露天礦山三維設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用與研究

陳 國(guó) 貴， 李 洪 豪， 龔 山 琳

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在露天礦山開采過程中面臨很多問題，通過三維設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確地反映出露天礦山的形貌。

數(shù)據(jù)端復(fù)雜和數(shù)據(jù)量龐大的數(shù)字地面模型(digitalterrainmodels，DTM)是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。數(shù)字地面模型構(gòu)建的主要途徑有兩個(gè)：規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)是采用規(guī)則排列的正方形、矩形網(wǎng)格表示地形表面；而不規(guī)則的三角網(wǎng)則是通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角網(wǎng)逼近地形。在數(shù)字地面模型構(gòu)建研究方面，國(guó)內(nèi)的一些專家、學(xué)者開展了涉及地形數(shù)據(jù)處理、構(gòu)網(wǎng)邊界處理、構(gòu)網(wǎng)方法優(yōu)化、地面與模型融合構(gòu)建等一系列卓有成效的研究。OpenRoads技術(shù)主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼三角網(wǎng)構(gòu)建原理，能讀取機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多種存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修正處理，根據(jù)需要對(duì)地形進(jìn)行剪切和融合。筆者介紹了通過圖形過濾器從測(cè)繪數(shù)據(jù)中提取等高線和高程點(diǎn)、導(dǎo)入軟件構(gòu)成三角網(wǎng)對(duì)錯(cuò)誤地形點(diǎn)進(jìn)行修正、導(dǎo)出成.dat或.tin格式，最終通過數(shù)字地面模型可快捷地讀取三維空間點(diǎn)(Y，Y，Z)，剖切任意位置地形并直觀查看三維顯示地形。

2 在三維地質(zhì)體熱點(diǎn)建模技術(shù)

2.1 斷層的三維建模技術(shù)

斷層破壞了地質(zhì)體的完整及連續(xù)性, 改變了數(shù)據(jù)的原始分布格局，為最常見的地質(zhì)現(xiàn)象之一。當(dāng)?shù)V體和各種巖層遇到有斷層的情況時(shí),斷層對(duì)其的空間分布影響十分顯著，必須加以考慮。斷層的三維建模技術(shù)是一項(xiàng)比較重要的工作，一般采用 TIN 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成斷層線框模型，從而在三維空間中準(zhǔn)確地描述斷層的空間分布形態(tài)。TIN 又名不規(guī)則三角網(wǎng)。斷層模型一般有兩種：一種是斷層比較薄，即斷層面。對(duì)于這種形式，我們以面的形式進(jìn)行處理；另外一種為斷層比較厚，即斷層破碎帶，其比面狀斷層發(fā)育，對(duì)于這種形式，我們以三維實(shí)體模型進(jìn)行處理。斷層模型的構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的過程，在實(shí)際工作中需要參照幾個(gè)相鄰剖面上的斷層線的分布，還需結(jié)合其它一些工程數(shù)據(jù)資料予以認(rèn)識(shí)和解譯，進(jìn)而進(jìn)行斷層面的擬合，建立正確的斷層模型。

2.2 復(fù)雜地質(zhì)體建模技術(shù)

類似于斷層的模型構(gòu)建，地質(zhì)體的構(gòu)建也分為兩類：一類是單個(gè)層狀地質(zhì)體模型的構(gòu)建。地質(zhì)體可以采用光滑曲面進(jìn)行模擬，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，可以用多個(gè)多邊形進(jìn)行無(wú)窮逼近光滑曲面的方法構(gòu)建曲面模型,故所構(gòu)建的曲面模型即轉(zhuǎn)換成構(gòu)建無(wú)數(shù)個(gè)三角面。因此，單個(gè)層狀地質(zhì)體模型的構(gòu)建實(shí)際上就是通過表面三角面的逼近規(guī)則通過封閉表面的技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)；第二類為構(gòu)造三維地質(zhì)模型。野外地質(zhì)調(diào)查和觀察所得到的主要是巖層和斷層的分界線數(shù)據(jù)，建模時(shí)需要了解各個(gè)地質(zhì)體之間的三維空間分布關(guān)系，尤其是各個(gè)地質(zhì)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)完成各類地質(zhì)體的模型構(gòu)建。

2.3 礦體三維線框模型

礦體三維線框模型在建模中占有極其重要的地位，是后期資源儲(chǔ)量估算的基礎(chǔ)，建模步驟分為探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、剖面解譯和剖面間連礦三個(gè)步驟。經(jīng)過多年的發(fā)展，相對(duì)于其他建模技術(shù)而言，礦體的三維模型建立和可視化顯示技術(shù)已十分完善。礦體的三維模型有多種分類：從模型的構(gòu)成元素分，有基于面模型、基于體元模型和兩種的混合模型三類；從模型存儲(chǔ)的元素類型分，可以分為基于矢量模型、柵格模型以及前兩種的混合模型三類。

3 三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

3.1 設(shè)計(jì)文件格式

文件格式是計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用重要的方面。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)最為突出的表現(xiàn)為跨專業(yè)文件共享，從而對(duì)文件格式提出了全新的要求。當(dāng)發(fā)生文件信息丟失或打不開時(shí)將會(huì)直接影響到計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的效果，因此，在文件格式的選擇上，一定要保障文件格式的通用性效果，從而能夠在其使用的過程中保證文件的兼容性特點(diǎn)，方便文件在第三方設(shè)置下保留更多的輔助性信息。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在文件格式的選擇上更加專業(yè)，需要掌握一定的二維設(shè)計(jì)知識(shí)，才能更有效地開展三維設(shè)計(jì)工作。

