矿山数据三维特征分析及矿山三维GIS研究

郑贵洲

(中国地质大学，湖北大 武汉，430074)

摘要矿山数据极其复杂，矿山三维GIS研究已引起了广泛的重视。建立矿山三维GIS，需要利用3D数据结构描述矿山三维实体，利用可视化、虚拟现实等实现矿山数据三维显示。矿山三维GIS可以有效地管理矿山数据，实现矿山可持续发展。

关键词 矿山，地理信息系统，3D数据结构，可视化,虚拟现实

一、矿山三维数据特征分析

发展矿山三维GIS首先要从研究矿山复杂实体入手。矿山现象极其复杂，既包括地层、断裂、矿体等天然地质体，也包括钻孔、矿井、巷道、探槽、采空区、采矿区等人工设施。而且相互间关系错综复杂、变化多端，矿体是富集某些矿物成分的岩石，是一种体状构造。矿体的形成和分布是受构造、沉积等因素控制的，根据矿体的成因、环境和条件不同，矿体的形状有层状、脉状和团状之分。矿体是一个三维实体，其表面为不规则曲面，且内部矿体品位分布不均，对于矿体的外形，可以用一个不规则的封闭曲面来确定。为确定矿体的范围，要经过地表勘察，地下钻探以及地质测深等手段来完成。钻孔通常按一定的规律布设(沿纵横断面)，通过对钻孔的测斜资料的计算，可以得到钻孔通过矿体顶底板的三维坐标（X，Y，Z）以及不同品位矿体的表面模型。因此，矿体可以用数字高程模型（DEM）的方法来描述这些层面的数字表面模型。矿山勘查所观察到的数据为一系列离散的、不规则的数据，空间分布极不均匀，在许多情况下数量有限。由于形成条件的复杂性和后期构造运动的改造、破坏及其它因素的影响，许多现实中的地质体本身是不连续的，而且是突变的，因而组成地质体的地质曲面往往也是不连续的。但是矿山实体所包含的子实体间存在相互作用关系，如矿体和围岩、两个相邻或不相邻地层间、构造与煤层气之间都是具有关联性的。要正确建立矿山三维GIS，必须认真分析矿山三维数据来源及矿山三维数据特征。

矿山数据涉及诸多领域，一般包括有地质、资源、采矿、水文、测量、管理、建筑、经济、机电、运输等等方面的数据信息，这些数据都有一定的格式和规范要求。矿山数据的获取方式多样，包括测量方式（遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量US等）、勘探方式（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、传感方式（各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号与故障传感、工业电视）、文档录入（法规、法令、文件、档案、统计数字）[1]。矿山测量信息一般以台帐、测量图、数据库、GPS信息等形式存储，矿产资源、地质信息一般以地质报告、地质图件、地质数据库的形式提供，而采矿工程信息是用矿图、文字报告、表格以及数据库等形式来表达的。因此矿山数据源包括地形图、DIM及测量资料、矿山土地利用图、地质图、文字报告、矿床产状图及文字报告、采掘工程图、井上下对照图、环境监测资料、矿山建筑资料等。其存储形式主要有图形、图像、文字、表格等，这些数据源都是静态的。矿山数据除了和许多其它地理信息一样具有三维的几何和属性信息之外，在矿山的整个生产过程中，由于矿山生产和矿山周边区域社会不断发生着变化，一部分的矿山数据将处于不断的更新中，即矿山数据中存在有大量的动态数据，例如：随着工作面的不断推进，上覆岩层的破坏、断裂、垮落是一个动态发展的过程，同时矿山压力的重新分配将会引发矿井水、瓦斯分布的变化等等[2]，这部分数据是生产和管理的最新资料，是系统保持现势态所必需的。矿山数据是一个动态的积累过程，即数据的总量是不断增加的，反映矿山实体的层次逐步细化，反映地质体客观现象和规律的准确程度逐步提高。通过重磁、地震等地球物理方法获得了反映地层(岩石)空间分布的数据，通过钻井、测井等方法获得了地下岩石的组成及岩石化学、岩石物理等方面的数据，然后对这些数据进行分析，同时结合已有的数据或经验来确定出矿脉的形成和分布情况，这就存在着一定的不确定性。

矿山数据与其它的地理信息数据相比有其自身的独特性，数据量大而复杂，涉及诸多行业，未知数据较多等等。矿山作为一个实体，包含多种子实体，有些子实体还具有随着矿山生产的进行而发生变化的特点，即具有时间维上的变化。总的来说，矿山数据具有多源性、复杂性、时空性、关联性、动态性等特点。

