论文部分内容阅读
摘要：本文通过采用TIN方式、封闭面固化成体的方式建立三维地质面模型和露天矿三维地质体模型，对煤层、岩层的空间赋存形态和发育程度进行描述。研究结果显示，该方法一方面能够显示形象的三维动态效果，另一方面对于计算矿岩量更为准确方便。在采矿过程中，通过三维地质模型能够满足勘探和评价矿产资源的需要，以及设计和规划露天矿坑的需要，进而在一定程度上便于对矿产资源进行管理。
关键词：三维地质模型 TIN模型 封闭面固化成体 精度评价
1 概述
在国内外矿业研究领域，三维地质建模技术逐渐成为研究的热点和焦点。通常情况下，进行矿体分析和矿床预测是以三维地质模型为基础的，三维地质模型在一定程度上为工程决策和管理提供参考依据。所以，在当前环境下，研究分析三维地质模型的建模过程，具有重要现实意义。
在对露天矿开采进行设计，以及制定生产进度计划时，需要结合地质数据管理的现状，利用三维地质建模技术，将计算机处理数据信息的能力与设计人员的专业知识、专业技能进行结合，其作用主要表现在：一方面展示工程设计人员的能力，另一方面制定科学、合理的采矿方案。
2 三维地质模型的建立及更新
2.1 建立三维地质面模型
2.1.1 建立采场面模型
在建立露天矿采场面模型的过程中，由于露天矿采场特点的影响和制约，在建模过程中本文采用了加入约束线的TIN模型，在构建露天矿采场面模型过程中，台阶线的约束条件需要进行重点考虑。在构建采场面模型的过程中，如果对坡顶线和坡底线的影响考虑的不全面、不细致，在一定程度上就会出现三角形跨越坡顶线和坡底线的现象，进而台阶被削平，影响下一步的工程量的计算。通过对TIN模型进行加入约束线处理，使之具有约束条件，进而很好的反映露天矿的地表情况，如图1所示。
■
图1 采场界面示意图
2.1.2 建立煤岩面模型
煤、岩对于露天矿来说，是其主要的地质矿床。在构建煤、岩面模型的过程中，约束线通常是平面数据点的边界线。为了达到描述煤、岩层面的目的，需要对煤岩顶板、底板、侧面分别构建三维面模型，为此本文通过采用带约束的TIN法进行建模。由于煤层界面处于地表之下，以此通过钻孔的方式获取样本数据，受取样点数量较少的影响和制约，高密度的TIN模型难以形成，进而需要对模型进行插值处理。在本文中使用的是距离幂次反比法，对三维格网数据点进行插值处理，形成Grid格网模型，最终生成TIN模型，如图2所示。
■
图2 煤层界面示意图
2.2 建立三维地质体模型
通过采用封闭面固化成体的建模方式构建三维地质体模型。在建模过程中，构建地质面模型时需要借助不规则的三角网，尤其是要充分利用上下地质界面和侧面的三角网模型，进而形成闭合面，进一步构造地质体，最后生成三维地质体模型，地质对象内部的属性特征和地质对象之间的拓扑关系通过三维地质体模型对其进行描述，该模型同时具有对三维空间进行分析、查询、决策功能。
2.2.1 建立采场现状实体模型
通过采用封闭面固化成体的方式建立采场现状实体模型，利用该模型对采场进行模拟，其效果较为理想。生成采场现状实体模型的过程如下：
①在建模过程中，模型的约束线选择露天矿台阶的坡顶线和坡底线，生成的TIN模型遵守带约束的Delaunay法则，构建采场现状面模型时使用小三角面片单元，在一定程度上生成采场现状的顶面模型。
②采场现状顶面模型边界线的确立。
③在某一水平面内对三角形面片单元进行投影处理，将产生的投影作为采场现状实体模型的底面。
④采场现状底面模型边界线的确立。
⑤通过①和③生成的模型顶面和底面，同时对模型的侧面进行构建。
⑥利用封闭面固化成体的方法，对已经确立的采场现状实体模型的顶面、底面和侧面进行处理，建立采场现状实体模型。
⑦通过采用AutoCAD提供的着色、渲染等手段对地层的形态进行显示，在一定程度上增强了立体感，进而使其更加形象，如图3所示。
