應對礦山領域數據集成、可視化和交互分析的挑戰，許多學者開展了大量理論研究與系統研發實踐［11-13］。盧新明等［14］針對地質體幾何計算和地質災害預報兩個關鍵問題，總結凝練了構造地質、煤層地質、地質力學、地質擾動、瓦斯地質、水文地質、透明地質共7 項云計算技術；李鵬等［15］針對煤礦地質保障系統開發面臨數據來源多樣、地質監測系統集成開發語言不統一等問題，提出基于微服務的地質保障系統架構與應用；馬麗等［16］以小保當煤礦地質信息的精細解釋為基礎，提出基于精細勘查的煤礦地質保障信息系統，實現了地質信息動態管理和地質災害預警體系；苗彥平等［17］設計紅柳林煤礦地質保障軟件系統，其具備地質信息管理、高精度建模、災害預測預警等功能，但仍面臨三維地質模型精度不足和地質透明化難度大等挑戰。在智能煤礦地質保障系統建設的浪潮中，左書豪［18］總結了智能煤礦地質保障系統必須解決的包括多元數據融合分析、復雜地質建模和海量三維數據管理與服務等8 項關鍵問題；張新［19］針對智慧礦山的需求，提出大數據應用平臺的基本方案。針對我國智慧礦山建設過程中存在的多系統、數據難以有效整合的問題，張紹周等［20］研發了智慧礦山三維可視化管理系統，實現了礦山數據實時圖形可視化、場景化以及實時交互等功能；蘇玲慧［21］針對當前國內外計算機編制生產計劃難以適應地浸式開采實際生產過程中復雜的礦山現狀，提出基于WebGL 的地浸礦山生產計劃管理系統。礦山數據集成和綜合利用是礦山建設朝著數字化、智能化、智慧化方向發展的重要前提。基于Web 的礦山數據管理系統提供了綜合的解決方案，以數字化、網絡化和可視化的方式實現了對礦山業務中地質、工程、生產、經濟和環境等各類數據的管理與綜合分析。

礦山的地質結構通常非常復雜，包括礦床、礦體、斷層等，具有多維特征，如何準確地表達和可視化這些復雜的地質結構是一個挑戰。鮑成霞［22］論述了 GIS 在礦山地質測繪中的優勢，從不同角度闡述其在礦山地質測繪中的應用要點；郭向前等［23］提出基于3DGIS 的可視化礦山平臺，通過虛擬可視化技術展現可視化的礦山，并實現多部門、多專業、多層面的空間業務數據集成與應用；溫瑞恒等［24］針對礦山企業內部系統間出現信息孤島、業務隔離、數據價值挖掘受限等問題，提出礦山一體化智能管控系統的建設方案，通過應用工業控制、信息網絡、數字孿生等先進技術，建立礦山一體化智能管控系統，可有效解決礦山內部的信息孤島問題；Szujó 等［25］指出采礦活動中缺乏一種能夠整合多源數據、跨平臺運行且用戶可以不需要GIS 知識的軟件，并提出了一款面向采礦業服務的二三維Web 應用程序MaGISter-mine，該應用程序適用范圍廣、系統框架靈活可定制，但存在定制化需要額外資源以及兼容性等方面的挑戰。

綜合前述研究，針對礦山地質結構的復雜性和多維特征，研究者采用GIS 技術、虛擬可視化技術等，根據智能管控系統建設方案提出了一系列方法，以準確表達與可視化礦山的地質結構。盡管目前在礦山數據管理系統和三維可視化技術方面已取得了重要進展，但仍然存在一些問題需要解決。首先，在多源數據集成方面，雖然研究者提出了多種解決數據異構性的方法，但在實際應用中，數據標準化和統一數據模型可能面臨挑戰。此外，由于一些礦山環節采用了不同的系統和技術，導致數據整合變得復雜且耗時。在三維可視化與交互分析領域，雖然已有多種方法和系統用于準確呈現復雜的礦山地質結構，但仍然存在技術挑戰。例如，如何更好地表達多維特征的地質結構，以及如何實現高度逼真的三維可視化效果，需要進一步深入研究。此外，一些系統可能面臨數據孤島和業務隔離等問題，因此需要更深度的整合和三維可視化管控方案來解決此問題。目前，國外基于WebGIS 的產品如MapXtreme、ArcIMS 和WebMap 可提供強大的地理分析和可視化能力，但可能需要較高的學習成本和硬件投入成本。國內相關產品包括SuperMap iClient3D、GeoSurf、MapWEB 和MapEngine，其中SuperMap IS 具有豐富的功能以及較高的市場份額，GeoSurf 注重地球科學領域，MapWEB 和MapEngine 著重于用戶體驗。在實際應用中，經常需要解決功能定制性不足以及與特定數據格式的兼容性問題，部分產品對復雜地質結構的表達能力有限，難以準確展示多維特征的地質結構。

