三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的集成與研發(fā)

安力立，陳建平，于 淼，于萍萍

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;2．北京市國土資源信息開發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的集成與研發(fā)

安力立1，2，陳建平1，2，于 淼1，2，于萍萍1，2

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;2．北京市國土資源信息開發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

以四川拉拉銅礦山為例，集成三維建模技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等高新技術(shù)，構(gòu)建了一套集三維地質(zhì)模型、虛擬場(chǎng)景漫游、數(shù)據(jù)查詢及二維、三維聯(lián)動(dòng)等功能于一體的完整的三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)為礦山管理、生產(chǎn)和科研服務(wù)提供了有效的綜合平臺(tái)，具有面向公眾的礦山查詢、瀏覽、科普教育的公益性。

數(shù)字礦山;三維地質(zhì)模型;系統(tǒng)集成;拉拉銅礦山;四川

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為了滿足地質(zhì)工作者的需求，找礦勘查等地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料都在逐漸地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。目前，已經(jīng)有許多研究者為實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山的建設(shè)做了多方面的研究，如三維地質(zhì)建模與可視化的研究以及利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建模與展示的研究等(陳建平等，2007;葛雙全等，2008;孟平凡等，2008;魏靜等，2008;向中林等，2009)。但是，利用專業(yè)軟件建立的三維地質(zhì)模型的瀏覽和展示需要借助于專業(yè)單機(jī)軟件，缺少將二維信息數(shù)據(jù)與三維模型結(jié)合、對(duì)模型進(jìn)行自主漫游瀏覽的功能;利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件建立的地質(zhì)模型只是簡(jiǎn)單示范性的，并不能真正地應(yīng)用在研究中。因此，如何將精準(zhǔn)的地質(zhì)模型與仿真的地表模型準(zhǔn)確地放在一個(gè)平臺(tái)上、使所有的二維和三維信息集成在一起，并且可以讓使用者從各個(gè)角度內(nèi)外兼顧地觀察研究、自主操控各種數(shù)據(jù)信息，是數(shù)字礦山建設(shè)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。以四川拉拉銅礦山為找礦基地，集成三維建模技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等高新技術(shù)，并將現(xiàn)有的各種二維、三維數(shù)據(jù)資料與各個(gè)地質(zhì)模型有機(jī)地融合在一起，建立一套集精準(zhǔn)地質(zhì)模型、虛擬場(chǎng)景漫游、數(shù)據(jù)查詢及二維、三維聯(lián)動(dòng)等功能于一體的、完整的三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

數(shù)字礦山的建設(shè)包括建立礦山模型與實(shí)現(xiàn)礦山漫游兩個(gè)方面，是現(xiàn)代礦山信息化研究的重點(diǎn)。系統(tǒng)的構(gòu)建流程可分為3個(gè)階段，即收集多種數(shù)據(jù)資料、構(gòu)建三維模型、系統(tǒng)的集成與實(shí)現(xiàn)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

該系統(tǒng)利用專業(yè)建模軟件建立真實(shí)的地質(zhì)體、巷道、房屋建筑、地表等模型，借助VR軟件的集成功能將各個(gè)模型統(tǒng)一導(dǎo)入，自動(dòng)根據(jù)各自的坐標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)確地組合，將各種二維的地、物、化、遙信息與三維模型有機(jī)融合在一起，豐富地上、地下的屬性信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自主地對(duì)各種物體模型全方位的內(nèi)、外漫游瀏覽與綜合分析研究。

以四川拉拉銅礦山為研究對(duì)象，集成三維建模技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，應(yīng)用Surpac地質(zhì)專業(yè)建模軟件、3ds MAX、GIS以及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)(VRP)等完成整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。

2 拉拉銅礦山虛擬環(huán)境的建立

數(shù)字礦山的建立以整個(gè)礦山為對(duì)象，對(duì)于區(qū)域過大的礦山基地可以分區(qū)式建立多個(gè)礦山模型，最后進(jìn)行整個(gè)礦山的合并與信息集成。建立數(shù)字礦山，需要有定位準(zhǔn)確的地質(zhì)模型做基礎(chǔ)，同時(shí)，地質(zhì)資料越詳細(xì)，模型就越接近真實(shí)地質(zhì)環(huán)境。