■
图3 采场实体模型
2.2.2 建立煤层实体模型
在建立模型方法方面，建立煤层实体模型与建立现状实体模型大致相同。生成煤层实体模型的过程如下：
①煤岩顶底板所需的数据，在建模过程中，从钻孔、剖面图、等值线中获得，对离散数据通过估值的方式进行处理，通过对半径进行科学合理地参估，进而获得煤岩顶底板的相关数据。
②在构建顶板面模型、底板面模型的过程中，充分利用煤岩的顶板数据和底板数据，顶底板面模型的边界线自动生成。
③侧面模型的构建需要通过借助顶底板面模型的边界线。
④确立煤岩顶板、底板、侧面模型后，建立煤岩实体模型需要借助封闭面固化成体的建模方法，如图4所示。
■
图4 煤岩实体模型
2.2.3 建立露天矿三维实体模型
如图5所示，在建立地质体模型（现状实体模型、煤层实体模型、断层实体模型等）的过程中，其中，基态模型选择现状实体模型，通过运算建立相应的地质体现状模型，通过反插处理，生成相应的露天矿三维地质实体模型。
■
图5 露天矿三维实体模型
2.3 三维地质模型的更新
随着工作台阶的不断推进，需要对采场实体模型和煤岩实体模型进行更新。每月的平盘作业工作量，测量部门都要对其进行验收测量处理，同时及时更新采场DEM模型和采场现状模型。地质部门每月对于地层界面进行写实工作，利用新的地层界面写实数据对原有的地层平面数据进行及时的更新处理，然后对煤岩实体模型通过封闭面固化成体的建模方式进行更新。 露天矿三维可视化地质模型通过上述操作实现了自动更新的功能，在一定程度上构建了动态地质模型。结合露天矿的开采特点，这种模型能够进行自动更新，其更新过程是，利用测量验收数据和地质写实数据完成地质体模型、采场实体模型的更新功能。露天矿三维可视化地质模型的更新速度在一定程度上大大提高，为应用地质实体模型创造了条件。
3 三维地质模型精度评价
传统地形图在描述地形的过程中，受测量方法、误差、等高距等因素的影响，存在描述不准确，测量精度的缺陷。通过采用离散化的方式，对采样数据进行处理，三维地质模型在描述和表达的过程中，克服了传统地形图描述存在的缺陷和不足，在一定程度上提高了测量的精度和描述的准确性。
3.1 回放等高线套合分析
将模型数据生成等高线图，与原始等高线进行叠加比较，同时对等高线是否存在异常现象进行相应的检查，这个过程被称为等高线套合分析。通常情况下，对于模型精度，通过等高线套合分析就能对其进行全面的评价。如图6所示，其中灰色线和黑色线分别表示原始的等高线图和根据DEM内插生成的等高线。
■
图6 模型等高线叠加图
3.2 剖面检查法
沿着原始地质剖面方向，截取模型剖面图，通过与已知的勘探线剖面进行对比，分析高程点的误差，在一定程度上满足了误差精度的要求，该方法被称为剖面检查法，如表1所示。
表1 高程差比较表
■
4 结论
①本文在建立三维地质面模型的过程中，借助TIN建模方法和封闭面固化成体的构模方法，进而建立露天矿三维地质体模型，进而描述地层的形态和发育程度。
②本文通过采用自动更新的新方法对三维地质模
型进行处理，进而对地表模型和地质面模型进行自动更新。
③本文通过对模型精度的误差源进行分析，利用多种方法对模型精度进行评价。
参考文献：
[1]王志宏，陈应显.露天矿三维可视化矿床地质模型的建立[J].辽宁工程技术大学学报，2004（4）：145-148.
[2]宋子岭，王东，刘毅勇.元宝山露天矿地质模型及采矿计划编制系统[J].辽宁工程技术大学学报，2003（8）：12-14.
[3]邓寅生，曲鹏举，庞玉娟.基于OpenGL的地质体三维可视化系统开发[J].微计算机信息，2007.3（3）.
[4]刘少华，程朋根.Delaunay三角网嵌入约束线段算法的研究及三维可视化[J].华东地质学院学报，2003，26（1）：82-85.
