地矿工程三维仿真技术优化

本应用以该金矿为背景实现面向地矿工程的三维仿真功能，该系统共包括地表地形三维仿真、矿床三维仿真、断层三维仿真和巷道工程三维仿真等4个功能模块。

1.地表地形三维仿真

通过对该金矿实际调研，系统以1：2000该矿地形图为主体，并以勘探过程中的钻孔数据、竖井数据为参考，共采集了1417个高程点。

（1）TIN法构建地表地形模型及仿真效果。在进行了数据预处理后，基于Delaunay三角剖分算法建立空间三角形模型、边模型，形成不规则三角网格模型，共建立三角形边8442条、三角形个数2814个；并计算各顶点的法向量及材质模型，以优化光照效果；使用JOGL绘制技术进行纹理设定，表达真实地表形态。图6.12所示为直接采用TIN法构建的地表地形线框模型；图6.13所示为在TIN法的基础上，采用面绘制技术并配以光照所生成的地表地形效果图。

图6.12　TIN法构建金矿地表地形线框模型

图6.13　TIN法构建金矿地表地形面绘制效果

由图6.13可见，直接采用TIN法建立的地表地形模型较为粗糙，在有些地方出现不光滑的失真现象。针对此问题，本应用对比采用距离幂次反比法和泰森多边形法对高程数据进行插值处理，形成三维规则网格（体素）。系统在体素的基础上，再次建立TIN模型，生成图6.14所示的基于体素的TIN法构建的地表地形线框模型和图6.15所示的面模型。对比图6.15与图6.13，可见经插值后的地形仿真更加光滑、细腻，更接近于真实世界。在图6.14、图6.15中，采用距离幂次反比法进行数据插值，其网格大小为（20m×20m），结点15370个，三角边91071条，三角形30357个，仿真范围（412292，40532064）～（4120103，40530104），插值半径为100m，插值幂次为3。

图6.14　TIN法构建插值后的金矿地表地形线框模型
（插值网度20m×20m）

在由TIN法所生成的地表地形高程模型上，采用等值线追踪算法构建地表地形等高线模型以实现地表地形模型的仿真，其效果如图6.16所示。同时，本应用以TIN模型为基础，实现了地表地形、湖泊、厂区建筑等实体的集成仿真，其效果如图6.17所示。

图6.15　TIN法构建插值后的金矿地表地形面绘制效果（插值网度20m×20m）

图6.16　等值线追踪算法构建金矿地表地形等高线效果

（2）地表地形一体化模型及仿真效果。在对地表地形高程点分析的基础上，确定了地表地形仿真的三维空间范围（412292，40532064，120）～（4120103，40530104，180），通过体素填充空间，实现空间体素化。同时，本应用以该金矿的某一湖泊和地表地形为研究对象，在确定这两者的空间拓扑关系后，实现矿山复合场中地表地形一体化模型，并通过MC法实现地表地形一体化模型的绘制。图6.18所示为体素大小为50m×50m×5m时的MC法绘制的地表地形一体化模型效果；图6.19所示为体素大小为20m×20m×5m时的MC法所绘制的地表地形一体化模型效果；图6.20所示为体素大小为5m×5m×5m时的MC法所绘制的地表地形一体化模型效果；图6.21所示为体素大小为5m×5m×5m时的MC法绘制湖泊一体化模型效果；图6.22所示为体素大小为20m×20m×5m时的MC法绘制地表地形、湖泊一体化模型效果；图6.23所示为体素大小为5m×5m×5m时的MC法绘制地表地形、湖泊一体化模型效果。

图6.17　TIN法实现金矿地表地形、湖泊、厂区建筑等集成仿真效果

图6.18　MC法绘制该矿地表地形一体化模型效果（体素大小为50m×50m×5m）

图6.19　MC法绘制该矿地表地形一体化模型效果（体素大小为20m×20m×5m）

图6.20　MC法绘制该矿地表地形一体化模型效果（体素大小为5m×5m×5m）

图6.21　MC法绘制该矿湖泊一体化模型效果（体素大小为5m×5m×5m）

图6.22　MC法绘制该矿地表地形、湖泊一体化模型效果（体素大小为20m×20m×5m）

图6.23　MC法绘制该矿地表地形、湖泊一体化模型效果（体素大小为5m×5m×5m）

（3）分析与讨论。对比图6.18～图6.23，可知当体素形状变小后，仿真对象越光滑、越连续，但对象体素化后所占据的体素体也越来越多，这就对系统资源的要求也越来越高。这就比基于体素的TIN方法进行绘制所需资源要大得多。

对比图6.22与图6.17，可发现当采用MC法进行地表地形对象的仿真时，在仿真的过程中，就产生了等高线，不需要另用其他算法生成。另外，在图6.23中，地表地形与湖泊共同绘制时，一般的面模型需要通过复杂的运算以形成两个互相嵌套的对象，而对基于体素的一体化模型则只需建立逻辑树以确定其逻辑关系，就可方便地采用各种方法进行绘制。

2.矿床三维仿真

在本应用建立过程中，共涉及钻孔数据140条，主要勘探线48条（间距约100m），样本数5634个（有效样本为4981个），其中1号矿体涉及1603个样本，2号矿体涉及3378个样本。