針對礦山多源數據存在的信息孤島問題以及礦山數據三維可視化的實際需求，本文提出一種基于多源數據集成與WebGIS 的三維礦山空間數據管理系統。首先，以地質、物探、鉆探、采掘和測量等數字化信息為支撐，基于MRM（MySQL-Redis-MinIO）存儲框架構建一個綜合數據庫，將地質勘探和調查數據、斷層和地層數據、礦床和礦石數據等以空間數據的形式存儲，同時建立多種類型數據的元數據，主要包括空間坐標、三維幾何信息和屬性特征等關鍵信息。其次，通過解析與處理不同數據源的數據進行格式轉換，并統一空間坐標，以實現多源數據的集成管理；通過運用先進的三維可視化技術，以將地質、空間和環境數據以立體的方式呈現；探索實時計算與交互分析技術，研發支持用戶實時查詢、計算和分析礦山數據的功能，提供全面的地質信息管理、可視化展示和數據分析功能，為礦山企業提供決策支持和數據探索的能力。之后，針對系統建設的實際需求設計系統總體架構，在此基礎上開展系統服務端和客戶端的技術架構設計，以滿足系統的功能要求和性能需求。最后，根據某礦山的不同類型數據，研發基于多源數據集成與WebGIS 的三維礦山空間數據管理系統，并開展各類數據的管理與可視化應用，以實現對礦山地質數據的集成、管理和可視化分析，為礦山行業的決策與開發提供技術支撐。

2 基于多源數據集成與WebGIS 的三維礦山空間數據管理系統

2.1 系統總體架構設計

系統總體架構分為基礎運行環境、存儲層、應用層和展示層，如圖1 所示。運行環境主要包括Java 應用程序開發基礎平臺和Tomcat9 服務器，Tomcat 是一個跨平臺的Web服務器，可在Windows和Linux操作系統上運行。

Fig.1 System overall architecture圖1 系統總體架構

存儲層采用MRM（MySQL-Redis-MinIO）存儲架構，該架構常用于構建可擴展、高性能的應用程序。MySQL 是一款廣泛應用于數據存儲和檢索的開源關系型數據庫，以可靠的數據持久性、支持ACID（原子性、一致性、隔離性和持久性）事務以及強大的查詢功能而聞名。MySQL 在存儲地層信息數據、礦石屬性信息、空間對象的元數據等結構化數據方面發揮著重要作用。Redis 是基于鍵值存儲的內存數據庫，支持字符串、哈希、集合等多種數據結構，具有極快的讀寫速度，用于緩存常用數據、消息隊列和實時統計信息等。MinIO 是開源對象存儲服務器，常用于在分布式環境中存儲和索引大型非結構化對象，在系統中存儲地質圖像、地質圖件、三維模型以及處理大規模的文件數據。

應用層主要包括系統權限管理、地質數據管理和空間分析三大功能模塊。在權限管理模塊中，主要功能包括用戶管理、角色管理、認證授權、接口鑒權、系統操作日志和單位部門管理，以實現交互監管、權限動態分配等系統安全需求。地質數據管理模塊用于滿足礦產開采過程中的各種數據管理需求，主要功能包括巷道數據管理、三維模型管理、輔助數據管理、空間數據管理以及屬性數據和時態數據管理等，以實現對礦山各類地質數據的集成管理。在此基礎上，實現數據可視化、二三維聯動、實景模型渲染、地上下一體化展示和漫游及動態展示等功能，可進行全面、直觀的礦山地質數據展示和分析，支持決策和規劃工作。空間分析模塊主要包括剖面分析、開挖分析、動態剖切、資源儲量計算、開采量與剩余儲量實時計算以及動態掘進分析等功能，可準確地進行地質信息和開采數據分析，支持資源評估、礦山規劃等方面工作。

展示層是基于瀏覽器的Web 網頁，通過HTML、CSSS和JavaScript 等前端技術，結合現代先進的Web 技術框架實現地圖、三維模型和圖表等元素的渲染和交互功能。