[5]刘光伟.平庄西露天矿三维地质模型的建立[J].露天开采技术，2008增刊：45-46.
[6]车磊.平庄西露天煤矿动态地质数据库的开发及应用[J].露天开采技术，2008增刊：12-13.
关键词：三维地质模型 TIN模型 封闭面固化成体 精度评价
1 概述
在国内外矿业研究领域，三维地质建模技术逐渐成为研究的热点和焦点。通常情况下，进行矿体分析和矿床预测是以三维地质模型为基础的，三维地质模型在一定程度上为工程决策和管理提供参考依据。所以，在当前环境下，研究分析三维地质模型的建模过程，具有重要现实意义。
在对露天矿开采进行设计，以及制定生产进度计划时，需要结合地质数据管理的现状，利用三维地质建模技术，将计算机处理数据信息的能力与设计人员的专业知识、专业技能进行结合，其作用主要表现在：一方面展示工程设计人员的能力，另一方面制定科学、合理的采矿方案。
2 三维地质模型的建立及更新
2.1 建立三维地质面模型
2.1.1 建立采场面模型
在建立露天矿采场面模型的过程中，由于露天矿采场特点的影响和制约，在建模过程中本文采用了加入约束线的TIN模型，在构建露天矿采场面模型过程中，台阶线的约束条件需要进行重点考虑。在构建采场面模型的过程中，如果对坡顶线和坡底线的影响考虑的不全面、不细致，在一定程度上就会出现三角形跨越坡顶线和坡底线的现象，进而台阶被削平，影响下一步的工程量的计算。通过对TIN模型进行加入约束线处理，使之具有约束条件，进而很好的反映露天矿的地表情况，如图1所示。
■
图1 采场界面示意图
2.1.2 建立煤岩面模型
煤、岩对于露天矿来说，是其主要的地质矿床。在构建煤、岩面模型的过程中，约束线通常是平面数据点的边界线。为了达到描述煤、岩层面的目的，需要对煤岩顶板、底板、侧面分别构建三维面模型，为此本文通过采用带约束的TIN法进行建模。由于煤层界面处于地表之下，以此通过钻孔的方式获取样本数据，受取样点数量较少的影响和制约，高密度的TIN模型难以形成，进而需要对模型进行插值处理。在本文中使用的是距离幂次反比法，对三维格网数据点进行插值处理，形成Grid格网模型，最终生成TIN模型，如图2所示。
■
图2 煤层界面示意图
2.2 建立三维地质体模型
通过采用封闭面固化成体的建模方式构建三维地质体模型。在建模过程中，构建地质面模型时需要借助不规则的三角网，尤其是要充分利用上下地质界面和侧面的三角网模型，进而形成闭合面，进一步构造地质体，最后生成三维地质体模型，地质对象内部的属性特征和地质对象之间的拓扑关系通过三维地质体模型对其进行描述，该模型同时具有对三维空间进行分析、查询、决策功能。
2.2.1 建立采场现状实体模型
通过采用封闭面固化成体的方式建立采场现状实体模型，利用该模型对采场进行模拟，其效果较为理想。生成采场现状实体模型的过程如下：
①在建模过程中，模型的约束线选择露天矿台阶的坡顶线和坡底线，生成的TIN模型遵守带约束的Delaunay法则，构建采场现状面模型时使用小三角面片单元，在一定程度上生成采场现状的顶面模型。
②采场现状顶面模型边界线的确立。
③在某一水平面内对三角形面片单元进行投影处理，将产生的投影作为采场现状实体模型的底面。
④采场现状底面模型边界线的确立。
⑤通过①和③生成的模型顶面和底面，同时对模型的侧面进行构建。
⑥利用封闭面固化成体的方法，对已经确立的采场现状实体模型的顶面、底面和侧面进行处理，建立采场现状实体模型。
⑦通过采用AutoCAD提供的着色、渲染等手段对地层的形态进行显示，在一定程度上增强了立体感，进而使其更加形象，如图3所示。
■
图3 采场实体模型
2.2.2 建立煤层实体模型
在建立模型方法方面，建立煤层实体模型与建立现状实体模型大致相同。生成煤层实体模型的过程如下：
