利用三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行煤區(qū)水害管理

王勝雙　趙智超

摘要；為了對(duì)煤田的勘探以及開(kāi)采提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持以及服務(wù)，煤田技術(shù)勘探人員結(jié)合了電磁法所進(jìn)行的勘探的主要特點(diǎn)，同時(shí)利用了三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了具有便捷、靈巧等各種特點(diǎn)的三圍電阻率可視化的軟件系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用以及鉆探中我們可以證實(shí)，三維阻率視圖在對(duì)整個(gè)煤礦的開(kāi)采地區(qū)出現(xiàn)的水患分布位置以及集水區(qū)以及導(dǎo)水區(qū)進(jìn)行精確確定的方面，取得了極其良好的效果。

關(guān)鍵詞：三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)；煤區(qū)；水害管理

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）07-0211-02

隨著我們國(guó)家科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及勘探技術(shù)的不斷提高，利用電磁法進(jìn)行勘探的技術(shù)應(yīng)用也在呈現(xiàn)出不斷飛速發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)人們對(duì)地質(zhì)成果所能提供的信息量要求也呈現(xiàn)出飛速上升的趨勢(shì)。為了能夠更好地表現(xiàn)出電磁法本身的成果，更好地對(duì)所要研究的重點(diǎn)區(qū)域以及對(duì)象進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于電磁法的反演成果進(jìn)行必要的完善以及更加直觀的表達(dá)就成為了一項(xiàng)必不可少的任務(wù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們主要結(jié)合了電磁法進(jìn)行勘探的特點(diǎn)，對(duì)我們所要進(jìn)行研究的區(qū)域以及對(duì)象進(jìn)行了更加深入的認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)了電磁法的三維數(shù)據(jù)體可視化的軟件。軟件可以根據(jù)不同的情況對(duì)電磁法的三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行充分的描述，在整個(gè)三維空間當(dāng)中進(jìn)行展示，這樣就可以在整個(gè)地質(zhì)體的層面上對(duì)相應(yīng)觀測(cè)物，比如說(shuō)水流分布，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律展示，這樣就使得我們對(duì)于構(gòu)造以及斷層和地質(zhì)體的屬性做出一種立體化的合理解釋，同時(shí)能夠解釋相應(yīng)地質(zhì)形態(tài)發(fā)生或者是變化的規(guī)律以及其影響范圍。也就是說(shuō)，我們可以根據(jù)煤礦被監(jiān)測(cè)的區(qū)域進(jìn)行資料化的分析，預(yù)測(cè)起相應(yīng)的存在狀態(tài)，直接或者是間接的保護(hù)煤炭開(kāi)采的安全。

1三維可視化簡(jiǎn)析

瞬變電磁法也被稱為TEM，是一種經(jīng)常被使用到的地球物理的勘探方法，這種方法在查明采空區(qū)、對(duì)巖溶發(fā)育帶進(jìn)行探測(cè)以及相應(yīng)的帶的搜尋具有極其廣泛的應(yīng)用范圍。在整個(gè)勘查的過(guò)程當(dāng)中，我們基于時(shí)間成本的考慮，不會(huì)類似地面勘察一樣把測(cè)點(diǎn)設(shè)置的一樣緊密。但是在另一個(gè)方面，很多測(cè)試點(diǎn)也會(huì)因?yàn)闂l件所限制，比如地形或者是地面建筑等方面而實(shí)行探測(cè)。我們從另一個(gè)方面可以知道，TEM在整個(gè)野外采集的數(shù)據(jù)當(dāng)中也有很多因素能夠?qū)ζ錅?zhǔn)確性產(chǎn)生影響。為了盡量降低這些影響對(duì)于觀測(cè)人員的數(shù)據(jù)判斷所造成的影響，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)人員必須要對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)還要對(duì)全數(shù)據(jù)進(jìn)行全區(qū)視電阻率轉(zhuǎn)換以及其反演。但是我們給予其勘探方式本身的特征，在其深度的方向上往往會(huì)出現(xiàn)淺層采樣密集但是深層測(cè)采樣稀疏的不平衡特征。這樣就直接會(huì)造成一個(gè)結(jié)果：空間整體采樣數(shù)量不足，同時(shí)這也會(huì)直接對(duì)目標(biāo)本體的研究產(chǎn)生相應(yīng)的影響。在這里我們特別要提起的問(wèn)題就是，在這種情況下，我們必須考慮要對(duì)空間分布相對(duì)來(lái)說(shuō)比較稀疏的點(diǎn)進(jìn)行插值，并同時(shí)要充分考慮到相應(yīng)的網(wǎng)格問(wèn)題：淺層要充分使用小網(wǎng)格，深層則需要充分利用大網(wǎng)格進(jìn)行輔助。這樣的結(jié)合直接的結(jié)果就是淺層的精度可以被保證，同時(shí)網(wǎng)格的數(shù)量不至于過(guò)大。我們把綜合反演的結(jié)果和其他之前就獲得的地質(zhì)資料進(jìn)行充分的結(jié)合，并同時(shí)要按照測(cè)線、測(cè)點(diǎn)以及測(cè)定深度和電阻率的格式進(jìn)行充分結(jié)合以及推算，便能夠得出一個(gè)在空間分布趨勢(shì)上十分合理但是同時(shí)又方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速顯示的三維數(shù)據(jù)體。