該系統架構實現了礦山多源數據的高效集成和綜合管理，有效消除了不同數據格式與來源之間的障礙，從而解決了信息孤島問題。同時，采用MRM 存儲架構的綜合方案，以應對海量數據處理的挑戰，為用戶提供了強大且可擴展的數據存儲和處理能力。此架構具備極強的可定制性和可擴展性，能夠滿足不同礦山運營的獨特需求。通過先進的Web 技術，實現了地圖、三維模型和圖表等可視化和交互功能，同時整合了資源儲量計算和開挖分析等功能，為礦山規劃與決策提供了有力支持。

2.2 面向多源地質數據管理的服務端技術架構

服務端采用多種技術和框架作為系統各層次功能的支撐，主要分為數據存儲層、數據交互層、應用層，如圖2所示。在系統構建過程中，使用Maven 進行項目依賴管理，通過GitLab 提供安全可控的代碼管理和協同開發環境，對項目代碼進行版本管理。采用Nginx 技術進行反向代理和負載均衡，反向代理解決系統前后端跨域的問題，確保請求能夠正確到達后端服務。同時通過Nginx 將請求分發到多個后端服務器上，以減輕單個服務器的壓力，提高系統的穩定性。

Fig.2 Server-side technical architecture for multi-source geological data management圖2 面向多源地質數據管理的服務端技術架構

數據存儲層采用MRM 存儲架構，利用MySQL 進行數據存儲，同時利用Redis 緩存技術對驗證碼、熱點數據等進行緩存，以提升數據訪問速度。選擇MinIO 作為分布式對象存儲系統，其分布式架構提供了高可用性和可擴展性。MinIO 兼容Amazon S3 協議，意味著其可以與許多支持S3的應用程序和工具進行集成。這種兼容性使得遷移現有S3 應用程序到MinIO 變得非常容易。借助此特性，可實現對文件的上傳、下載和訪問。

數據交互層主要負責處理數據的訪問與交互，通過集成Mybatis Plus 作為ORM（對象關系映射）工具，簡化數據訪問層的代碼編寫，實現對數據庫的訪問和操作，同時采用Spring 集成Redis 的Spring Data 框架，簡化對Redis 緩存的操作。

在應用層使用SpringBoot 搭建系統框架，這是由Pivotal 團隊提供的基于Spring 的快速配置框架。SpringBoot 的主要優勢在于其簡化了開發人員的配置工作，使得開發過程更加高效、便捷。SpringBoot 集成了眾多流行的開發框架，可避免繁瑣的配置，快速構建Spring 項目。其中，SpringMVC 負責處理系統的請求和響應，提供了強大的Web 應用程序支持，使得開發RESTful API 變得更加容易。Swagger2 是一個開源框架，用于設計、構建和文檔化可擴展的RESTful Web 服務。其不僅提供了一套強大的工具和規范，而且簡化了API 的定義、測試和使用過程。通過Swagger2，開發人員能夠更輕松地創建并記錄API，同時能夠為團隊和其他開發者提供清晰而易于理解的API文檔。

通過層次分明的技術架構支持，包括數據存儲層、數據交互層和應用層，以及多種先進技術與框架的融合應用，為地質數據管理提供了可靠的技術基礎。

2.3 基于二三維一體化的客戶端可視化技術架構

針對傳統的二維地圖在呈現地質數據時存在局限性，無法提供足夠的空間感和深度信息的問題，提出一種基于二三維一體化的客戶端可視化技術架構，如圖3 所示。通過B/S 結構的設計，充分利用現代前端工具如Vite、Axios和Fetch API，構建了高效的數據交互機制。在架構中，數據層使用Redux Toolkit 管理狀態，集成MinIO 提供高效的數據服務，同時采用數據流框架異步進行數據傳輸與處理。在視圖層，集成UI組件庫和各種渲染技術，通過3D 網格拾取以及幾何布爾運算實現復雜交互，同時利用3D 渲染和可視化技術進行地形渲染、模型渲染以及光照等效果的處理。該技術架構為直觀展示和深入分析地質信息提供了先進且可靠的解決方案。

Fig.3 Client-side visualization technology architecture based on 2D-3D integration圖3 基于二三維一體化的客戶端可視化技術架構