研究收集了研究區(qū)的多種地質(zhì)資料，包括礦區(qū)地質(zhì)圖、工程部署圖、中段平面圖、勘探線剖面圖以及礦區(qū)范圍內(nèi)30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和0．5 m分辨率的WorldView-2遙感影像等，對(duì)各種資料進(jìn)行處理，如投影轉(zhuǎn)換、校正、融合、矢量化紙質(zhì)圖件等。

2．1 地形模型

對(duì)于大范圍建立地形地貌，適宜選用GIS軟件，通過獲取的DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)生成地形實(shí)體模型，再將相應(yīng)的遙感影像生成三維立體圖像與地表模型疊加融合(圖2)。

圖2 拉拉銅礦礦區(qū)三維地形模型

結(jié)合高程數(shù)據(jù)的地形影像圖呈現(xiàn)的立體感，可以很直觀地分辨出山脈、河流、低谷以及居民樓所處地勢(shì)。研究者可以隨時(shí)確定某點(diǎn)的具體位置以及地上、地下等周邊環(huán)境，了解地下地質(zhì)構(gòu)造條件。

2．2 地質(zhì)實(shí)體模型

Surpac不僅具有GIS的部分基本功能，還針對(duì)金屬礦勘探、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了細(xì)致、強(qiáng)大的專業(yè)功能模塊，具備多種建模方式，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)操作，模型具有良好的閉合空間結(jié)構(gòu)，是礦山企業(yè)進(jìn)行礦床建模較好的開發(fā)工具(楊文靜等，2007)。

地質(zhì)實(shí)體模型包括礦體、巖體、構(gòu)造、地層等模型。其中，構(gòu)造模型主要為斷裂模型的建立，其他構(gòu)造的模擬需要進(jìn)一步研究。實(shí)體模型一般是利用輪廓線重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建的一個(gè)封閉三角網(wǎng)，即由勘探線剖面上的實(shí)體截面形態(tài)來構(gòu)建的三維實(shí)體表面，其中，各剖面的地質(zhì)解譯是準(zhǔn)確構(gòu)建礦體實(shí)體模型的關(guān)鍵。由專業(yè)軟件建立的地質(zhì)體模型，能夠形象直觀地表達(dá)礦體的產(chǎn)狀、幾何形態(tài)以及空間分布，從而輔助科研人員研究礦體與圍巖、地層、構(gòu)造的關(guān)系及成礦規(guī)律，進(jìn)而對(duì)隱伏礦體作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。圖3、圖4、圖5為拉拉銅礦礦區(qū)的地層、巖體、礦體的實(shí)體模型。

2．3 二維信息與三維模型的集成

在找礦過程中收集到的各方面與地質(zhì)科研(地、物、化、遙)、生產(chǎn)管理等相關(guān)的圖件，都具有大量有用的信息，將這些二維資料與三維模型有機(jī)結(jié)合起來，解決了各種資料數(shù)據(jù)、圖像長期不能共同配準(zhǔn)顯示在一個(gè)平臺(tái)上的難題，從而為地質(zhì)工作者或管理者提供了多信息、多角度進(jìn)行綜合分析研究的平臺(tái)。圖6為拉拉銅礦礦區(qū)的半透明地質(zhì)圖與地形模型的疊加融合顯示。

圖6 拉拉銅礦礦區(qū)地質(zhì)圖與地表融合模型

如圖6所示，帶有地形起伏的地質(zhì)圖與地形融為一體，在真實(shí)地形背景的基礎(chǔ)上了解地質(zhì)環(huán)境的具體分布，為研究者建立了兩者的空間相關(guān)性，為靶區(qū)找礦、勘查路線等提供了有效的指導(dǎo)途徑。

