三維地學(xué)建模在數(shù)字礦山建設(shè)中的重要作用

張慧慧

（遼寧省交通高等專科學(xué)校 測繪系，遼寧 沈陽110122）

0 引言

1998年1月31日，前美國總統(tǒng)戈?duì)柼岢?“數(shù)字地球”(Digital Earth，簡稱DE)概念，引起了全世界學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注。許多學(xué)者在這基礎(chǔ)上根據(jù)自己國家的實(shí)際情況開展了多方面的研究工作。1998年10月，江澤民在接見兩院院士時，提出了構(gòu)建數(shù)字中國(Digital China，簡稱DC)的戰(zhàn)略構(gòu)想，并與各位院士研討實(shí)施DC的行動計劃。

根據(jù)國家“十五”計劃對企業(yè)信息化的要求，利用信息化帶動礦山等傳統(tǒng)企業(yè)。合理地開發(fā)礦業(yè)資源,維護(hù)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào),必須有賴于信息系統(tǒng)技術(shù)?，F(xiàn)在,各行各業(yè)要發(fā)展“數(shù)字化”技術(shù)已成為必然,礦業(yè)也不例外,“數(shù)字礦山”(Digital Mine)必將成為“數(shù)字中國(Digital China)”的主要部分之一。

1 數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)

1.1 我國構(gòu)建數(shù)字礦山存在的問題

近年來，中國礦山行業(yè)的信息化建設(shè)雖然取得了較大發(fā)展，但總體狀況仍然很不樂觀。中國礦山在礦山勘察、規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、管理、全過程監(jiān)控等信息化“軟”領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)采礦國家的差距越來越大。遙控采礦、無人工作面甚至無人礦井等已在加拿大、美國、德國、澳大利亞等國成為現(xiàn)實(shí)。加拿大從20世紀(jì)90年代初就開始研究遙控采礦技術(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個采礦過程的遙控操作，現(xiàn)已研制出樣機(jī)系統(tǒng)，并在INCO公司的幾個地下鎳礦試用。目前我國礦山行業(yè)信息化程度差、信息基礎(chǔ)設(shè)施落后、信息化管理決策水平低，是礦山企業(yè)安全形勢得不到有效改善的根本原因。構(gòu)建數(shù)字礦山，以信息化、自動化和智能化帶動采礦業(yè)的改造與發(fā)展，開創(chuàng)安全、高效、高產(chǎn)、綠色和可持續(xù)的礦業(yè)發(fā)展新模式，是中國礦業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。

1.2 三維地學(xué)建模

在整個“數(shù)字礦山”的龐大信息系統(tǒng)中，三維地學(xué)建模是系統(tǒng)的核心組成部分，技術(shù)最為復(fù)雜。中國礦業(yè)大學(xué)的吳立新教授曾做出如下的定義：三維地學(xué)建模是由勘探地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像學(xué)、科學(xué)可視化等學(xué)科交叉而形成的一門新型學(xué)科。由此可見，三維地學(xué)建模不但有著很強(qiáng)的地學(xué)專業(yè)背景，而且也是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科問題。

1.2.1 三維地學(xué)建模的特征

從計算機(jī)圖形學(xué)的角度來說，三維地學(xué)建模既不屬于原始設(shè)計模式的建模，也不是嚴(yán)格的逆向工程建模，這主要是由三維地學(xué)建模的建模數(shù)據(jù)來源所造成的。本文總結(jié)了地學(xué)建模的數(shù)據(jù)來源有三個特征。

（1）稀疏性。地學(xué)建模的數(shù)據(jù)來源目前主要是靠鉆孔數(shù)據(jù)、勘測數(shù)據(jù)以及礦山開拓工程數(shù)據(jù)。在前期的地質(zhì)勘探過程中，地學(xué)的建?；臼峭耆揽裤@孔獲得建模原始數(shù)據(jù)，成本非常高，不可能大量的采集數(shù)據(jù)。所以，實(shí)際工程中只能采集非常稀疏的、離散的且分布不規(guī)則采樣數(shù)據(jù)，而礦山地質(zhì)空間數(shù)據(jù)往往又是連續(xù)、復(fù)雜多變的，這給建模工作帶來了很大的困難。

（2）不確定性。由于數(shù)據(jù)的稀疏性的因素，為了獲得滿足三維建模需要的數(shù)據(jù)量，必須依據(jù)現(xiàn)有的勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。目前常用的這些方法僅僅是對礦體形貌的一個“較為可靠”的估計，在這個“較為可靠”的估計下面有很大的不確定性。

（3）地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性。由于斷層、褶皺、巖石夾層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的存在，這些復(fù)雜的和無規(guī)律的因素使得地學(xué)建模的復(fù)雜度大大增加，也使得地學(xué)的建模復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的類似的建模應(yīng)用。像基于CT掃描數(shù)據(jù)的建模等領(lǐng)域，現(xiàn)實(shí)生活中是可以找到參考模型作為引導(dǎo)，有一定的規(guī)律可循，而礦體模型幾乎沒有任何規(guī)律可循。