二、矿山三维GIS研究现状

70年代中期开始，西方主要国家开始成立采矿软件公司研制采矿软件，80年代以来，地理信息系统(GIS)向矿业领域的渗透，为矿山GIS建立创造条件，GIS在其它学科及领域中的成功应用和实践，为矿山GIS的建立提供了宝贵的经验。1996年至1999年分别在英国Leeds、新西兰Otago、英国Bristot、美国弗吉尼亚州Fredericksburg举行了四次地质计算机会议，内容涉及矿山建模、模拟和可视化[3]，1997年11月在澳大利亚西部的最大城市珀斯(perth)附近的海滨卫星城弗里曼特(Fremantle)举行第十届国际矿山测量学术大会，内容包括矿山三维制图[4]。2000年Eric A. de Kemp（E.A.de Kemp）以太古代科帕蒂纳组阿比提比绿岩带为例，建立了构造场数据三维可视化模型[5]。以加拿大、澳大利亚、美国、英国为代表相继推出了一些代表性的矿山模拟与矿业应用软件系统，比较有影响的有:基于Unix的LYNX、Vulcan(MapTec)、Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-KEagles;基于PC机的Micromine、Gemcom、Mincom、MineMap、LYNX、Vulcan和基于NT的Vulcan。这些软件涉及领域包括：矿山模拟、矿业应用、开采评估、设计规划、生产管理等[6,7]，并在世界许多采矿国家得到应用。

随着GIS技术的发展，二维GIS已经在各行各业得到广泛应用，但现实世界是真三维空间，二维GIS无法描述诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场。因此，三维GIS的理论和应用研究开始引起了人们的普遍重视，三维GIS的研究与日俱增。90年代后，三维GIS理论的不断成熟，真三维GIS研究得到了大发展。并向实用化方向发展，市场上开始有一些真三维的GIS商品软件问世。加拿大、澳大利亚、英国、南非等国还相继推出了一批在矿山和工程地质领域得到推广应用的3DGMS软件,目前,比较优秀的真三维GIS有德国WASY公司的FEFLOW等。然而，我国矿山中GIS应用研究起步较晚，矿山三维GIS的研究刚刚开始，GIS在矿山中的应用没有取得突破，与国际水平相比有较大差距，三维矿山模拟软件尚不十分成熟，不能满足矿山建模的需要，仅仅是做了一些探索性的应用研究工作。例如，中国矿业大学吴立新等基于LYNX进行了三维地学模拟体视化技术在煤矿的应用研究[8]，中国地质科学院区划室陈郑辉、肖克炎等基于Vulcan软件系统对阿舍勒铜锌矿床三维立体模型的研究[9]。西安煤田航测遥感公司应用RS与GIS技术在航空地质测量、煤田预测等任务中取得多项成果[10]。在开发自己版权的三维矿山模拟软件方面最近几年取得了一定的进展，吴立新等基于加拿大Apollo 科技集团Titan-GIS3.1的基础控件，结合我国矿山的实际需要，开发了矿山地理信息系统——TT-MGIS2000[11]。煤炭科学研究总院唐山分院开发的矿山测量图绘制和测量数据管理软件[12]。

人类的发展都面临着人口、资源和环境等问题，这些问题都与地球科学研究密切相关。社会的发展和信息时代的到来，迫使地球科学家门不断深化理论认识和利用高新技术方法去解决国民经济发展所面临的紧迫问题。矿产资源是人类生产和生活资料的基本源泉，是人类宝贵财富，矿产资源的开发利用与国民经济建设的各个部门息息相关，矿产资源的丰富程度和开发利用程度是决定一个国家经济实力和发展潜力的重要因素。随着社会发展、科学技术进步和世界人口增长，矿产资源消耗速度也越来越快。只有通过积极研究、开发与应用矿业地理信息技术，才能有效地管理矿山，为矿产资源的综合、有效开发、加工与利用提供必要的信息和决策支持，从而最大限度地利用矿产资源,实现矿产资源可持续发展。

