三維可視化技術在礦山地質勘查中的應用

張文強

（山東省華魯工程總公司，山東 濟寧 272100）

到目前為止，社會已經步入了一個新的發展階段，對于各類能源的消耗量不斷增加，因而造成對于各類能源資源的需要量大幅度增加。我國幅員遼闊，各類資源儲量較為豐富，但是由于地形與地勢條件較為復雜，加大了各項資源尤其是礦產資源的開發難度，所以導致我國礦山勘察與開采難度加大[1]。當前我國礦山地質勘查技術還不夠成熟，還是無法準確掌握礦產資源分布規律，導致我國能源供給出現問題，嚴重制約了我國社會經濟發展，所以利用先進的科學技術進行礦山地質勘查具有非常重要的研究意義[2]。

隨著科學技術的飛速發展，三維可視化技術逐步優化并完善，且應用至地質勘察領域，所以利用三維可視化技術進行礦山地質勘查已經具備了非常好的理論基礎以及可行性，所以本文研究了一種基于三維可視化技術的礦山地質勘查新方法，以期降低礦山地質勘查難度，促進國民經濟的又快又好發展。

1 礦區地質三維模型構建

構建礦區地質三維模型是礦山地質三維可視化的重要基礎，此過程是根據礦山的相關資料，對于礦山資源儲備、成礦規律以及礦體形態等信息進行分析，并將這些信息利用三維可視化技術在計算機中展示出來，有利于對于礦產儲量以及分布規律進行分析，以便后續礦山開采工作的順利進行，所以本文對于礦區地質三維模型構建過程進行了深入分析，具體實現步驟如下[3]。

1.1 礦山地質數據處理

在建立礦區地質三維模型過程中最難解決的問題就是如何利用一個數學模型來深刻展示礦區地質拓撲、幾何形態和關鍵屬性，為了使構建的模型可以充分反映實際情況，需要以海量的地質數據作為研究基礎。由于地質信息來源廣泛且類別眾多，所以需要以統一的地質數據庫作為基礎，利用數據庫中的數據與實際測量結果，獲取多樣化礦山地質數據，主要包括基礎地理數據、實際測量數據以及樣品分析數據等，并將這些數據分類存儲至數據庫中，以此構建地質數據庫，以此實現對于礦山地質數據的統一存儲和管理，為后續的礦區地質三維模型構建提供重要的數據基礎[4]。

1.2 輪廓線生成

以地質數據庫中的礦山地質數據為基礎，通過分析巖石、礦體以及儲量等具有代表性的地質條件的邊界線，生成具體的礦山地質輪廓線。輪廓線生成主要是利用已有的原始地質工程數據或是鉆孔數據，結合已有的地質剖面圖，將所有信息導入至三維建模軟件中，利用該軟件的相關功能完成輪廓線提取工作，為了進一步降低此項工作的難度，提升輪廓線生成效率，需要以精準地勘探線、鉆孔等信息作為研究基礎，以此提升輪廓線提取與生成的精準度。

1.3 三維實體模型構建

一般情況下，礦區地質三維模型大多都是線框模型，這種模型的構建主要是以輪廓線分析結果為基礎，利用輪廓線對于已有的地質剖面圖進行重構，并利用重構后的地質剖面圖中的礦體截面形態構建礦體表面的三維模型。該線性模型的構建過程為：將二維空間內相鄰特征點利用直線進行連接，以此得到多個多邊形，在此基礎上將多個多邊形進行組合與三維化處理，最終得到一個三維的多邊形網格，以此來顯示地質與開挖邊界信息，這些模型可以為用戶提供三維地質模型的編輯與優化功能，也能夠為用戶提供多個礦山地質模型空間的幾何剖分方案。

本文主要是以野外測量、航測、地圖數字化等方式得到的地形信息為基礎，利用計算機對其進行處理后得到三維實體模型，在多邊形網格中按照一定比例對第i個多邊形網格進行拉伸，得出三維模型。

1.4 塊體模型構建

由于上述三維實體模型只能夠體現礦山地質形狀，相關細節缺乏，所以需要在上述基礎上構建塊體模型，以便展示更多的礦巖質量信息。塊體建模方法最早出現在20 世紀60 年代，而后該技術不斷發展完善，一直沿用至今。塊體建模主要是對礦區地質三維建模空間進行分割，獲取多個三維的立方體網格，每一個立方體網格就是一個塊體或是塊單元，而網格的變化可以充分表達礦山地質內部變化規律，所以說不同的塊體單元對應了不同的礦床位置，該塊體模型如圖1 所示。