根據(jù)我們長(zhǎng)時(shí)間的三維信息數(shù)據(jù)研究成果的積累可以知道，數(shù)據(jù)是信息的載體，但是反過(guò)來(lái)說(shuō)，信息也是整個(gè)數(shù)據(jù)所要進(jìn)行表達(dá)的內(nèi)涵。也就是說(shuō)，電磁法所產(chǎn)生的空間三維數(shù)據(jù)能夠十分準(zhǔn)確地反映出來(lái)整個(gè)空間本身的電性變化，這就屆于標(biāo)量場(chǎng)，也就是說(shuō)，這些所獲得的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)除了具有一般數(shù)據(jù)所擁有的相應(yīng)基本特征之外還同時(shí)具有以下的四個(gè)重要特征，級(jí)空間性特征，抽向性特征，多態(tài)性特征，以及多時(shí)空性特征。進(jìn)行電磁法對(duì)勘探資料的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行充分緩緩以及三維化和可視化，就是要充分表現(xiàn)出這個(gè)三位的數(shù)據(jù)體在空間上的相應(yīng)特征，用一種多維立體的表現(xiàn)方式對(duì)被觀測(cè)的模型進(jìn)行建維行動(dòng)。如果我們對(duì)相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行三維化數(shù)據(jù)體標(biāo)注，就是要把這個(gè)區(qū)域用{A，B，C，D}進(jìn)行標(biāo)記。這其中，A代表著測(cè)線，B代表著橫測(cè)線，C則代表著采樣點(diǎn)的深度精確值，D則代表著采樣點(diǎn)所產(chǎn)生的電阻值。通過(guò)四個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行精確定位的可視化的計(jì)算方法，在通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式當(dāng)中就可以使用電腦所建立的三維空間數(shù)據(jù)的場(chǎng)所對(duì)其進(jìn)行充分構(gòu)造，對(duì)于中間的幾何圖元單位，即平面或者是曲面等等進(jìn)行粗略的繪定，再同時(shí)由傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形制定技術(shù)對(duì)其畫(huà)面進(jìn)行三維成像方向上的繪制。這其中的代表就是，利用計(jì)算機(jī)程序所繪制出的三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)抽出的等值面。這個(gè)時(shí)候我們還可以利用直接體繪制的算法，來(lái)對(duì)電磁法所描繪出的三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行相應(yīng)的可視化操作。

當(dāng)我們把這個(gè)算法進(jìn)行程序化調(diào)整之后，我們就可以根據(jù)所給定的電磁法三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行以下四大面的數(shù)據(jù)顯示：首先是立體表面，其次是縱橫剖面，第三就是水平截面，最后就是順煤層的斜截面。除了能夠?qū)@些平面和曲面進(jìn)行數(shù)值上的標(biāo)注以及三維建模方面的顯示以外，我們還能夠?qū)λ茰y(cè)出的異常平面或者是曲面進(jìn)行三維空間當(dāng)中的形態(tài)顯示。對(duì)于在這其中所能夠形成的三維視圖，都可以在相應(yīng)的空間之內(nèi)進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)，任意位置的平移以及任意大小的縮放或者是擴(kuò)放，這樣就可以從每一個(gè)不同的角度對(duì)所建立的相應(yīng)地形模型進(jìn)行充分的觀察或者是研究。由于相應(yīng)的地球物理學(xué)科研究要求在進(jìn)行相應(yīng)的三維反饋模型之后進(jìn)行相應(yīng)的多次反饋矯正以及針對(duì)性的參數(shù)修改才能獲得準(zhǔn)確的反饋數(shù)據(jù)，因此在建立可視化模型方面，這一點(diǎn)如果使用傳統(tǒng)的方式方法進(jìn)行處理的話將會(huì)耗費(fèi)大量的人力以及物力，還無(wú)法能夠跟最新的情報(bào)進(jìn)行吻合。但是如果使用計(jì)算機(jī)作為建立模型之后的參數(shù)校正輔助手段，所以相對(duì)于傳統(tǒng)手工操作來(lái)說(shuō)，程序輔助修改更加便于實(shí)現(xiàn)。