在項目構建階段，在開發方面，定義標準的代碼規范，保持代碼風格的一致性，是保障系統開發過程中代碼質量與可維護性的關鍵；搭建開發服務器vite-dev-server，實時監聽文件的變化，提供熱重載和模塊熱替換功能，便于實時查看和調試代碼，快速預覽和測試應用程序的效果；系統客戶端采用現代化前端構建工具Vite 進行構建，Vite 可快速地進行冷啟動，并具有高效的開發流程，使得構建和部署應用程序變得更加便捷、高效。配置文件在項目中起著重要作用，通過在vite.config.js 配置文件中設定構建目標、插件配置等參數，可更好地定制與管理項目的構建和開發流程。該階段為系統的高效和可靠開發奠定了基礎。在生產優化方面，通過壓縮和緩存等技術減少靜態資源的文件大小，對圖片和字體等靜態資源進行優化，并配置緩存策略以減少網絡請求，提高網頁加載速度和性能；通過動態導入和異步加載等技術將代碼分割成獨立的模塊，根據頁面的需求進行按需加載，減少不必要的資源請求，提高頁面的初始加載速度；針對不同瀏覽器對CSS 規范的支持程度不同導致的兼容問題，使用PostCSS 工具對CSS 進行后處理，自動添加瀏覽器前綴，從而實現跨瀏覽器的兼容性。

在網絡層，Axios-http 是基于Promise 的HTTP 客戶端庫，具有跨瀏覽器的兼容性，并支持自定義請求頭、請求參數和響應處理。Fetch API 是瀏覽器內置的現代化網絡請求API，提供了一種更簡單、強大的方式來發送和處理HTTP 請求。HTTP 攔截器是在發送HTTP 請求和接收HTTP 響應的過程中，對請求和響應進行預處理和后處理的機制。在發送HTTP 請求前，動態地在請求頭中添加認證信息、token 和時間戳等參數，便于后端進行驗證和授權。在接收HTTP 響應后，對響應數據進行解析、轉換或過濾，以便適應前端的需求。

在數據層，采用Redux Toolkit 以高效管理應用程序的狀態。通過Redux Toolkit，能夠定義、組織和更新不同組件之間共享的狀態，而無需編寫大量的重復性代碼。此外，將MinIO 集成到數據層中，用于存儲和檢索大規模的三維數據，以提供高效的數據服務。數據的傳輸和處理是通過數據流框架實現的，意味著數據的加載和處理可以異步進行。通過數據流框架可更靈活地管理數據的傳輸和處理流程，以確保數據能夠在需要時被高效地加載和處理。

在視圖層，集成UI 組件庫，通過UI 樣式和CSS 庫定義界面的外觀樣式與布局，為系統界面提供統一的界面風格和交互效果；利用UI 組件主題定制系統主題，使UI 界面符合系統的整體設計風格；在交互操作或系統狀態變化時，向用戶提供彈窗提示以及動畫、消息等相應的反饋信息；在三維場景中通過3D 網格拾取技術，按照交互或程序邏輯對三維網格進行選擇和操作，并對三維網格模型進行幾何布爾運算，生成復雜的形狀和拓撲變化，用于礦體體積計算、模型剖切等操作；通過集成各種渲染技術和圖形處理庫，如WebGL、Three.js 等，對網格模型的光照、陰影、透明度、材質紋理等方面進行處理，使模型更加逼真，且具有層次感；采用3D 渲染和可視化技術實現地形渲染、模型渲染、紋理貼圖以及光照效果和動畫效果等，使用戶能夠以直觀的方式瀏覽和分析地質信息。

3 關鍵技術與方法

3.1 多源數據集成方法

多源數據集成是指通過運用不同數據工具，將不同來源的數據源集成到平臺或系統內，成為所用平臺或系統能夠識別的數據形式。由于數據在采集過程中具有明顯差異，導致數據源形式不一，需對此類多源數據進行集成處理。礦山地質多源數據集成處理的具體流程如圖4所示。

Fig.4 Integrated approach for multi-source data in mine industry圖4 礦山多源數據集成方法

首先，對不同數據源的數據進行解析與處理，通過分析數據格式、結構和編碼方式，使用適當的解析方法和算法來解析數據。數據解析主要應用巷道和測井數據的處理過程，測井數據在解析過程中需要加入深度和斜率進行實時計算，最終還原測井的最終形態。其次，通過數據格式轉換、數據模型映射或數據編碼轉換對不同格式的數據進行轉換，使其能夠在統一的數據存儲系統中進行統一管理與分析。之后，統一空間所有對象的空間坐標，確保不同數據源的空間坐標在統一的坐標參考系統下具有一致性，通過確定統一的坐標參考系統進行坐標轉換與數據對齊，使得空間對象能夠進行無縫集成和一體化分析。最后，通過數據導入接口將解析、轉換與統一空間坐標后的數據按類別存儲到MinIO 和MySQL 中。其中，MinIO 用于存儲激光點云數據、三維地質模型數據等非結構化數據，通過數據接口提供可擴展的對象存儲和快速訪問功能；MySQL 用于存儲巷道數據、測井數據及其屬性信息等結構化數據，通過數據接口提供高效查詢和管理功能。