①煤岩顶底板所需的数据，在建模过程中，从钻孔、剖面图、等值线中获得，对离散数据通过估值的方式进行处理，通过对半径进行科学合理地参估，进而获得煤岩顶底板的相关数据。
②在构建顶板面模型、底板面模型的过程中，充分利用煤岩的顶板数据和底板数据，顶底板面模型的边界线自动生成。
③侧面模型的构建需要通过借助顶底板面模型的边界线。
④确立煤岩顶板、底板、侧面模型后，建立煤岩实体模型需要借助封闭面固化成体的建模方法，如图4所示。
■
图4 煤岩实体模型
2.2.3 建立露天矿三维实体模型
如图5所示，在建立地质体模型（现状实体模型、煤层实体模型、断层实体模型等）的过程中，其中，基态模型选择现状实体模型，通过运算建立相应的地质体现状模型，通过反插处理，生成相应的露天矿三维地质实体模型。
■
图5 露天矿三维实体模型
2.3 三维地质模型的更新
随着工作台阶的不断推进，需要对采场实体模型和煤岩实体模型进行更新。每月的平盘作业工作量，测量部门都要对其进行验收测量处理，同时及时更新采场DEM模型和采场现状模型。地质部门每月对于地层界面进行写实工作，利用新的地层界面写实数据对原有的地层平面数据进行及时的更新处理，然后对煤岩实体模型通过封闭面固化成体的建模方式进行更新。 露天矿三维可视化地质模型通过上述操作实现了自动更新的功能，在一定程度上构建了动态地质模型。结合露天矿的开采特点，这种模型能够进行自动更新，其更新过程是，利用测量验收数据和地质写实数据完成地质体模型、采场实体模型的更新功能。露天矿三维可视化地质模型的更新速度在一定程度上大大提高，为应用地质实体模型创造了条件。
3 三维地质模型精度评价
传统地形图在描述地形的过程中，受测量方法、误差、等高距等因素的影响，存在描述不准确，测量精度的缺陷。通过采用离散化的方式，对采样数据进行处理，三维地质模型在描述和表达的过程中，克服了传统地形图描述存在的缺陷和不足，在一定程度上提高了测量的精度和描述的准确性。
3.1 回放等高线套合分析
将模型数据生成等高线图，与原始等高线进行叠加比较，同时对等高线是否存在异常现象进行相应的检查，这个过程被称为等高线套合分析。通常情况下，对于模型精度，通过等高线套合分析就能对其进行全面的评价。如图6所示，其中灰色线和黑色线分别表示原始的等高线图和根据DEM内插生成的等高线。
■
图6 模型等高线叠加图
3.2 剖面检查法
沿着原始地质剖面方向，截取模型剖面图，通过与已知的勘探线剖面进行对比，分析高程点的误差，在一定程度上满足了误差精度的要求，该方法被称为剖面检查法，如表1所示。
表1 高程差比较表
■
4 结论
①本文在建立三维地质面模型的过程中，借助TIN建模方法和封闭面固化成体的构模方法，进而建立露天矿三维地质体模型，进而描述地层的形态和发育程度。
②本文通过采用自动更新的新方法对三维地质模
型进行处理，进而对地表模型和地质面模型进行自动更新。
③本文通过对模型精度的误差源进行分析，利用多种方法对模型精度进行评价。
参考文献：
[1]王志宏，陈应显.露天矿三维可视化矿床地质模型的建立[J].辽宁工程技术大学学报，2004（4）：145-148.
[2]宋子岭，王东，刘毅勇.元宝山露天矿地质模型及采矿计划编制系统[J].辽宁工程技术大学学报，2003（8）：12-14.
[3]邓寅生，曲鹏举，庞玉娟.基于OpenGL的地质体三维可视化系统开发[J].微计算机信息，2007.3（3）.
[4]刘少华，程朋根.Delaunay三角网嵌入约束线段算法的研究及三维可视化[J].华东地质学院学报，2003，26（1）：82-85.
[5]刘光伟.平庄西露天矿三维地质模型的建立[J].露天开采技术，2008增刊：45-46.
[6]车磊.平庄西露天煤矿动态地质数据库的开发及应用[J].露天开采技术，2008增刊：12-13.