1.2.2 地學(xué)建模的主要方法

在過去的十幾年中，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于三維地學(xué)建模這個難題從理論上進(jìn)行了較深入的研究，提出了多種三維地學(xué)空間模型或建模方法。其中不少方法已經(jīng)在商品化的數(shù)字礦山軟件中得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。從三維建模方法的基本元素來看，可以分為基于面表示的模型、基于體元的模型和混合數(shù)據(jù)模型。由于三維地學(xué)建模需要對礦體的屬性的品位等信息進(jìn)行詳細(xì)的描述，所以三維地學(xué)建模須采用體元模型法建模，也可以由表面模型柵格化為體元模型。

地學(xué)(空間)數(shù)據(jù)模型的研究能為地質(zhì)科學(xué)數(shù)據(jù)的共同理解提供基礎(chǔ)。在己有數(shù)據(jù)模型或建模中，由于側(cè)重于項(xiàng)目需求的建模，加上受于個人數(shù)據(jù)庫技術(shù)的限制，使領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)建模在數(shù)據(jù)(實(shí)體)、數(shù)據(jù)(實(shí)體)之間的聯(lián)系以及有關(guān)語義約束規(guī)則的形式化描述，數(shù)據(jù)模型規(guī)定數(shù)據(jù)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、行為和語義方面缺乏一致性描述，這在一定程度上影響了為地質(zhì)科學(xué)數(shù)據(jù)的共同理解基礎(chǔ)，而且使基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型可以被設(shè)計成能夠適合各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)能力也相當(dāng)有限。因此根據(jù)目前數(shù)據(jù)模型技術(shù)發(fā)展趨勢，需要建立地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型來滿足需求。

三維地質(zhì)建模要求對大量地球空間信息進(jìn)行三維描述,主要任務(wù)是用一定的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來有效地描述和表達(dá)地質(zhì)體本身以及地質(zhì)體間復(fù)雜的關(guān)系,提供豐富的地層、斷層、構(gòu)造等三維建模方法,可自定義模型,擴(kuò)展多種模型,提供模型庫管理。3DGIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很好地滿足這些要求。利用三維GIS可以將一維、二維地質(zhì)體置于三維立體空間中考慮,區(qū)分出一維、二維對象在垂直方向上的變化。3DGIS的首要特色是能對2.5維、三維對象進(jìn)行可視化表現(xiàn),存儲的是它們真實(shí)的幾何位置與空間拓?fù)潢P(guān)系,3DGIS結(jié)合可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星影象等技術(shù),專家們提出了第四代GIS的新概念,即以三維數(shù)據(jù)為研究和應(yīng)用對象,在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)用和交流。新一代的地理信息系統(tǒng)(GIS)不僅具備極強(qiáng)的海量地質(zhì)空間數(shù)據(jù)管理功能,還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)優(yōu)化建模、數(shù)據(jù)自動獲取和修改、數(shù)據(jù)查詢和分析、圖形圖像可視化(GIS)等功能,是地質(zhì)空間信息可視化的最佳環(huán)境。3DGIS的開發(fā)應(yīng)用充分考慮未來三維地學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力的提高,以便受益于現(xiàn)代地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)步。3DGIS研究計算機(jī)技術(shù)與空間地理分布數(shù)據(jù)的結(jié)合,通過一系列空間操作和分析方法,為地球科學(xué)提供有用信息。

2 結(jié)束語

三維地學(xué)建模技術(shù)是數(shù)字礦山的核心技術(shù)之一。隨著數(shù)字礦山技術(shù)的日趨成熟，數(shù)字礦山的建設(shè)已經(jīng)從概念走到了現(xiàn)實(shí)世界中。并且，伴隨著非可再生資源的日益緊張，資源價格日益上漲，我國的礦山開采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也得到了很大的改善，對數(shù)字礦山的建設(shè)提供了很好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。同時，礦山開采企業(yè)在朝著集約化、規(guī)?；牡缆钒l(fā)展，對信息化管理的手段需求日益迫切。國家也在一直提倡用信息化改造傳統(tǒng)工業(yè)，提升傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展水平和信息化水平。數(shù)字化信息化的進(jìn)程將使得礦山開采企業(yè)從中獲益，能夠顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率和降低人力成本?？梢杂谩拔逵小眮砀爬ㄉ厦娴脑挕屑夹g(shù)、有財力、有需求、有政策、有效益?？傊瑪?shù)字礦山的建設(shè)可謂是正逢其時，改善我國的數(shù)字礦山建設(shè)的落后局面顯得異常迫切。

［1］徐豁,等.礦業(yè)地理信息系統(tǒng)及數(shù)字礦山若干問題探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003,8.

［2］李梅，董平，毛善君，等.地質(zhì)礦山三維建模技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005.

［3］胡金星,吳立新,楊可明,等.三維地學(xué)模擬體視化技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報,1999,24(4):345-348.

［4］吳立新.數(shù)字地球、數(shù)字中國與數(shù)字礦區(qū)[J].礦山測量,2000(1):6-9.

［5］程朋根,龔健雅.地質(zhì)礦山中三維GIS數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用問題[J].礦山測量,1999(2):14-18.