3.2 三維地質模型可視化技術

三維數據可視化技術將地質、空間和環境數據以三維的形式進行可視化展示與交互操作。礦山涉及大規模的三維地質體模型數據，在多尺度多層級多要素一體化表達與集成、高效率可視化渲染與交互等方面難度很高，問題突出，其可視化展示與交互分析的實現是一個巨大的挑戰。為此，提出一種省域級多尺度三維地質體模型的渲染方法，具體流程如圖5 所示。該方法采用八叉樹構建三維地質體模型的元數據索引，并根據視點遠近原則、數據量大小原則、多線程異步加載原則和遮擋剔除不渲染原則，提出了基于多級緩存結構的可視區域三維地質體模型數據動態加載和渲染策略。首先，加載并對三維地質體模型元數據進行空間劃分，創建八叉樹索引；其次，主線程對人機交互實時響應，監測視區變化，通過獲取當前相機視區內的所有八叉樹節點，開啟渲染線程對可視區域節點的模型數據進行加載和渲染；再次，對可視區域內的八叉樹節點按照視點遠近和該節點所映射的數據大小進行空間排序，離視點近、數據量小的地質體模型被優先加載和渲染，同時異步并行加載離視點近、數據量大的模型數據；最后，對可視區域內的模型數據進行遮擋判別，將被遮擋的數據剔除且不渲染，以實現對省域級多尺度三維地質體模型的流暢加載和可視化渲染。該方法能夠有效解決大規模的三維地質體模型在可視化展示和人機交互場景中的操作卡頓與資源占用多的問題，提高數據量大的三維地質體模型的渲染速度和人機交互流暢度。

Fig.5 Workflow of large-scale 3D geological model visualization and rendering techniques圖5 大規模三維地質模型可視化渲染技術流程

通過集成OpenGL、WebGL 與Three.js 等三維可視化算法庫和技術框架，加載轉換后的三維實景模型、地表正射影像、三維地質模型數據等，將礦山環境及其礦權范圍內的地質結構以立體的方式呈現，輔助礦山用戶在視覺上感知地質特征、地形變化和資源分布。在此基礎上，通過切面技術觀察斷層與地層之間的空間關系，深入認識復雜地質結構和斷層空間分布特征。在三維場景中綜合多種信息展示礦產開采作業的動態變化過程，從不同角度進行分析和對比。通過開挖分析和動態掘進等功能模擬開采過程，以規避地質災害風險，提供更全面的決策支持。

4 系統應用

4.1 測井數據與巷道數據管理與可視化

系統具備測井數據和巷道數據的可視化展示與在線編輯功能，如圖6 所示。通過可視化展示，直觀地觀察與分析測井數據和巷道數據在礦山地質中的分布及特征。通過在線編輯功能，可對測井數據和巷道數據進行編輯與協同設計，實現數據的實時更新和管理。

Fig.6 Visualization editing of mine tunnel data and well data圖6 巷道數據與測井數據可視化編輯

4.2 層面數據管理與可視化

層面數據管理與可視化涉及地層面和斷層面數據的管理、存儲及可視化展示。地層面是指地質體之間的分界面，反映了地質體在不同層次上的空間分布和性質變化。系統通過建立統一的地層面數據庫，對地層面數據進行分類、整理與存儲。系統還提供了地層面透明度調整、顏色編碼等功能，以進行可視化展示，如圖7（a）所示。斷層面表示地質構造中的斷裂面，系統將斷層面數據與地層面數據相關聯，并使用不同顏色或紋理標識斷層面的位置和性質，有助于直觀、準確地理解地質構造的分布和特征，如圖7（b）所示。層面屬性數據可視化則通過將地層面屬性數據與地層面相關聯，以色彩映射或符號圖形的方式展示不同屬性值分布情況。以地表面的高程屬性值可視化為例，如圖8所示。

Fig.8 Visualization effect of surface with assigned attribute values圖8 屬性賦值后的地表可視化效果

