露天礦山三維設(shè)計方法的應(yīng)用與研究

陳 國 貴， 李 洪 豪， 龔 山 琳

(中國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)計能準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：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，能讀取機載激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)和多種存儲地形數(shù)據(jù)的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于對原始數(shù)據(jù)進行檢查和修正處理，根據(jù)需要對地形進行剪切和融合。筆者介紹了通過圖形過濾器從測繪數(shù)據(jù)中提取等高線和高程點、導(dǎo)入軟件構(gòu)成三角網(wǎng)對錯誤地形點進行修正、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(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,斷層對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。對于這種形式，我們以面的形式進行處理；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，對于這種形式，我們以三維實體模型進行處理。斷層模型的構(gòu)建是一個復(fù)雜的過程，在實際工作中需要參照幾個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)資料予以認識和解譯，進而進行斷層面的擬合，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行模擬，在計算機圖形學(xué)中，可以用多個多邊形進行無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)建無數(shù)個三角面。因此，單個層狀地質(zhì)體模型的構(gòu)建實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)，建模時需要了解各個地質(zhì)體之間的三維空間分布關(guān)系，尤其是各個地質(zhì)體之間的對應(yīng)關(guān)系，通過相關(guān)測量數(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，是后期資源儲量估算的基礎(chǔ)，建模步驟分為探礦工程數(shù)據(jù)庫的建立、剖面解譯和剖面間連礦三個步驟。經(jīng)過多年的發(fā)展，相對于其他建模技術(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)計系統(tǒng)的注意事項

3.1 設(shè)計文件格式

文件格式是計算機三維設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用重要的方面。計算機三維設(shè)計最為突出的表現(xiàn)為跨專業(yè)文件共享，從而對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將會直接影響到計算機三維設(shè)計的效果，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，方便文件在第三方設(shè)置下保留更多的輔助性信息。計算機三維設(shè)計系統(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)計知識，才能更有效地開展三維設(shè)計工作。

3.2 實用性

計算機三維設(shè)計系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用性能夠滿足設(shè)計要求。三維設(shè)計與二維設(shè)計相比在技術(shù)上的要求相對較高，因此，初學(xué)者在應(yīng)用方面較為困難，但這并不影響應(yīng)用的實際效果。計算機三維設(shè)計系統(tǒng)在設(shè)計人員的簡單操作下，根據(jù)所提供的設(shè)計要求能夠自動的生成設(shè)計結(jié)果。因此，在設(shè)計過程中，需要提供完整的設(shè)計材料，只有這樣，才能夠保證設(shè)計結(jié)果的準確性。計算機三維設(shè)計系統(tǒng)能夠為初學(xué)者實踐操作水平的提升提供便利條件，保證初學(xué)者在利用計算機三維設(shè)計系統(tǒng)的過程中能夠盡快地應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)，對計算機三維設(shè)計系統(tǒng)進行全面的研究，突破現(xiàn)有設(shè)計領(lǐng)域存在的問題，從而解決實際應(yīng)用需求。

3.3 設(shè)計產(chǎn)品的主流性

應(yīng)用計算機三維設(shè)計系統(tǒng)需要一個能力較強的團隊共同完成，并且隨著計算機三維設(shè)計系統(tǒng)功能性的不斷完善，更多的設(shè)計要求對設(shè)計人員提出了全新的發(fā)展方向，計算機三維設(shè)計系統(tǒng)的功能性將會得到充分的提升。單一設(shè)計人員無法正常的利用三維設(shè)計系統(tǒng)，只能在團隊集成合作下共同利用計算機三維設(shè)計系統(tǒng)進行正常的工作。計算機三維設(shè)計系統(tǒng)是最為先進的主流產(chǎn)品，如果其使用團隊在能力上不符合計算機三維設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用要求，那么，采購計算機三維設(shè)計系統(tǒng)只會造成嚴重的經(jīng)濟與人力資源的浪費。而選擇適合自身的設(shè)計主流產(chǎn)品能夠提升企業(yè)的設(shè)計能力，保證所設(shè)計的產(chǎn)品符合設(shè)計要求。良好的技術(shù)支持能夠為設(shè)計團隊提供專業(yè)的指導(dǎo)，因此，在采購計算機三維設(shè)計系統(tǒng)之后，需要對設(shè)計所用的軟硬件進行定期升級，只有更新后的計算機三維設(shè)計系統(tǒng)才能夠為設(shè)計團隊帶來全新的技術(shù)體驗。

4 三維設(shè)計方法的應(yīng)用基礎(chǔ)

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

(1)地表模型。地表模型是用來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)地形線和地形散點無縫拼接構(gòu)成。在DIMINE三維礦業(yè)軟件中，可以通過原始測量數(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。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是將礦山的鉆孔、坑道等數(shù)據(jù)資料按照一定的方式存儲起來，為礦體對比圈定、品位統(tǒng)計分布規(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。

(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，可以直接對地質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行解譯，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)庫對礦體輪廓線進行校正，創(chuàng)建礦體模型。完整的礦體模型要求能夠計算出體積，沒有冗余的點、線、面數(shù)據(jù)，以便于對模型進行后續(xù)的布爾運算、品位估值和塊段分析工作。

(5)塊段模型。塊段模型是對礦體模型進行單元塊細分，并以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用空間的插值方法對各單元塊的品位、巖性等進行推估，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，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價值。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

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算機技術(shù)，通過三維技術(shù)的應(yīng)用來提升礦山的開采水平。