经数据预处理后，设置离散间距为0.5m，离散点9093个，分别采用泰森多边形法、距离幂次法和克里格法进行插值，令搜索半径为100m，网度为10m×10m×2.5m，一号矿体插值范围为（4120151，40530328，-210）～（4121152，40532064，-380），二号矿体插值范围为（4121152，40530328，-210）～（4122922，40532064，-380）。其中，泰森多边形法大约有954746个有效点；距离幂次法大约有279461个有效点；克里格法大约有986177个有效点；采用设置不同颜色的方式来表达品位属性，并通过JOGL中点绘制、线绘制、实体绘制方法进行钻孔、样本、矿床等的绘制。图6.24所示为该矿钻孔三维表达；图6.25所示为钻孔样品三维表达；图6.26所示为多边形法处理的矿体；附图6.27所示为距离幂次反比法处理的矿体；图6.28所示为克里格法处理的一号矿体；图6.29所示为克里格法处理的二号矿体。

图6.24　钻孔三维表达

图6.25　钻孔样品三维表达

图6.26　多边形法处理的矿体

图6.27　距离幂次反比法处理的矿体

(www.xing528.com)

图6.28　克里格法处理的一号矿体

图6.29　克里格法处理的二号矿体

3.断层三维仿真

在该矿-370～-210m水平地质平面图上，所显示的较大断层主要有F1、F3、F4、F5断层及大尹格庄断裂带F0等5条。在本应用中，断层仿真的实现分为两种，即直接构造断层的TIN模型并进行面绘制和基于体素构造断层模型并采用面绘制方法进行断层的表达。

（1）直接建立TIN断层模型并仿真。直接建立带约束的TIN断层模型，并在此基础上以面绘制方法实现对断层的仿真。在实现过程中，又可以分为单条断层的显示及多条断层集中显示。单条断层显示主要是显示单条断层的空间几何形态及在空间中的赋存状态，如图6.30所示；多条断层集中显示主要是将5条断层显示在一个窗口中，表现断层间的相互关系，其显示效果如图6.31所示。

图6.30　带约束TIN法构造断层模型的面绘制效果（断层F3）

图6.31　带约束TIN法构造多个断层模型面绘制效果（断层F0、F1、F3、F4、F5）

图6.32　基于体素的TIN法构造断层F1模型效果（体素大小为5m×5m×5m）

（2）基于体素的面绘制法表达断层。按照前面所述方法，在建立带约束的TIN模型断层之前，首先进行断层内插形成断层的体素，从而获得更多的中间断层。在此基础上，逐层建立断层的TIN模型，其显示效果如图6.32所示。若直接采用MC法表达断层，则效果如图6.33所示。

图6.33　MC法构造断层F1模型效果（体素大小为5m×5m×5m）

（3）直接体素绘制表达断层。在对断层进行内插后，所形成的体素也可直接进行断层的表达，效果如图6.34所示。

基于体素的面绘制方式也可进行组合显示，效果见图6.35。在图6.35中，包括断层F1、F3和F4的显示。

4.巷道工程三维仿真

图6.34　直接体绘制法实现断层F1的仿真（体素大小为5m×5m×5m）

图6.35　基于体素的TIN法构造多个断层的效果（体素大小为5m×5m×5m）

在井巷工程仿真系统中，涉及该金矿-140m、-175m、-210m、-290m、-380m、-496m等6个中段的水平巷道1360条；1号、2号、南风井、北风井等竖井4个；-175～-210m、-210～-290m、-290～-380m以及-380～-496m等5个中段之间的主要的斜坡道4条；另包括-425m水平和-452m水平的巷道，各种溜井24个，关键点选取2031个；其中，1号矿体总共涉及342条巷道，2号矿体总共涉及1209条巷道。

经数据预处理后，通过JOGL中点绘制、线绘制、面绘制、体绘制等方法进行关键点、导向线、巷道、井筒等的绘制。图6.36所示为该金矿整体井巷工程三维可视化。

图6.36　整体井巷工程三维可视化

5.复合场一体化仿真

利用前面各研究成果，还可以实现矿山地表地形、井巷工程、地矿体、断层与钻孔等的一体化显示。图6.37所示为该矿钻孔、地表地形、矿体（1号、2号）集成仿真效果；图6.38所示为矿体与井巷工程集成显示效果；图6.39所示为该矿井巷、地表地形、矿体（1号、2号）集成仿真效果；图6.40是该矿地表地形MC法绘制技术与井巷工程面绘制技术集成显示效果。

图6.37　钻孔、地表地形、矿体（1号、2号）集成仿真效果

图6.38　矿体与井巷工程集成显示效果

图6.39　井巷、地表地形、矿体（1号、2号）集成仿真效果

如图6.41所示，该矿井巷与断层F3的空间拓扑关系，若采用一体化模型和直接体绘制技术，则可形成断层F3和2号矿体-290m水平的巷道的一体化模型，其仿真效果如图6.42所示。根据所建立的断层与巷道之间的逻辑表达树，则拆分断层与巷道，则巷道无变化，而断层F3中间被巷道穿透，如图6.43和图6.44所示。

图6.40　地表地形与井巷工程集成显示效果

图6.41　井巷与断层F3的空间拓扑关系

图6.42　2号矿体-380m水平巷道与断层F3相交

图6.43　该矿断层F3的一体化模型

图6.44　2号矿体-380m水平巷道的一体化模型