3 數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的建立

構(gòu)建的地質(zhì)體、地表等模型等都是孤立顯示的，利用具有獨(dú)特的實(shí)時(shí)操縱及交互功能的VRP虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，將所有的模型以坐標(biāo)為基礎(chǔ)整合在一起，來完成整個(gè)礦山信息系統(tǒng)的建立。

3．1 模型的導(dǎo)入及交互開發(fā)

將各個(gè)模型在3ds MAX中烘焙以后再導(dǎo)入VRP中。烘焙的物體在VRP中可呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的物體陰影，使整個(gè)虛擬世界變得更加真實(shí);同時(shí)，地質(zhì)體模型也具有了一定的紋理，使其更逼近真實(shí)的物體表面。導(dǎo)入之后就需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行交互開發(fā)，為瀏覽漫游、研究分析等提供便利的操作環(huán)境，系統(tǒng)功能的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)是該系統(tǒng)最終建立的關(guān)鍵步驟(圖7)。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

3．2 信息查詢、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、獲取剖面圖等功能

圖8 地層信息查詢界面

3．2．1 信息查詢 對(duì)于單調(diào)的礦山模型，信息查詢的功能豐富了系統(tǒng)的研究環(huán)境，為專業(yè)人員的研究提供了詳細(xì)的輔助信息，為大眾提供了一個(gè)直觀學(xué)習(xí)、了解礦山及地質(zhì)環(huán)境的平臺(tái)(圖8)。同時(shí)，實(shí)拍圖片的加載顯示，可以彌補(bǔ)影像分辨率低的問題，清晰地展示一些重要的地點(diǎn)環(huán)境等(圖9)。

圖9 實(shí)拍照片加載顯示功能

3．2．2 實(shí)時(shí)導(dǎo)航與實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示 導(dǎo)航系統(tǒng)的建立是通過將導(dǎo)航圖坐標(biāo)同三維場(chǎng)景坐標(biāo)建立線性關(guān)系，捕捉導(dǎo)航圖上的位置坐標(biāo)，通過線性變換定位到三維場(chǎng)景中的實(shí)際坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航的功能;實(shí)時(shí)坐標(biāo)的顯示是通過添加Lua函數(shù)實(shí)現(xiàn)的(圖10)。添加了實(shí)時(shí)導(dǎo)航與實(shí)時(shí)坐標(biāo)功能，在瀏覽操作過程中，就可以更快更準(zhǔn)確地定位虛擬場(chǎng)景中實(shí)體對(duì)象所在的空間位置以及周圍的環(huán)境情況。

圖10 實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示

3．2．3 獲取二維剖面 將二維信息與三維模型疊加融合，實(shí)現(xiàn)了二維資料和三維模型的統(tǒng)一管理。而本功能是由三維模型獲取二維信息，實(shí)現(xiàn)了二維與三維信息間的轉(zhuǎn)換功能。對(duì)已有的三維模型進(jìn)行任意剖切，獲取任意方向的地質(zhì)剖面圖，并能以圖像文件格式輸出，為地質(zhì)工作者提供任意方向的剖面信息，更好地輔助找礦和地質(zhì)勘查研究。圖11為系統(tǒng)中利用切剖面功能獲取的地質(zhì)體的二維剖面，并附有圖例信息。

圖11 三維模型任意剖切生成二維剖面

圖11為實(shí)現(xiàn)該功能的操作界面，可以根據(jù)實(shí)際研究需要，通過選擇對(duì)應(yīng)的地質(zhì)信息選項(xiàng)，對(duì)獲取的剖面信息有針對(duì)性地選擇或隱藏。

3．3 系統(tǒng)的發(fā)布方式

三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)在集成開發(fā)完成后，可以生成可獨(dú)立執(zhí)行的．exe文件任意移植使用;也可以VRPIE文件輸出發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上供大眾下載使用。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了脫離專業(yè)軟件平臺(tái)使用的可能性，同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)也擴(kuò)大了系統(tǒng)使用的廣泛性，使數(shù)字礦山系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特有的科研管理、科普展示等價(jià)值。

