三維礦區(qū)模型實(shí)現(xiàn)礦業(yè)權(quán)動(dòng)態(tài)監(jiān)管

陳偉東 馬奎羽 王東劍 高 波

（河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050081）

三維礦區(qū)主要包括礦區(qū)三維地質(zhì)模型、三維激光掃描點(diǎn)云模型、全景虛擬井巷工程模型。礦區(qū)三維地質(zhì)模型以礦區(qū)地表數(shù)字高程模型（DEM）、遙感衛(wèi)星圖像、工業(yè)廣場、地勘資料、采掘生產(chǎn)圖件及儲量核查數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，構(gòu)造礦區(qū)三維地質(zhì)模型，展示礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)，直觀表現(xiàn)當(dāng)前資源賦存狀況，充分利用礦業(yè)權(quán)核查數(shù)據(jù)掌握各類礦區(qū)布局狀況，利用儲量核查成果數(shù)據(jù)掌握礦區(qū)點(diǎn)上資源信息；三維激光掃描點(diǎn)云模型主要采用三維激光掃描數(shù)據(jù)建立井巷工程實(shí)體模型，紋理貼圖采用全景照片，展示井巷工程真實(shí)狀況；全景虛擬井巷工程主要采用應(yīng)用照片處理軟件將照片處理為可以360度旋轉(zhuǎn)的全景照片文件，再使用開發(fā)軟件和巷道路徑數(shù)據(jù)將每個(gè)點(diǎn)的全景照片文件按照指定坐標(biāo)分布在巷道上，最后將軟件集成到礦政信息及三維動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)中。

礦山的三維動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)流程共分為五個(gè)部分，技術(shù)流程圖如圖1所示。

圖1 礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集流程圖

1 三維礦區(qū)模型的建立

建立礦井虛擬現(xiàn)實(shí)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為三維激光掃描成果數(shù)據(jù)，紋理采用全景照片。

1.1 建模

巷道模型根據(jù)三維激光掃描成果數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)模型，比對礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、巷道斷面形狀圖、巷道照片數(shù)字化優(yōu)化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的真實(shí)空間構(gòu)造。參考三角網(wǎng)模型和全景照片提取礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，包括供電、排水、設(shè)備、路標(biāo)等對象，重新構(gòu)造模型。具體建模方法為：首先根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇基本的幾何體，比如風(fēng)窗選擇Box，液壓支柱選擇CyIin-der；對基本幾何體的點(diǎn)、面、邊界進(jìn)行詳細(xì)加工；根據(jù)實(shí)際情況對設(shè)備表面材質(zhì)設(shè)定。

1.2 紋理貼圖

貼圖紋理采用同步采集的全景照片，全景照片數(shù)據(jù)源包括照片編號、位置點(diǎn)坐標(biāo)、全景照片。貼圖時(shí)按模型空間位置檢索全景照片位置點(diǎn)坐標(biāo)，查找照片編號裁切照片，裁切粒度依據(jù)巷道模型三角面特征，將裁切紋理應(yīng)用到模型面。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)模型瀏覽

虛擬模型瀏覽采用VRPIE工具，該工具可在WEB上實(shí)現(xiàn)全三維場景的瀏覽和交互。

2 三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管

動(dòng)態(tài)監(jiān)管管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)利用礦山生產(chǎn)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)建立的三維激光掃描點(diǎn)云模型和三維地質(zhì)模型對礦山采掘情況進(jìn)行監(jiān)督，同時(shí)為礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)提供災(zāi)害定位與事故處理提供信息服務(wù)。

2.1 越層越界檢查

進(jìn)行礦區(qū)越界、超采分析：結(jié)合礦業(yè)權(quán)核查數(shù)據(jù)庫中核查結(jié)果，利用采掘工程圖和三維地質(zhì)模型，進(jìn)行礦山開采現(xiàn)狀與礦業(yè)權(quán)審批范圍進(jìn)行對比，計(jì)算采掘工程空間位置與礦業(yè)權(quán)邊界坐標(biāo)，報(bào)告越層越界情況。

圖2 越層越界檢查

2.2 儲量動(dòng)態(tài)監(jiān)測

與儲量核查數(shù)據(jù)、礦山儲量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)示范礦山儲量動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能。

系統(tǒng)根據(jù)各礦業(yè)權(quán)的儲量報(bào)表、壓覆礦產(chǎn)，占用礦產(chǎn)、查明礦產(chǎn)等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)全省各礦種的儲量、基礎(chǔ)儲量、資源量等數(shù)據(jù)，從而為儲量動(dòng)態(tài)監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支持。通過使用礦山儲量登記、報(bào)表、臺賬，各勘查區(qū)儲量報(bào)告等數(shù)據(jù)，來生成礦山或礦區(qū)儲量統(tǒng)計(jì)報(bào)表，省、市、縣各礦種各類儲量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 地上下集成數(shù)據(jù)模型查詢

