大型礦山巖土工程可視化模型與應(yīng)用

謝浪

(四川省冶金地質(zhì)勘查院，四川 成都 610051）

科學(xué)可視化是20世紀(jì)80年代后期由美國科學(xué)家提出并發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)。近幾年來，隨著三維可視化技術(shù)的迅速發(fā)展，可視化技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。所謂可視化就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形的方式，以求用更加直觀的方式支持用戶的判斷和理解。具體地說，礦山巖土工程的可視化模型就是通過計(jì)算機(jī)組件對(duì)巖體的地質(zhì)條件，尤其是一些不連續(xù)面的空間展布特征，包括不連續(xù)面的產(chǎn)狀、幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模、結(jié)構(gòu)面密度及其各類結(jié)構(gòu)面相互限制、交切而形成的結(jié)構(gòu)體形態(tài)，進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算與分析，并將計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像信息，再進(jìn)行交互式分析的過程。三維可視化技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中的熱點(diǎn)之一，可視化技術(shù)在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，成為了人類分析和駕馭信息的有力工具，為用戶提供了更加方便、快捷、直觀的顯示手段。而可視化技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用，使得巖土工程中的三維空間問題可視化研究成為可能。

一、可視化技術(shù)簡(jiǎn)介

科學(xué)可視化技術(shù)實(shí)際上是將科學(xué)計(jì)算過程中及計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像信息，并在屏幕上顯示出來，再進(jìn)行交互式分析。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成真實(shí)感三維圖形必須滿足以下4個(gè)基本要求：

1、對(duì)所需模擬的三維場(chǎng)景，通過數(shù)學(xué)的邏輯與方法進(jìn)行幾何描述，并將它們輸入計(jì)算機(jī)。這部分工作可由曲面造型系統(tǒng)或三維立體造型系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿绾芜x用合適的數(shù)學(xué)邏輯與方法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行幾何描述，將直接影響到圖形的準(zhǔn)確性，也將決定整個(gè)圖形繪制的計(jì)算耗費(fèi)，因而，選擇合理有效的數(shù)據(jù)表示方法和較好的邏輯輸入手段顯得極其重要。

2、將三維的立體幾何描述轉(zhuǎn)換為二維投影圖，從而得到場(chǎng)景的透視效。

3、確定出場(chǎng)景中的所有可見面，通過隱藏面消除算法將視域之外或被其他物體遮擋的不可見面消去，從而得到立體場(chǎng)景中所有可見面。

4、計(jì)算場(chǎng)景中所有出現(xiàn)的可見面的顏色，嚴(yán)格地說，就是根據(jù)光學(xué)物理的光照明模型，首先計(jì)算出可見面投射到觀察者眼中的光亮度的大小，分辨出光譜的顏色組成，然后講個(gè)顏色轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備語言的顏色值，從而用通俗的方法表現(xiàn)出投影畫面上每一像素的顏色。最后通過明暗處理模型，具體確定畫面上每一個(gè)面的顏色，最終生成圖形。

二、巖體的三維可視化建模系統(tǒng)

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、井下環(huán)境的多變性、巖土體情況的不確定性和工程的隱蔽性等原因，巖土工程處理的對(duì)象極其復(fù)雜，這使得工程設(shè)計(jì)方案在施工過程中需要不斷根據(jù)具體情況及時(shí)進(jìn)行變更，原來巖體的工程信息主要來自于工程現(xiàn)場(chǎng)，這造成了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性、人為性及滯后性。而通過采用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和有效的建模技術(shù)，就能更加充分、客觀的反映地層的特點(diǎn)，這既便于數(shù)據(jù)的管理和操作，也便于在出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行及時(shí)處理。s

1、數(shù)據(jù)模型

在三維可視化建模系統(tǒng)研究中，數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一組十分關(guān)鍵的問題。對(duì)于非空間實(shí)體，我們可以通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫加以表示，而對(duì)于巖土工程中所涉及的數(shù)據(jù)的具體位置，我們就只能通過建模系統(tǒng)得出其絕對(duì)和相對(duì)的位置?？臻g數(shù)據(jù)模型的一個(gè)中心任務(wù)就是要研究、表述空間實(shí)體及空間關(guān)系。這些研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫與構(gòu)造概念模式的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它直接影響著空間數(shù)據(jù)庫的

2、數(shù)據(jù)組織、空間查詢和空間分析。拓?fù)潢P(guān)系

如何建立、維護(hù)空間元素的拓?fù)潢P(guān)系是三維可視化研究領(lǐng)域中的一個(gè)核心問題。拓?fù)潢P(guān)系的建立使得各種空間的操作與信息查詢易于實(shí)現(xiàn)。拓?fù)潢P(guān)系更加側(cè)重于描述巖土工程的實(shí)際應(yīng)用，它通過空間中的各種體域、組成體域的各種曲面、構(gòu)成曲面的邊界環(huán)、組成環(huán)的

