三维数字矿山信息系统的集成与研发

安力立，陈建平，于 淼，于萍萍

(1．中国地质大学(北京)，北京 100083;2．北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京100083)

三维数字矿山信息系统的集成与研发

安力立1，2，陈建平1，2，于 淼1，2，于萍萍1，2

(1．中国地质大学(北京)，北京 100083;2．北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京100083)

以四川拉拉铜矿山为例，集成三维建模技术、信息技术、虚拟现实技术等高新技术，构建了一套集三维地质模型、虚拟场景漫游、数据查询及二维、三维联动等功能于一体的完整的三维数字矿山信息系统。该系统为矿山管理、生产和科研服务提供了有效的综合平台，具有面向公众的矿山查询、浏览、科普教育的公益性。

数字矿山;三维地质模型;系统集成;拉拉铜矿山;四川

0 引言

随着科学技术的发展，同时也为了满足地质工作者的需求，找矿勘查等地质基础数据资料都在逐渐地实现数字化。目前，已经有许多研究者为实现数字矿山的建设做了多方面的研究，如三维地质建模与可视化的研究以及利用虚拟现实技术建模与展示的研究等(陈建平等，2007;葛双全等，2008;孟平凡等，2008;魏静等，2008;向中林等，2009)。但是，利用专业软件建立的三维地质模型的浏览和展示需要借助于专业单机软件，缺少将二维信息数据与三维模型结合、对模型进行自主漫游浏览的功能;利用虚拟现实技术软件建立的地质模型只是简单示范性的，并不能真正地应用在研究中。因此，如何将精准的地质模型与仿真的地表模型准确地放在一个平台上、使所有的二维和三维信息集成在一起，并且可以让使用者从各个角度内外兼顾地观察研究、自主操控各种数据信息，是数字矿山建设进一步研究的重点。以四川拉拉铜矿山为找矿基地，集成三维建模技术、信息技术、虚拟现实技术等高新技术，并将现有的各种二维、三维数据资料与各个地质模型有机地融合在一起，建立一套集精准地质模型、虚拟场景漫游、数据查询及二维、三维联动等功能于一体的、完整的三维数字矿山信息系统。

1 系统的集成设计

数字矿山的建设包括建立矿山模型与实现矿山漫游两个方面，是现代矿山信息化研究的重点。系统的构建流程可分为3个阶段，即收集多种数据资料、构建三维模型、系统的集成与实现(图1)。

图1 系统开发流程图

该系统利用专业建模软件建立真实的地质体、巷道、房屋建筑、地表等模型，借助VR软件的集成功能将各个模型统一导入，自动根据各自的坐标系统准确地组合，将各种二维的地、物、化、遥信息与三维模型有机融合在一起，丰富地上、地下的属性信息，同时可以实现自主地对各种物体模型全方位的内、外漫游浏览与综合分析研究。

以四川拉拉铜矿山为研究对象，集成三维建模技术、信息技术、虚拟现实等技术，应用Surpac地质专业建模软件、3ds MAX、GIS以及虚拟现实仿真平台(VRP)等完成整个系统的构建。

2 拉拉铜矿山虚拟环境的建立

数字矿山的建立以整个矿山为对象，对于区域过大的矿山基地可以分区式建立多个矿山模型，最后进行整个矿山的合并与信息集成。建立数字矿山，需要有定位准确的地质模型做基础，同时，地质资料越详细，模型就越接近真实地质环境。

研究收集了研究区的多种地质资料，包括矿区地质图、工程部署图、中段平面图、勘探线剖面图以及矿区范围内30 m分辨率的DEM数据和0．5 m分辨率的WorldView-2遥感影像等，对各种资料进行处理，如投影转换、校正、融合、矢量化纸质图件等。