4.3 三維模型管理與可視化

三維模型管理與可視化為礦山勘探、規劃和管理提供了強大支持。系統通過統一的三維模型數據庫，對地表傾斜攝影模型、地下巷道激光點云模型和三維地質模型進行分類存儲，并提供檢索、更新和版本管理等功能。通過管理和可視化傾斜攝影模型，系統以真實、立體的方式展現了礦山，并結合礦山內部的實時數據信息，全面展示了各部門管理信息及生產環節的綜合數據。通過處理激光點云數據、構建巷道模型和展示可視化場景，系統提供高精度、具有真實感的巷道環境和支持交互場景展示，有助于人們深入研究巷道結構，從而進行可視化分析與決策，如圖9所示。

Fig.9 Visualization of laser point cloud tunnel model圖9 激光點云巷道模型可視化

系統使用先進的三維渲染引擎技術加載和渲染三維地質模型數據，以精細呈現地質模型的細節、形態和空間特征。系統提供多種可視化形式，如使用不同顏色表示地層體，以展示地質特征和屬性分布的變化趨勢，如圖10（a）所示；通過剪切柵欄面詳細展示與分析礦體分布和地層構造，如圖10（b）所示；在地質模型表面貼上紋理圖像，增加地質表面的真實感，如圖10（c）所示；展示地層的內部結構和分布情況，以及地層的層序、傾角和厚度變化，如圖10（d）所示。

Fig.10 Visualization and interaction of 3D geological model圖10 三維地質模型可視化與交互

系統將來自不同數據源的測井、巷道、斷層面和地層體等多種數據整合在一起（見圖11），并通過可視化技術直觀展示與分析，以幫助深入理解礦山的地質特征、資源分布和地質結構，提供全面的地質信息。

Fig.11 Visualization of multi-source data integration圖11 多源數據集成可視化

5 結論

本文針對目前礦井中存在的問題，即操作復雜、信息無法共享交流以及信息孤島嚴重的問題等，研發了一種基于多源數據集成與WebGIS 的三維礦山空間數據管理系統。該系統以地質、物探、鉆探、采掘和測量等數字化信息為支撐，構建了統一的綜合地質信息數據庫，具備存儲、轉換、管理、查詢、分析和可視化等功能，實現了煤礦生產過程中地質信息的高效管理和數據共享。同時，系統整合了三維實景模型、三維地質模型和地震數據模型，在三維實景的基礎上，融合了三維地震數據和地質數據，并開發了基于Web 的三維軟件系統，實現了一體化的集成顯示。本文工作是對數字礦山建設關鍵技術的重要探索，也是在礦山企業的數字化轉型中針對三維信息系統研發的一次重要嘗試，具有以下亮點：①通過建立統一的綜合地質信息數據庫，系統成功實現了對地質數據的存儲、轉換、管理、查詢、分析和可視化展示等多項功能，有效整合了測井數據、巷道數據、正射影像數據、傾斜攝影數據、激光點云數據、三維地質模型數據、斷層面數據和地層面數據等多種數據類型，使數據有機存儲在統一的數據存儲系統中，解決了數據分散和數據孤島問題；②系統具備實時查詢、計算和分析礦山數據的能力，通過實時獲取最新數據進行計算，監測地質變化和生產狀態，為用戶提供動態的數據分析和決策支持功能。此外，系統提供了用戶界面和多種交互功能，支持用戶進行剖面分析、開挖分析和空間查詢等操作，并支持用戶自主探索礦山的地質特征和資源情況。通過為礦山企業提供準確、及時的數據支持，該系統有助于提升決策的科學性和可行性，從而提高礦山企業的生產效率和安全性。

然而，系統也存在一些不足，主要體現為：①由于多源數據具有不同的格式、結構和編碼方式，因此對數據進行解析、轉換和統一空間坐標是一項復雜的任務。在實際應用中，需要為不同的數據源編寫特定的解析算法和轉換邏輯，從而進一步增加了系統開發和維護的復雜性；②三維數據的可視化是一項計算密集的任務，需要大量計算資源和強大的圖形渲染能力，因此是對系統性能的重大挑戰。特別是在處理大規模數據集或復雜的地質模型時，這種挑戰表現在加載數據和用戶交互過程中，會導致一定程度的延遲，對用戶體驗產生較大影響。因此，為了改善系統性能，需要針對三維模型輕量化進一步展開研究，以減少資源消耗，提高三維數據可視化效率和系統的響應速度。