3、弧、弧上的結(jié)點(diǎn)來描述復(fù)雜的地物。建立模型

利用計(jì)算機(jī)組件對(duì)巖體的情況進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬并進(jìn)行可視化分析與研究，最后通過建立三維巖體模型，以便更簡(jiǎn)潔、直觀地研究和分析巖體的形態(tài)及其變化規(guī)律。但在建立巖體三維模型時(shí)，首先要考慮鉆孔的空間位置，這是整個(gè)巖體三維可視化模型的建造基礎(chǔ)。然后從各剖面著手，根據(jù)已有的原始資料，利用巖體在勘探線剖面的投影形狀，、透視特點(diǎn)，構(gòu)建出其空間的大致形態(tài)，從而形成礦體的基礎(chǔ)三維空間模型。最后，可以通過對(duì)模型在空間上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，全面展示出巖體的空間構(gòu)造規(guī)律，從而能夠更加直觀的分析巖體的形態(tài)和空間變化。

三、巖土工程的可視化建模的功能特征

1、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)模塊

對(duì)于工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫建立與之相符合的資料查詢數(shù)據(jù)庫，完善其檢索模塊的操作功能，使其能夠用更簡(jiǎn)單、更直觀的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫間的無縫對(duì)接，并且及時(shí)對(duì)工程所涉及的有關(guān)工程數(shù)據(jù)資料與鉆孔數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理與分析、并將其準(zhǔn)確無誤的錄入到工程數(shù)據(jù)庫中，以方便查詢、檢索所需要的鉆孔、地2層、信息以及工程資料信息。立體模型的顯示與分析

利用計(jì)算機(jī)可視化組件，通過工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫提供的各種數(shù)據(jù)，將形成的立體模型顯示于屏幕，這樣便可以從多個(gè)角度更加直觀地了解地下土層、巖層的分布構(gòu)造情況，并能夠提供更加全面的模擬地層的轉(zhuǎn)動(dòng)、縮放以及切割任意剖面可能造成的不同情況的巖層圖解，這樣便可以讓使用者更加方便地得到指定地層的具體信息。

四、可視化技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用

1、模擬巖土工程信息圖

主要通過對(duì)工區(qū)圖、剖面圖、三維可視化圖形進(jìn)行模擬分析，從而更加直觀的得出巖土工程的具體信息與特點(diǎn)。

工區(qū)圖在反映研究工區(qū)的地理位置、地形特點(diǎn)、地表構(gòu)造等方面扮演著重要的作用。它通過將多種方式的顯示方法進(jìn)行集中與整合，客觀、全面、綜合的顯示出了測(cè)線、鉆孔、斷層和地形等值線圖及其各層位段的分布圖。

剖面圖是地質(zhì)專家們重點(diǎn)應(yīng)用的圖件之一。本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫的剖面信息，將三維影像投影到了二維平面上，從而得到巖層的透視圖，再通過將層位信息和地形信息與圖形繪制功能相結(jié)合，便繪制好了剖面線圖。

三維可視化圖形通過將后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和前臺(tái)的圖形繪圖功能相結(jié)合，從而能夠從不同的角度觀察到剖面的空間地質(zhì)層位的組合情況以及空間的特征變化和斷層特征的變化情況，從而為地質(zhì)專家建立巖土工程的三維空間概念提供了重要的幫助。

2、巖體的三維建模系統(tǒng)，

可視化技術(shù)在地表建模中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，無論是在地質(zhì)巖層研究領(lǐng)、考古領(lǐng)域、還是新型化學(xué)高分子領(lǐng)域，都能看到它的應(yīng)用。例如利用規(guī)則網(wǎng)格或Delaney 三角網(wǎng)建立三維地表模型。三維地質(zhì)實(shí)體模型的開發(fā)、研究也取得了進(jìn)步。

3、巖體的三維數(shù)值模擬分析

在數(shù)值分析中, 三維分析遠(yuǎn)比二維分析更具意義和價(jià)值, 因?yàn)槿S分析可以從更加立體的角度，對(duì)巖層信息進(jìn)行分析與處理，只有通過三維分析,才能得到更加合理、客觀、準(zhǔn)確的結(jié)果。而三維有限元分析的前、后處理功能主要依賴于可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

4、巖體結(jié)構(gòu)的三維可視化研究,

在對(duì)巖土工程的全面性、穩(wěn)定性進(jìn)行分析的過程中, 由于巖土體有別于其他一些勻質(zhì)固體,往往在巖石層接處含有眾多斷層、界面或節(jié)理, 因而其結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和分析。通過三維可視化圖形便能準(zhǔn)確的顯示出結(jié)構(gòu)面，使地質(zhì)工程師直觀地看到巖體結(jié)構(gòu)面空間的幾何形態(tài)、相互關(guān)系和分布，從而使其準(zhǔn)確地進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)地質(zhì)問題作出合理與科學(xué)的結(jié)論和決策。

結(jié)束語

某礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，通過可視化技術(shù)對(duì)巖體進(jìn)行建模，實(shí)質(zhì)上加強(qiáng)了工程師對(duì)巖體空間特征的把握。而更加具體、直觀的地理虛擬環(huán)境圖解，減少了傳統(tǒng)復(fù)雜抽象的符號(hào)，實(shí)現(xiàn)了用戶與模擬系統(tǒng)的交互操作，極大地提高人們對(duì)礦山巖土空間的分析研究能力。

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