4 結(jié)論

為完善數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的建設(shè)，添加了仿真三維地質(zhì)模型，從而為模擬地質(zhì)現(xiàn)象、成礦預(yù)測(cè)、儲(chǔ)量計(jì)算、礦山安全及其設(shè)計(jì)規(guī)劃等提供更準(zhǔn)確、更實(shí)用的研究途徑。利用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了二維、三維地質(zhì)、礦山相關(guān)資料相互融合的統(tǒng)一應(yīng)用管理模式;實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自主漫游、人機(jī)交互操作、礦山和地質(zhì)信息查詢、實(shí)時(shí)導(dǎo)航與實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示、任意獲取二維剖面等功能，并能生成獨(dú)立的．exe執(zhí)行文件，脫離專業(yè)的軟件平臺(tái)使用。完整的數(shù)字礦山信息系統(tǒng)，不僅服務(wù)于科研與管理人員的研究，同時(shí)也面向公眾普及礦山、地質(zhì)等相關(guān)知識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研需求與公益性服務(wù)的一體化。

5 致謝

本次研究得到了四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局及其四〇三地質(zhì)隊(duì)的支持與協(xié)助，并與北京市國土資源信息開發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的其他成員一起完成了三維地質(zhì)建模工作，在此表示誠摯的感謝!

陳建平，呂鵬，吳文，等．2007．基于三維可視化技術(shù)的隱伏礦體預(yù)測(cè)［J］．地學(xué)前緣，14(5)：54－62．

陳建平，陳勇，朱鵬飛，等．2011．?dāng)?shù)字礦床模型及其應(yīng)用［J］．地質(zhì)通報(bào)，30(5)：630 －641．

葛雙全，鄭澎，趙瑛峰，等．2008．基于Vega的礦山虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．工礦自動(dòng)化，(2)：5－8．

李君君，王志章，張枝煥，等．2011．精細(xì)三維地質(zhì)模型構(gòu)建［J］．新疆石油地質(zhì)，32(5)：484 －486．

孟平凡，楊艷初，孫甲鵬，等．2008．基于VRP虛擬礦山系統(tǒng)的研究［J］．礦山機(jī)械，36(22)：35－39．

魏靜，蔣國璋，侯守，等．2008．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦山仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］．礦山機(jī)械，36(4)：56 －58．

王麗梅，陳建平，唐菊興．2010．基于數(shù)字礦床模型的西藏玉龍斑巖型銅礦三維定位定量預(yù)測(cè)［J］．地質(zhì)通報(bào)，29(4)：565 －570．

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朱升，徐震．2010．基于Google Earth和Geoserver的三維油田地理信息系統(tǒng)［J］．地質(zhì)學(xué)刊，34(4)：386－390．

曾文波，朱元超，馬春，等．2011．三維地質(zhì)建模與儲(chǔ)量估算在印尼某鐵礦的應(yīng)用研究［J］．地質(zhì)學(xué)刊，35(2)：160－163．

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Integration and exploitation of 3D digital mine information system

AN Li-li1，2，CHEN Jian-ping1，2，YU Miao1，2，YU Ping-ping1，2

(1．China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2．Beijing Key Laboratory of Development and Research for Land Resources Information，Beijing 100083，China)

Taking Lala copper mine as an example，the authors constructed a complete 3D digital mine information system integrated all kinds of function about 3D geological model，virtual scene roaming，data search，linkage of 2D and 3D data，and so on．The system provided an effective and comprehensive platform for the mine management and production and scientific research service，etc．It was of important significance to mine information inquiry，browsing and science populization．Also，it was a one-stop comprehensive service platform for multi-purpose，multi-level and multi-stage with combination of production，schooling and research．

Digital mine;3D geological model;System integration;Lala copper mine，Sichuan

TD175;TP319

A

1674－3636(2012)03－0280－05

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．280

2012－05－20;編輯：侯鵬飛

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201011002)

安力立(1988— )，女，碩士研究生，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，E-mail：siyuyuanyou@126．com