3.2 實(shí)用性

計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用性能夠滿足設(shè)計(jì)要求。三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)相比在技術(shù)上的要求相對(duì)較高，因此，初學(xué)者在應(yīng)用方面較為困難，但這并不影響應(yīng)用的實(shí)際效果。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)人員的簡(jiǎn)單操作下，根據(jù)所提供的設(shè)計(jì)要求能夠自動(dòng)的生成設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要提供完整的設(shè)計(jì)材料，只有這樣，才能夠保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?yàn)槌鯇W(xué)者實(shí)踐操作水平的提升提供便利條件，保證初學(xué)者在利用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中能夠盡快地應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的研究，突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)領(lǐng)域存在的問題，從而解決實(shí)際應(yīng)用需求。

3.3 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主流性

應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要一個(gè)能力較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)共同完成，并且隨著計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能性的不斷完善，更多的設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了全新的發(fā)展方向，計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能性將會(huì)得到充分的提升。單一設(shè)計(jì)人員無(wú)法正常的利用三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，只能在團(tuán)隊(duì)集成合作下共同利用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)是最為先進(jìn)的主流產(chǎn)品，如果其使用團(tuán)隊(duì)在能力上不符合計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，那么，采購(gòu)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)只會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)與人力資源的浪費(fèi)。而選擇適合自身的設(shè)計(jì)主流產(chǎn)品能夠提升企業(yè)的設(shè)計(jì)能力，保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。良好的技術(shù)支持能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供專業(yè)的指導(dǎo)，因此，在采購(gòu)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)之后，需要對(duì)設(shè)計(jì)所用的軟硬件進(jìn)行定期升級(jí)，只有更新后的計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)才能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)全新的技術(shù)體驗(yàn)。

4 三維設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用基礎(chǔ)

礦山三維地質(zhì)模型是采用三維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行開拓方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，具體包括以下模型：

(1)地表模型。地表模型是用來(lái)虛擬地形和表面的不封閉表面模型，由一系列三角面片根據(jù)地形線和地形散點(diǎn)無(wú)縫拼接構(gòu)成。在DIMINE三維礦業(yè)軟件中，可以通過原始測(cè)量數(shù)據(jù)生成法和矢量化CAD地形圖等高線生成法構(gòu)建礦山地表模型。

(2)構(gòu)造模型。構(gòu)造模型包括斷層模型和巖性模型，是用來(lái)模擬斷層構(gòu)造和不同巖層的不封閉表面模型，由一系列三角面片根據(jù)斷層線和巖層線拼接形成。將各個(gè)平剖面圖中的斷層信息和巖層信息導(dǎo)入DIMINE三維礦業(yè)軟件中，依據(jù)構(gòu)造信息，按照一定順序?qū)⒏鳂?gòu)造線連接成面，從而生成構(gòu)造模型。

(3)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是將礦山的鉆孔、坑道等數(shù)據(jù)資料按照一定的方式存儲(chǔ)起來(lái)，為礦體對(duì)比圈定、品位統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律分析以及估值提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在DIMINE三維礦業(yè)軟件中，可以將鉆探成果分別整理成孔口文件、測(cè)斜文件、樣品文件和巖性文件等導(dǎo)入，生成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)礦體模型。礦體模型是一種封閉的表面模型，具有體積信息，能夠在任一方向和高程上剖切，形成平剖面圖。在DIMINE三維礦業(yè)軟件中，可以直接對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行解譯，圈定礦體輪廓線，創(chuàng)建礦體模型；也可將已解譯的CAD或MapGIS地質(zhì)平剖面圖導(dǎo)入DIMINE三維礦業(yè)軟件中，通過三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)礦體輪廓線進(jìn)行校正，創(chuàng)建礦體模型。完整的礦體模型要求能夠計(jì)算出體積，沒有冗余的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，以便于對(duì)模型進(jìn)行后續(xù)的布爾運(yùn)算、品位估值和塊段分析工作。

(5)塊段模型。塊段模型是對(duì)礦體模型進(jìn)行單元塊細(xì)分，并以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用空間的插值方法對(duì)各單元塊的品位、巖性等進(jìn)行推估，得到礦體的內(nèi)部屬性值。DIMINE三維礦業(yè)軟件采用外存八叉樹模型的構(gòu)建技術(shù)創(chuàng)建塊段模型。

近年來(lái)，三維可視化技術(shù)在各行各業(yè)都得到了迅速發(fā)展，具有巨大的潛力和研究?jī)r(jià)值。礦山三維礦體建模以及相關(guān)技術(shù)作為數(shù)字化礦山的基礎(chǔ)，對(duì)于礦山的勘探和開發(fā)具有非常重要的意義。但是，三維礦業(yè)軟件的開發(fā)和應(yīng)用還有很多地方值得研究，以使其更好地服務(wù)于的礦業(yè)勘探和開發(fā)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前露天礦山開采過程中，我們一定要充分利用所擁有的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過三維技術(shù)的應(yīng)用來(lái)提升礦山的開采水平。