三、矿山三维GIS实现技术

矿山现象远远不限于一般的体，还包括线、柱体这样一些非体和特殊体的现象。许多矿山现象都有一定的趋势，如某一地区有其占优势的构造走向，这种趋势就称为各向异性，在进行数据模拟时应加入这种各向异性，这样可形成与现有地质解释相一致的模型。矿山中断层面的模拟是一个复杂的交互过程。一般情况下，应利用不同剖面上的断层线来形成相应的面，因为同一条断层在不同剖面上表现形式不同，有时不能确定哪一条线应属于哪条断层，应根据已有的证据来进行合理的解释，形成合理的断层面形态。因此，矿山三维GIS的建立是一个复杂的过程，要正确地表达地层、矿体、断层间复杂的空间形态和关系，必须考虑许多特殊制约因素及相关的地质学原理，必须选择合适的方法来模拟，熟悉所要模拟的矿山现象，掌握地质规律，根据矿体分布的成层性、方向性、各向异性、不连续性等选择合理的3D数据结构、3D数据模型。从矿山实体空间中抽象出各种基本描述对象，根据各类对象的不同特点采用不同的三维数据模型来描述矿山现象，构建实体模型，定义实体三维空间数据结构，实现对三维矿山现象有效、完整的描述。目前主要的三维数据结构为三维栅格(Array)、八叉树(Octree)、实体结构几何法(CSG)、四面体格网(TEN)等。

在矿山应用领域中，空间对象极为复杂的，大量的极其不规则的断层、地质体、钻孔、矿体、坑道等在三维描述与显示方面非常复杂，矢量结构难于解决实体内部不均匀现象，栅格结构无法满足拓扑关系分析的要求。为了解决以上问题，人们试图寻找最有效的三维数据结构。龚健雅等[13]以矿山应用为背景，深入分析了三维空间信息系统所涉及到的空间对象以及它们之间的联系，提出了几种新的空间对象类型，探讨了用矢量与栅格混合的数据结构以及面向对象的数据模型来表达各类三维空间的对象。李清泉、李德仁[14，15]针对城市、海洋等领域的应用，发展了用于地质、海洋等领域基于八叉树和四面体格网的混合模型。李青元[16]从矿山领域的应用出发，提出了三维矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五组拓朴关系；吴立新等[17]重点研究了基于三棱柱体体元在三维地质建模中的应用。由于地学对象赋存形态各异，千变万化，各种模型又都有其优缺点，空间数据模型的集成是充分利用不同的数据模型在描述不同空间实体时所具有的优点，将它们集成在一起，实现对三维地质空间现象的有效、完整的描述。现阶段结合不同的应用目的，发展三维空间数据模型的集成方法具有重要的现实意义。

三维可视化技术是矿山三维GIS建立的核心技术，在矿山三维模型建立过程中必须充分利用色彩处理、光线处理、纹理映射、动画、雾化效果、透明处理等可视化技术。光照、材质与纹理的有效利用，有助于实现矿山三维数据可视化，实现在三维虚拟世界中对具有形体的矿山信息进行操作和分析，例如可从任意角度观察、分析并解释三维矿体，显示矿体任意位置的切平面图、剖面图及三维立体图。不仅能观察数据体的表面特征，而且体空间具有一定的透明度，穿透矿体可由外部直接看到内部的特征。通过设置光照方向、角度及调整透明度，改善视觉效果，突出目标特征。目前三维可视化接口软件OpenGL、QD3D(QuickDraw3D)、Direct3D、Glide、PowerSGL[18]得到了较大的普及。OpenGL具有120多个功能强大的函数，开发人员可以利用这些函数来构造矿体模型，实现矿山三维图形实时交互。QD3D是完全面向对象的，可以利用具有内在特征(如光照、几何变换和纹理映象等)的新的对象实例，简便地构造三维模型。Direct3D和QD3D一样，也是一个简洁的面向对象的可扩充体系结构。这三种3D软件各具特点，在进行矿山现象的可视化处理时，可根据运行环境和功能需要进行选择。OpenGL除了提供点、线、多边形等基本几何图元的绘制函数外，还提供了部分三维实体(球、锥、多面体等)以及复杂曲线和曲面的绘制函数。矿体作为一个真正的三维实体模型，仅仅绘制出曲面是不够的，必须进行后续处理。OpenGL可对矿体进行着色、纹理处理等细化加工，并运用一定的光源设置，使三维矿体显示更加逼真。例如,曹代勇等研究了OpenGL在三维地质模型可视化中的应用[19]。