地上下集成數(shù)據(jù)模型指將地表的地貌模型與工業(yè)廣場模型和地下的采掘工程、三維地質(zhì)模型、點(diǎn)云模型集成在一個(gè)三維控件中，同時(shí)滿足采掘工程布設(shè)空間位置瀏覽、井巷實(shí)景瀏覽和地質(zhì)條件觀察和資源量計(jì)算的要求。

系統(tǒng)將以礦山為單位集成管理地表模型、礦體及屬性模型、巷道模型、全景圖片、點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)提供以礦山巷道為單位的數(shù)據(jù)查詢功能，支持用戶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全景圖片查詢，如圖3所示。

圖3

2.4 快速三維模型建立

通過實(shí)測井下采掘工程繪制圖件、導(dǎo)線測量、巷道截面等數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換生成三維巷道模型，測量數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)化處理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，按巷道名稱、節(jié)點(diǎn)次序記錄，在生成巷道時(shí)順次生成三維采掘工程模型，結(jié)合礦井設(shè)備三維模型，重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)，在三維空間展現(xiàn)，與三維地質(zhì)模型套合，為生產(chǎn)管理服務(wù)。

使用數(shù)據(jù)：巷道測量數(shù)據(jù)、井口坐標(biāo)、設(shè)備坐標(biāo)等，輔助的參數(shù)數(shù)據(jù)包括，巷道斷面參數(shù)、井筒參數(shù)、設(shè)備類型、巷道類型、主要礦種等，可以生成數(shù)據(jù)：巷道三維模型、三維采掘系統(tǒng)模型等。

2.5 災(zāi)害處理預(yù)案

綜合礦體三維地質(zhì)模型、點(diǎn)云實(shí)體模型和井巷快速建模構(gòu)建精確礦山沙盤，具備真實(shí)坐標(biāo)，準(zhǔn)確反映礦區(qū)地上地下位置、采掘工程的精確空間位置，地下每個(gè)空間位置均具有三維坐標(biāo)，在發(fā)生突水、瓦斯突出、冒頂?shù)仁鹿市枰獡岆U(xiǎn)救援時(shí)可準(zhǔn)確確定險(xiǎn)情位置，空間定位掘進(jìn)或鉆探生命通道，為搶險(xiǎn)救災(zāi)實(shí)施方案提供信息支持。

2.5.1 災(zāi)害點(diǎn)定位

當(dāng)發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，依據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)單位報(bào)告的事發(fā)位置，在礦區(qū)三維集成模型中依據(jù)坐標(biāo)、井巷名稱標(biāo)記災(zāi)害點(diǎn)，查詢事故發(fā)生位置的地質(zhì)和采掘生產(chǎn)狀況，了解周邊設(shè)備情況，以及通風(fēng)生產(chǎn)安全設(shè)備，做到對災(zāi)害和發(fā)生地周圍情況的清楚，便于制定災(zāi)害處置方案。

2.5.2 鉆探定位

在標(biāo)記災(zāi)害點(diǎn)位置后，依據(jù)巷道地形狀況和生產(chǎn)安全設(shè)施狀況，確定可能的人員藏匿位置，當(dāng)不能快速解救事故人員時(shí)，需要鉆探生命通道輸送食品時(shí)，在地表確定鉆探位置并標(biāo)記，計(jì)算鉆探深度，鉆探需要穿越的地層，輸出報(bào)告，為鉆探工程的部署提供參數(shù)依據(jù)，快速實(shí)施事故救援，減少事故損失。

2.6 量算功能

根據(jù)采空區(qū)、工作面、地質(zhì)三維模型等數(shù)據(jù)可以對礦山采掘情況進(jìn)行量測，比如計(jì)算采空區(qū)空間大小、工作面大小、礦石開采量等，量測巷道寬度、高度等，與礦山企業(yè)上報(bào)的礦石開采量、占用儲量等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為礦山日常監(jiān)督提供數(shù)據(jù)支持。

三維動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)初步建設(shè)完成，建立礦產(chǎn)資源管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)更新、查詢統(tǒng)計(jì)；建立了礦政業(yè)務(wù)管理功能流程，實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)權(quán)設(shè)置分析、規(guī)費(fèi)計(jì)算、規(guī)劃設(shè)計(jì)、壓覆計(jì)算等日常業(yè)務(wù)；建立了礦產(chǎn)生產(chǎn)監(jiān)督機(jī)制，通過三維測量成果和三維地質(zhì)模型，動(dòng)態(tài)計(jì)算分析礦山資源采掘，真實(shí)重現(xiàn)礦山采掘系統(tǒng)，為礦區(qū)生產(chǎn)監(jiān)督提供有力工具。