2三維空間數(shù)據(jù)體的可視化流程

盡管隨著科技的發(fā)展，三維空間本身的數(shù)據(jù)提的類型也都出現(xiàn)了千差萬(wàn)別，同時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的分布以及連接關(guān)系也出現(xiàn)了各種各樣的差別和聯(lián)系，但是在基于可視化流程基礎(chǔ)上的部分卻也出現(xiàn)了一致性的情況。見(jiàn)下圖：

我們首先處理的就是數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)情況。這些數(shù)據(jù)的來(lái)源一般是由各種類型的一起經(jīng)過(guò)測(cè)量得出的，同時(shí)在計(jì)算機(jī)的處理之下對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的初次分揀和處理之后形成可以被系統(tǒng)軟件是別的數(shù)據(jù)文件或者說(shuō)是數(shù)據(jù)包。然后計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的精細(xì)分類并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，對(duì)于數(shù)據(jù)包中含有過(guò)多無(wú)用信息的，要進(jìn)行選擇優(yōu)化，并且對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)行謹(jǐn)慎的適度減少。但是當(dāng)數(shù)據(jù)量相應(yīng)的比較稀疏分散，對(duì)煤層的可視化效果造成了影響的時(shí)候，就需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的插值處理，使其緊密可見(jiàn)。第三步就是進(jìn)行相應(yīng)的可視化映射，把這些經(jīng)過(guò)層層挑選，二次處理的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)軟件當(dāng)中進(jìn)行充分的定位以及描述，轉(zhuǎn)變成為可以進(jìn)行繪制的幾何圖形的坐標(biāo)元素并進(jìn)行相應(yīng)的屬性確定，按照程序給出的指令自動(dòng)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的形狀、亮度以及顏色的集合，同時(shí)再把研究人員需要的數(shù)據(jù)以可視化的效果進(jìn)行轉(zhuǎn)變，然后再使用3D繪圖技術(shù)把上述的圖形圖像幾何元素以及相應(yīng)的屬性轉(zhuǎn)換成為可以直觀地展現(xiàn)在人們面前的顯示圖像。最后一步就是針對(duì)圖像的變換以及顯示問(wèn)題。這其中包括以下的幾個(gè)部分：幾何圖像的變換、顏色的區(qū)分以及量化情況、格式的區(qū)分以及量化情況和圖像本身的輸出特點(diǎn)。

3具體事例解析

某煤礦集團(tuán)在某一個(gè)工作面上發(fā)生了涌水噴砂的，這直接導(dǎo)致了大量的人員傷亡。事發(fā)之后，煤礦集團(tuán)及時(shí)使用了事故地面瞬變電磁測(cè)深的勘探方式，對(duì)事故原因以及充水條件進(jìn)行了正確的評(píng)價(jià)，挽回了損失，并使得后續(xù)開(kāi)采工作有序完成。

上圖是采用可視化軟件繪制的本地區(qū)120m深度電阻率的平面圖。在這張圖上一共有三個(gè)地區(qū)是低阻異常區(qū)。其中區(qū)域工、Ⅱ已經(jīng)被充分證實(shí)，工的一場(chǎng)放水探測(cè)量達(dá)到了3000m3/d。從這個(gè)放水的角度上來(lái)看，這兩處地帶的防水量出現(xiàn)了同步變化的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合3d電阻率的視圖我們就可以看到，他們之間是聯(lián)通的，并且在某些程度上甚至還和Ⅲ區(qū)域有著聯(lián)系。至于水源的問(wèn)題我們可以從圖上看到，可能是從16咸的3號(hào)點(diǎn)至6號(hào)點(diǎn)以及11-15號(hào)線的18號(hào)點(diǎn)正式進(jìn)入側(cè)區(qū)的，經(jīng)過(guò)了一些復(fù)雜的水質(zhì)物理作用，比如滲透等方式，通過(guò)一處或者兩處的地方所產(chǎn)生的水源逐步把所有地區(qū)的水源給聯(lián)系到了一起，三個(gè)富水區(qū)逐步變成了一個(gè)整體。因此，通過(guò)3d電阻率的視圖我們就可以把水災(zāi)的情況根據(jù)其電阻率的差別給聯(lián)系到了一起，并勾畫(huà)出了相應(yīng)的導(dǎo)水通道，為下一步的救援以及保護(hù)作業(yè)提供了十分重要的依據(jù)。

4結(jié)論

三維可視化技術(shù)能夠通過(guò)豐富的表現(xiàn)方式為水害探測(cè)提供準(zhǔn)確豐富的依據(jù)，能夠直觀表現(xiàn)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)以及情況，這對(duì)提高水害的治理能力作出了巨大的貢獻(xiàn)。