近年发展起来的虚拟现象是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统，VR能够充分反映三维矿体的形态，同时又加强了人机交互的能力，为三维矿体动态显示提供了新的研究思路。利用虚拟现实(VR)技术可实现地质三维模型的动态显示，全方位、多视角地动态观察，多种实时的数据漫游和浏览，多样化的图形显示控制方式，预先编辑飞行观察路线，然后沿模拟的飞行路径从空中动态地、多方位地观察感兴趣的地段。R.Marschallinger,S.E.Johnson应用可视化环境完成了地质材料微构造三维重建，利用图像、动画、视频、电影、虚拟现实等技术在网上实现了地质材料三维模型可视化[20]。VR具有直观、面向对象等特点，使用其对三维矿体进行可视化显示不需要太复杂的数学和图形知识，而且还能够方便地实现用户交互功能。这是空间数据可视化最有发展前途的新领域，它已成为大家关注的热点，也是研究、利用数字地球资源的重要工具。VR 必将促进人机交互一场新的。实现用户与环境直接、自然交互用户面对的可视人机界面不再仅仅是一些静态的、二维的图形，而是动态的、三维的实体。

四、矿山三维GIS研究意义

最近30年来，地理信息系统的理论及其技术方法得到了蓬勃发展，成为世界范围内最活跃的科学研究和技术产业领域。地理信息系统作为一种用来进行管理、分析空间数据的工具，在矿山管理中发挥越来越重要的作用。矿山行业迫切需要一个适应于我国国情的专业化的矿山三维可视化GIS。但由于到目前为止，现有的GIS系统都还只能实现空间数据的二维或者2.5维的表达和处理，还没有真正的三维GIS系统，因此在具有三维特性的矿山领域中的应用受到了很大的，国内还未见投入工业化运行的矿山GIS系统。三维矿山GIS是矿山发展的迫切需要和发展方向。

由于矿山数据的复杂性等客观原因以及长期以来企业过于追求短期经济效益，而致使我国矿山资源开发中存在着很多问题，信息化程度低，对已有的矿山数据利用率低，安全生产状况不容乐观等等。据有关数据显示，就信息技术在矿山生产中的应用程度，我国与发达国家相比至少存在15年的差距，而信息化和智能化是矿山生产的发展方向。矿山三维GIS将成为矿山生产规划和信息化管理不可缺少的工具，从数据采集、存贮与预处理、加工与成图、分析与应用等各个环节，矿山三维GIS都将发挥其它任何工具都无法替代的作用。

矿山行业迫切需要一个适应于我国国情的专业化的矿山三维GIS系统，极大地提高矿山生产各部门的工作效率。矿山生产需要根据已积累的各种数据，建立真三维的矿山模型，实现矿山的全景显示、动态显示，真实、直观、准确、清晰地表现地层、断裂、矿体及围岩形态,表达钻孔、矿井（竖井、斜井）、巷道、探槽、采空区、采矿区、采矿工作面形态,表达各种机械设备的配备与运转状况,表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地应力场等三维现象,矿山三维GIS可以有效地建立矿山空间数据库,可以有效地利用现有资料对未采区和采掘工作面前方、深部及外围的地质构造、矿体变化、矿床分带及其它开采条件进行预报预测。实现矿山数据快速更新，改进对矿山数据的理解，提高信息的利用率，加速矿山数据自动化、信息化、数字化、定量化以及智能化的进程。提供给矿山规划决策、生产管理更多更有效的信息，为矿山勘查评价、矿产资源预测、人类环境保护、国土资源调查提供科学依据,实现矿山可持续发展。减少因决策、设计失误造成的损失,保障矿山合理规划、安全生产,实现矿山可持续发展。

矿山三维GIS不仅可以提高了矿山建模的计算机化程度，而且为人机联作创造优异的环境和平台，让人机联作和谐，减少人在建模工作中的控制和干预，提高建模的速度和自动化程度，加速了矿山建模的科学化和现代化进程，必将对传统矿山企业的信息化改造与创新发展起到推动作用，给矿山工作带来质的变化、性的飞跃。

数字地球就是一个全球范围的，以地球位置及其相联系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入人类所能获得的所有相关信息。数字矿山是数字地球的重要组成部分，矿山三维GIS是数字矿山重要的、关键的支撑技术。数字地球时代迫切需要发展矿山三维GIS，它已引起地球科学界的广泛关注，并成为具有国际前沿性质的研究热点。我们应该组织人力进行联合攻关，努力发展民族矿山三维GIS，并与国际研究同步，尽快同国际接轨。

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RESEARCH OF MINE 3D GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM

Abstract The mine data is very complicated. The research Of Mine 3D GIS has been though extensively.If Mine 3D GIS is developed, it is necessary to use 3D data structure for describing the mine 3D entity and to use visualization ,virtual reality and so on for displaying 3D data . Mine 3D GIS may effectively manage Mine data and realize continuing development of Mine.

Key Ward Mine，Geographic information system ，3D data structure, visualization,virtual reality