2．1 地形模型

对于大范围建立地形地貌，适宜选用GIS软件，通过获取的DEM数据自动生成地形实体模型，再将相应的遥感影像生成三维立体图像与地表模型叠加融合(图2)。

图2 拉拉铜矿矿区三维地形模型

结合高程数据的地形影像图呈现的立体感，可以很直观地分辨出山脉、河流、低谷以及居民楼所处地势。研究者可以随时确定某点的具体位置以及地上、地下等周边环境，了解地下地质构造条件。

2．2 地质实体模型

Surpac不仅具有GIS的部分基本功能，还针对金属矿勘探、设计和生产各个环节，设计了细致、强大的专业功能模块，具备多种建模方式，实现了动态操作，模型具有良好的闭合空间结构，是矿山企业进行矿床建模较好的开发工具(杨文静等，2007)。

地质实体模型包括矿体、岩体、构造、地层等模型。其中，构造模型主要为断裂模型的建立，其他构造的模拟需要进一步研究。实体模型一般是利用轮廓线重构技术构建的一个封闭三角网，即由勘探线剖面上的实体截面形态来构建的三维实体表面，其中，各剖面的地质解译是准确构建矿体实体模型的关键。由专业软件建立的地质体模型，能够形象直观地表达矿体的产状、几何形态以及空间分布，从而辅助科研人员研究矿体与围岩、地层、构造的关系及成矿规律，进而对隐伏矿体作出准确的预测。图3、图4、图5为拉拉铜矿矿区的地层、岩体、矿体的实体模型。

2．3 二维信息与三维模型的集成

在找矿过程中收集到的各方面与地质科研(地、物、化、遥)、生产管理等相关的图件，都具有大量有用的信息，将这些二维资料与三维模型有机结合起来，解决了各种资料数据、图像长期不能共同配准显示在一个平台上的难题，从而为地质工作者或管理者提供了多信息、多角度进行综合分析研究的平台。图6为拉拉铜矿矿区的半透明地质图与地形模型的叠加融合显示。

图6 拉拉铜矿矿区地质图与地表融合模型

如图6所示，带有地形起伏的地质图与地形融为一体，在真实地形背景的基础上了解地质环境的具体分布，为研究者建立了两者的空间相关性，为靶区找矿、勘查路线等提供了有效的指导途径。

3 数字矿山信息系统的建立

构建的地质体、地表等模型等都是孤立显示的，利用具有独特的实时操纵及交互功能的VRP虚拟现实仿真平台，将所有的模型以坐标为基础整合在一起，来完成整个矿山信息系统的建立。

3．1 模型的导入及交互开发

将各个模型在3ds MAX中烘焙以后再导入VRP中。烘焙的物体在VRP中可呈现现实中的物体阴影，使整个虚拟世界变得更加真实;同时，地质体模型也具有了一定的纹理，使其更逼近真实的物体表面。导入之后就需要对场景进行交互开发，为浏览漫游、研究分析等提供便利的操作环境，系统功能的研发与实现是该系统最终建立的关键步骤(图7)。

图7 系统运行主界面

3．2 信息查询、实时导航、获取剖面图等功能

图8 地层信息查询界面

3．2．1 信息查询 对于单调的矿山模型，信息查询的功能丰富了系统的研究环境，为专业人员的研究提供了详细的辅助信息，为大众提供了一个直观学习、了解矿山及地质环境的平台(图8)。同时，实拍图片的加载显示，可以弥补影像分辨率低的问题，清晰地展示一些重要的地点环境等(图9)。

图9 实拍照片加载显示功能

3．2．2 实时导航与实时坐标显示 导航系统的建立是通过将导航图坐标同三维场景坐标建立线性关系，捕捉导航图上的位置坐标，通过线性变换定位到三维场景中的实际坐标，从而实现实时导航的功能;实时坐标的显示是通过添加Lua函数实现的(图10)。添加了实时导航与实时坐标功能，在浏览操作过程中，就可以更快更准确地定位虚拟场景中实体对象所在的空间位置以及周围的环境情况。

