大型礦山巖土工程可視化模型與應用

謝浪

(四川省冶金地質勘查院，四川 成都 610051）

科學可視化是20世紀80年代后期由美國科學家提出并發展起來的一門新興邊緣技術。近幾年來，隨著三維可視化技術的迅速發展，可視化技術在巖土工程領域中已經得到了廣泛的應用。所謂可視化就是將數據轉化成圖形的方式，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算機組件對巖體的地質條件，尤其是一些不連續面的空間展布特征，包括不連續面的產狀、幾何形態、結構面間距、結構面的規模、結構面密度及其各類結構面相互限制、交切而形成的結構體形態，進行科學的計算與分析，并將計算結果所產生的數據轉換成圖形或圖像信息，再進行交互式分析的過程。三維可視化技術是當前計算機科學研究中的熱點之一，可視化技術在這個信息爆炸的時代，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。而可視化技術在巖土工程中的應用，使得巖土工程中的三維空間問題可視化研究成為可能。

一、可視化技術簡介

科學可視化技術實際上是將科學計算過程中及計算結果所產生的數據轉換成圖形或圖像信息，并在屏幕上顯示出來，再進行交互式分析。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計等多個領域，成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。計算機在圖形設備上生成真實感三維圖形必須滿足以下4個基本要求：

1、對所需模擬的三維場景，通過數學的邏輯與方法進行幾何描述，并將它們輸入計算機。這部分工作可由曲面造型系統或三維立體造型系統加以實現。因為如何選用合適的數學邏輯與方法對場景進行幾何描述，將直接影響到圖形的準確性，也將決定整個圖形繪制的計算耗費，因而，選擇合理有效的數據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換為二維投影圖，從而得到場景的透視效。

3、確定出場景中的所有可見面，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，從而得到立體場景中所有可見面。

4、計算場景中所有出現的可見面的顏色，嚴格地說，就是根據光學物理的光照明模型，首先計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，然后講個顏色轉換成適合圖形設備語言的顏色值，從而用通俗的方法表現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面的顏色，最終生成圖形。

二、巖體的三維可視化建模系統

由于地質條件的復雜性、井下環境的多變性、巖土體情況的不確定性和工程的隱蔽性等原因，巖土工程處理的對象極其復雜，這使得工程設計方案在施工過程中需要不斷根據具體情況及時進行變更，原來巖體的工程信息主要來自于工程現場，這造成了數據的不準確性、人為性及滯后性。而通過采用三維數據結構和有效的建模技術，就能更加充分、客觀的反映地層的特點，這既便于數據的管理和操作，也便于在出現問題時進行及時處理。s

1、數據模型

在三維可視化建模系統研究中，數據模型和數據結構是一組十分關鍵的問題。對于非空間實體，我們可以通過傳統的數據庫加以表示，而對于巖土工程中所涉及的數據的具體位置，我們就只能通過建模系統得出其絕對和相對的位置。空間數據模型的一個中心任務就是要研究、表述空間實體及空間關系。這些研究內容是設計空間數據庫與構造概念模式的數據基礎，它直接影響著空間數據庫的

2、數據組織、空間查詢和空間分析。拓撲關系

如何建立、維護空間元素的拓撲關系是三維可視化研究領域中的一個核心問題。拓撲關系的建立使得各種空間的操作與信息查詢易于實現。拓撲關系更加側重于描述巖土工程的實際應用，它通過空間中的各種體域、組成體域的各種曲面、構成曲面的邊界環、組成環的

3、弧、弧上的結點來描述復雜的地物。建立模型

利用計算機組件對巖體的情況進行三維計算機模擬并進行可視化分析與研究，最后通過建立三維巖體模型，以便更簡潔、直觀地研究和分析巖體的形態及其變化規律。但在建立巖體三維模型時，首先要考慮鉆孔的空間位置，這是整個巖體三維可視化模型的建造基礎。然后從各剖面著手，根據已有的原始資料，利用巖體在勘探線剖面的投影形狀，、透視特點，構建出其空間的大致形態，從而形成礦體的基礎三維空間模型。最后，可以通過對模型在空間上進行旋轉、放大、縮小等操作，全面展示出巖體的空間構造規律，從而能夠更加直觀的分析巖體的形態和空間變化。

三、巖土工程的可視化建模的功能特征

1、工程地質數據模塊

對于工程地質鉆孔數據庫建立與之相符合的資料查詢數據庫，完善其檢索模塊的操作功能，使其能夠用更簡單、更直觀的方式實現數據庫間的無縫對接，并且及時對工程所涉及的有關工程數據資料與鉆孔數據資料進行整理與分析、并將其準確無誤的錄入到工程數據庫中，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

利用計算機可視化組件，通過工程地質鉆孔數據庫提供的各種數據，將形成的立體模型顯示于屏幕，這樣便可以從多個角度更加直觀地了解地下土層、巖層的分布構造情況，并能夠提供更加全面的模擬地層的轉動、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、可視化技術在巖土工程中的應用

1、模擬巖土工程信息圖

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

工區圖在反映研究工區的地理位置、地形特點、地表構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行集中與整合，客觀、全面、綜合的顯示出了測線、鉆孔、斷層和地形等值線圖及其各層位段的分布圖。

剖面圖是地質專家們重點應用的圖件之一。本系統利用數據庫的剖面信息，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合，便繪制好了剖面線圖。

三維可視化圖形通過將后臺數據庫和前臺的圖形繪圖功能相結合，從而能夠從不同的角度觀察到剖面的空間地質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，

可視化技術在地表建模中已經得到了廣泛的應用，無論是在地質巖層研究領、考古領域、還是新型化學高分子領域，都能看到它的應用。例如利用規則網格或Delaney 三角網建立三維地表模型。三維地質實體模型的開發、研究也取得了進步。

3、巖體的三維數值模擬分析

在數值分析中, 三維分析遠比二維分析更具意義和價值, 因為三維分析可以從更加立體的角度，對巖層信息進行分析與處理，只有通過三維分析,才能得到更加合理、客觀、準確的結果。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來實現。

4、巖體結構的三維可視化研究,

在對巖土工程的全面性、穩定性進行分析的過程中, 由于巖土體有別于其他一些勻質固體,往往在巖石層接處含有眾多斷層、界面或節理, 因而其結構難以進行準確的模擬和分析。通過三維可視化圖形便能準確的顯示出結構面，使地質工程師直觀地看到巖體結構面空間的幾何形態、相互關系和分布，從而使其準確地進行科學分析，對地質問題作出合理與科學的結論和決策。

結束語

某礦區地質條件復雜，通過可視化技術對巖體進行建模，實質上加強了工程師對巖體空間特征的把握。而更加具體、直觀的地理虛擬環境圖解，減少了傳統復雜抽象的符號，實現了用戶與模擬系統的交互操作，極大地提高人們對礦山巖土空間的分析研究能力。

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