三維地學建模在數字礦山建設中的重要作用

張慧慧

（遼寧省交通高等專科學校 測繪系，遼寧 沈陽110122）

0 引言

1998年1月31日，前美國總統戈爾提出 “數字地球”(Digital Earth，簡稱DE)概念，引起了全世界學術界的熱烈關注。許多學者在這基礎上根據自己國家的實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，提出了構建數字中國(Digital China，簡稱DC)的戰略構想，并與各位院士研討實施DC的行動計劃。

根據國家“十五”計劃對企業信息化的要求，利用信息化帶動礦山等傳統企業。合理地開發礦業資源,維護礦區經濟、社會和環境保護的協調,必須有賴于信息系統技術。現在,各行各業要發展“數字化”技術已成為必然,礦業也不例外,“數字礦山”(Digital Mine)必將成為“數字中國(Digital China)”的主要部分之一。

1 數字礦山關鍵技術

1.1 我國構建數字礦山存在的問題

近年來，中國礦山行業的信息化建設雖然取得了較大發展，但總體狀況仍然很不樂觀。中國礦山在礦山勘察、規劃、設計、生產、管理、全過程監控等信息化“軟”領域，與發達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實。加拿大從20世紀90年代初就開始研究遙控采礦技術，目標是實現整個采礦過程的遙控操作，現已研制出樣機系統，并在INCO公司的幾個地下鎳礦試用。目前我國礦山行業信息化程度差、信息基礎設施落后、信息化管理決策水平低，是礦山企業安全形勢得不到有效改善的根本原因。構建數字礦山，以信息化、自動化和智能化帶動采礦業的改造與發展，開創安全、高效、高產、綠色和可持續的礦業發展新模式，是中國礦業生存與發展的必由之路。

1.2 三維地學建模

在整個“數字礦山”的龐大信息系統中，三維地學建模是系統的核心組成部分，技術最為復雜。中國礦業大學的吳立新教授曾做出如下的定義：三維地學建模是由勘探地質學、數學地質、地球物理、礦山測量、礦井地質、GIS、圖形圖像學、科學可視化等學科交叉而形成的一門新型學科。由此可見，三維地學建模不但有著很強的地學專業背景，而且也是多學科交叉的邊緣學科問題。

1.2.1 三維地學建模的特征

從計算機圖形學的角度來說，三維地學建模既不屬于原始設計模式的建模，也不是嚴格的逆向工程建模，這主要是由三維地學建模的建模數據來源所造成的。本文總結了地學建模的數據來源有三個特征。

（1）稀疏性。地學建模的數據來源目前主要是靠鉆孔數據、勘測數據以及礦山開拓工程數據。在前期的地質勘探過程中，地學的建模基本是完全依靠鉆孔獲得建模原始數據，成本非常高，不可能大量的采集數據。所以，實際工程中只能采集非常稀疏的、離散的且分布不規則采樣數據，而礦山地質空間數據往往又是連續、復雜多變的，這給建模工作帶來了很大的困難。

（2）不確定性。由于數據的稀疏性的因素，為了獲得滿足三維建模需要的數據量，必須依據現有的勘測數據進行空間插值。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）地質構造的復雜性。由于斷層、褶皺、巖石夾層等復雜地質構造的存在，這些復雜的和無規律的因素使得地學建模的復雜度大大增加，也使得地學的建模復雜性遠遠大于其他的類似的建模應用。像基于CT掃描數據的建模等領域，現實生活中是可以找到參考模型作為引導，有一定的規律可循，而礦體模型幾乎沒有任何規律可循。

1.2.2 地學建模的主要方法

在過去的十幾年中，國內外眾多學者對于三維地學建模這個難題從理論上進行了較深入的研究，提出了多種三維地學空間模型或建模方法。其中不少方法已經在商品化的數字礦山軟件中得到實現和應用。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據模型。由于三維地學建模需要對礦體的屬性的品位等信息進行詳細的描述，所以三維地學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(空間)數據模型的研究能為地質科學數據的共同理解提供基礎。在己有數據模型或建模中，由于側重于項目需求的建模，加上受于個人數據庫技術的限制，使領域內的數據建模在數據(實體)、數據(實體)之間的聯系以及有關語義約束規則的形式化描述，數據模型規定數據的內容、結構、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科學數據的共同理解基礎，而且使基礎數據模型可以被設計成能夠適合各種數據結構數據的結構能力也相當有限。因此根據目前數據模型技術發展趨勢，需要建立地質調查領域的領域數據模型來滿足需求。

三維地質建模要求對大量地球空間信息進行三維描述,主要任務是用一定的三維數據結構來有效地描述和表達地質體本身以及地質體間復雜的關系,提供豐富的地層、斷層、構造等三維建模方法,可自定義模型,擴展多種模型,提供模型庫管理。3DGIS數據結構可以很好地滿足這些要求。利用三維GIS可以將一維、二維地質體置于三維立體空間中考慮,區分出一維、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、三維對象進行可視化表現,存儲的是它們真實的幾何位置與空間拓撲關系,3DGIS結合可視化技術、虛擬現實技術、網絡技術和高分辨率衛星影象等技術,專家們提出了第四代GIS的新概念,即以三維數據為研究和應用對象,在網絡環境下實現GIS系統數據的調用和交流。新一代的地理信息系統(GIS)不僅具備極強的海量地質空間數據管理功能,還具有較強的數據優化建模、數據自動獲取和修改、數據查詢和分析、圖形圖像可視化(GIS)等功能,是地質空間信息可視化的最佳環境。3DGIS的開發應用充分考慮未來三維地學數據獲取能力的提高,以便受益于現代地質數據獲取方法的進步。3DGIS研究計算機技術與空間地理分布數據的結合,通過一系列空間操作和分析方法,為地球科學提供有用信息。

2 結束語

三維地學建模技術是數字礦山的核心技術之一。隨著數字礦山技術的日趨成熟，數字礦山的建設已經從概念走到了現實世界中。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的經濟效益也得到了很大的改善，對數字礦山的建設提供了很好的經濟基礎。同時，礦山開采企業在朝著集約化、規模化的道路發展，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工業，提升傳統工業的發展水平和信息化水平。數字化信息化的進程將使得礦山開采企業從中獲益，能夠顯著提高企業生產效率和降低人力成本。可以用“五有”來概括上面的話——有技術、有財力、有需求、有政策、有效益。總之，數字礦山的建設可謂是正逢其時，改善我國的數字礦山建設的落后局面顯得異常迫切。

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