作者：吴立新,张瑞新 , 戚宜欣 ,齐安文 ,李　冰

    摘要:三维地学模拟(3D Geoscience Modelling ,简称3DGM) 与虚拟矿山系统(Virtual Mine Sys2tem ,简称VMS) 是数字矿山(Digital Mine ,简称DM) 战略实施的关键技术,其中3DGM是VMS 及所有真三维地学虚拟现实系统的基础。基于国内外VMS 研究与应用分析,指出目前2. 5 维VMS 的缺陷和不足;同时,对当前国际学术界3DGM理论与方法进行了评析。进而,从3DGM与VMS 耦合的角度出发,提出了一种新的3DGM方法:类三棱柱(Analogic Tri2Prism ,简称ATP)法。ATP 模型由点、TIN 边、TIN 面、棱边、侧面TIN 和ATP 体共6 组基本元素组成。本文设计了ATP 的数据结构,并给出了基于实验钻孔的3DGM可视化图。

    1 　前言

    虚拟现实(Virtual Reality ,简称VR) 技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术,模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术[1] 。VR 在许多工程领域和基础研究方面已得到较广泛的应用,在国外矿业领域的研究起步也较早,出现了一些2. 5 维的虚拟矿山系统(Virtual Mine System , 简称VMS) [2～4] ,有效地支持了矿山生产决策和矿山培训与职业教育工作。我国的VRM研究起步于20 世纪末,目前在矿山安全、火灾模拟等研究领域取得阶段性进展[5～7] 。

    由于矿山是一个真三维动态地理/ 地质环境,所有矿山生产与组织活动均是在真三维地理/ 地质环境中进行的。因此,真正实用的VMS (以及所有虚拟地学系统) ,都应是真三维的,即必须以3DGM 为基础,而目前仍是空白点。DM 是21 世纪新经济条件下利用信息技术改造传统产业的矿山科技创新与发展战略,3DGM与VMS 则是实施DM战略的关键技术[8 ,9] 。本文将总结介绍国内外3DGM与VMS 的研究现状,并分析未来发展中应解决的关键问题。

    2 　3DGM 理论与方法

    矿山的自然地质现象与人造工程如矿体、地层、断裂、钻孔、井巷、采空区等,都是三维空间实体。2 维或基于DEM/ DTM 的2. 5 维GIS、VMS 都难以表达复杂的地下三维地质与工程问题及进行矿山空间分析,包括复杂矿体、断层、褶皱等不连续体的真三维建模、地质体任意剖面生成、三维可视化等。近年,真3DGM、地面地下工程的空间整合分析、三维动态模拟、三维地学可视化与地学多维图解的集成[10]等问题,已成为GIS 的技术前沿和攻关热点。如何对这些多维空间数据进行集成管理、动态处理和时空分析,是国内外学术界和工程应用面临的一大理论与技术难题。

    3DGM技术就是为了解决地学领域中遇到的三维问题,如三维地层、断裂、矿体和巷道的显示、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积与储量计算等问题而提出来的。3DGM 是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化(SciV) 等学科交叉而形成的一门新兴学科[11] 。它由加拿大SimonW. Houlding 于1993 年首先提出[12] ,其含义为:3EDGM是一门运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达,并运用SciV 来对地层及其环境进行真三维再现和可视化交互的科学与技术。

    2. 1 　构模方法评析

    三维地学构模方法大致有以下5种:

    2. 1. 1 　块段(block) 构模法

    块段构模技术的研究和应用始于20 世纪60年代初,是一种传统的地学构模方法。20 世纪60年代和70 年代开发的一些计算机系统即采用这种构模技术, 比较典型的有奥廷托锌业公司(RTZ) 开发的OBMS 和OPDP 系统, 控制数据(Control Data) 公司的MINEVAL 系统和Minetec 公司的MEDS 系统。这类构模技术是把要建立模型的整个立方块空间分割成规则的三维立方网格(grid) ,称为块段;每个块段在计算机中存储的地址与其在自然矿床中的位置相对应;用克立格法、距离加权平均等方法和优势原则来确定各块段中的品位或质量参数。这种技术的优点是可以采用隐含定位技术来节省存储空间和运算时间;但在精确模拟矿体边界与分割粒度(存储量) 上存在尖锐矛盾。

    2. 1. 2 　线框(wire frame) 构模法

    线框构模技术是一种表面构模技术,即把面上的点用直线连接起来,形成一系列多边形,然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格,以此来模拟地质边界或开采边界。该法的缺陷是无法表达边界内部或地质体内部。

    2. 1. 3 　实体(solid) 构模法

    实体构模法是采用多边形网格来描述地质和开采过程所形成的形体边界,并用传统的块段模型描述形体内部的品位或质量的分布。实体构模技术以LYNX 系统中提供的三维元件构模(3Dcomponent modeling) 为代表。该构模方法以真实的地质或开采形体的几何形态为基础,以中平面的前后扩展为构模原理,交互式逐个生成由地质分表面( sub2Surface) 和开采边界面所构成的各地质元件(component) 。元件是3DGM 的基本单元,不仅表示一个形体,也表示封闭的体积以及形体中的地质特征(品位或质量等) 分布。实体构模法实质是线框构模法与扩展的块段构模法的耦合,因此弥补了块段构模处理边界的不足。