圖1 塊體模型

為了進一步確定礦山地質內部變化規律的更多細節，所以需要對該模型進行局部細化處理，具體的細化處理方法就是對邊界區域進行局部的單元細化，該過程如圖2所示。

圖2 塊體模型的局部細化處理

將三維實體模型與塊體模型進行組合處理，即可得到可以反映更多礦區地質細節信息的三維模型，以此為后續的礦山地質勘查奠定堅實的基礎。

2 礦山地質三維可視化

由于計算機本身的智能化程度較低，所以只能處理數字，因此在礦山地質三維可視化過程中需要對于礦山地質三維模型進行進一步處理。在此過程中，需要定義一個空間坐標系，這個坐標系的長度單位和坐標軸的方向都要求所構建的模型相匹配，在此基礎上需要對于數字化的礦山地質信息進行進一步加工處理。為了可以快速、精準地展示圖像信息，所以需要搭建一個屏幕坐標系，其坐標軸的方向需要與屏幕的邊緣保持平行，而其單位長度需要與圖像像素具有一致性。為了使這兩個坐標系可以精準地將所有的礦山地質信息在計算機中展示處理，需要對其做進一步處理。所以具體的礦山地質三維可視化步驟如下。

2.1 視點變換

視點變換這一處理過程主要是在視點坐標系中實現的。視點坐標系與一般的世界坐標系存在一定的區別，該坐標系的構建主要遵循了左手法則，主要是將左手大拇指方向當作是Z軸，在此基礎上將剩余四個手指并攏，使這四個手指與大拇指垂直，將這四個手指方向作為X軸，將這四個手指彎曲90°，并將其方向作為Y軸。在此基礎上對于視點變換矩陣進行初始化處理，然后利用該矩陣進行礦山地質三維模型視點變換。其過程為：將礦山地質三維模型放置于視點坐標系中，并將該模型沿著Z負軸方向移動，分析該模型的初始方向是否發生改變，若是所有視點均發生變化，則需要結合視點變換矩陣對于該模型進行視點調整，若是沒有發生改變，則表示該模型視點為正確的，不需要對其進行調整。在視點變換矩陣中分別以0、1及X/Y/Z三個坐標軸數據，表示矩陣中視點的實際位置。

2.2 模型變換

在上述處理完成基礎上，需要根據右手法則構建世界坐標系，在該坐標系中，可以對礦山地質三維模型進行平移、旋轉、縮放處理。具體的處理過程為：根據世界坐標系各軸位置，設計與各軸方向一致的比例變換系數，結合比例變換系數對其進行礦山地質三維模型變換處理。而當礦山地質三維模型沒有發生變化的情況下，該比例變換系數的取值為1。

2.3 投影變換

設置一個透視投影函數，以此實現對于礦山地質三維模型進行投影變換處理，其主要過程為：對于透視投影函數進行初始化處理，并構建該函數的一個重要組成部分——投影矩陣，視域體中的點的X坐標范圍用(r,l)表示，視域體中的點的Y坐標范圍用(t,b)表示，視域體中的點的Z坐標范圍用(n,f)表示。

在此基礎上通過確定窗口的縱橫比以及眼睛睜開的角度等參數，以此完成對于投影函數參數的設置，利用調整好的投影函數對于礦山地質三維模型進行處理，以此保證該礦山地質三維模型中的實景內部部分可見，利用該過程達到了礦山地質三維模型的裁剪的重要目標，以便可以更好地展示模型的細節信息。

2.4 視口變換

視口變換可以保證礦山地質三維模型中的物體在二維視口平面上進行展示，這個過程與模型的細節部分縮放操作具有相似性，但是這一過程需要保證所有礦山地質三維模型中的細節信息不會失真，其具體處理過程為：以上述的視點變換矩陣為基礎，對礦山地質三維模型中的每一個物體頂點參數進行逐步變換，當這個頂點位于視景外部的情況下，需要對其進行裁剪處理，對于位于視景內部的頂點，則主要根據比例變換系數對其進行縮放處理，然后將其映射到視口區域內，以便在計算機屏幕中顯示，以0、1 及X/Y/Z三個坐標軸數據，表示縮放矩陣中的視點位置。

3 實驗測試

為了驗證基于三維可視化技術的礦山地質勘查方法的實際應用效果，需要進行實驗測試，本文主要是以某一大型礦山進行研究對象，將三維可視化技術應用至該礦山地質勘查過程中，以檢驗該方法的可靠性與科學性。

具體的實驗環境如表1所示。

表1 實驗環境

具體的實驗結果如表2所示。

分析表2可知，基于三維可視化技術的礦山地質勘查方法具有較高的測量精度以及較短的測量時間，驗證了該方法的優越性。

表2 實驗結果

4 結束語

到目前為止，礦產已經成為人們賴以生存的資源，也是一個國家或是地區社會經濟發展的基本保障，所以在目前礦產資源消耗量與需求量不斷增加的情況下，以滿足社會各個行業的基本運轉為目標，因此本文提出了一種新的基于三維可視化技術的礦山地質勘查方法，該方法由于應用了三維可視化技術，所以可以將該技術應用至實際中，可以有效提升礦山地質勘查工作的質量與效率，降低礦山開采的難度，促進我國礦業的進一步工發展。