图10 实时坐标显示

3．2．3 获取二维剖面 将二维信息与三维模型叠加融合，实现了二维资料和三维模型的统一管理。而本功能是由三维模型获取二维信息，实现了二维与三维信息间的转换功能。对已有的三维模型进行任意剖切，获取任意方向的地质剖面图，并能以图像文件格式输出，为地质工作者提供任意方向的剖面信息，更好地辅助找矿和地质勘查研究。图11为系统中利用切剖面功能获取的地质体的二维剖面，并附有图例信息。

图11 三维模型任意剖切生成二维剖面

图11为实现该功能的操作界面，可以根据实际研究需要，通过选择对应的地质信息选项，对获取的剖面信息有针对性地选择或隐藏。

3．3 系统的发布方式

三维数字矿山信息系统在集成开发完成后，可以生成可独立执行的．exe文件任意移植使用;也可以VRPIE文件输出发布在网络上供大众下载使用。系统不仅实现了脱离专业软件平台使用的可能性，同时，通过网络平台也扩大了系统使用的广泛性，使数字矿山系统实现其特有的科研管理、科普展示等价值。

4 结论

为完善数字矿山信息系统的建设，添加了仿真三维地质模型，从而为模拟地质现象、成矿预测、储量计算、矿山安全及其设计规划等提供更准确、更实用的研究途径。利用虚拟现实平台，实现了二维、三维地质、矿山相关资料相互融合的统一应用管理模式;实现了系统自主漫游、人机交互操作、矿山和地质信息查询、实时导航与实时坐标显示、任意获取二维剖面等功能，并能生成独立的．exe执行文件，脱离专业的软件平台使用。完整的数字矿山信息系统，不仅服务于科研与管理人员的研究，同时也面向公众普及矿山、地质等相关知识，真正实现产、学、研需求与公益性服务的一体化。

5 致谢

本次研究得到了四川省地质矿产勘查开发局及其四〇三地质队的支持与协助，并与北京市国土资源信息开发研究重点实验室的其他成员一起完成了三维地质建模工作，在此表示诚挚的感谢!

陈建平，吕鹏，吴文，等．2007．基于三维可视化技术的隐伏矿体预测［J］．地学前缘，14(5)：54－62．

陈建平，陈勇，朱鹏飞，等．2011．数字矿床模型及其应用［J］．地质通报，30(5)：630 －641．

葛双全，郑澎，赵瑛峰，等．2008．基于Vega的矿山虚拟漫游系统的设计与实现［J］．工矿自动化，(2)：5－8．

李君君，王志章，张枝焕，等．2011．精细三维地质模型构建［J］．新疆石油地质，32(5)：484 －486．

孟平凡，杨艳初，孙甲鹏，等．2008．基于VRP虚拟矿山系统的研究［J］．矿山机械，36(22)：35－39．

魏静，蒋国璋，侯守，等．2008．基于虚拟现实技术的矿山仿真系统开发［J］．矿山机械，36(4)：56 －58．

王丽梅，陈建平，唐菊兴．2010．基于数字矿床模型的西藏玉龙斑岩型铜矿三维定位定量预测［J］．地质通报，29(4)：565 －570．

向中林，白万备，王妍，等．2009．基于Surpac的矿山三维地质建模及可视化过程研究［J］．河南理工大学学报：自然科学版，28(3)：307 －311．

杨文静，侯恩科，郝珠成，等．2007．基于Surpac的三维巷道模型构建方法［C］∥全国金属矿山采矿新技术学术研讨与技术交流会论文集．北京：中国冶金矿山企业协会，290－293．

于萍萍，陈建平，于淼，等．2012．双三维数字矿山仿真信息系统建设［J］．金属矿山，(2)：114 －120．

朱升，徐震．2010．基于Google Earth和Geoserver的三维油田地理信息系统［J］．地质学刊，34(4)：386－390．

曾文波，朱元超，马春，等．2011．三维地质建模与储量估算在印尼某铁矿的应用研究［J］．地质学刊，35(2)：160－163．

DREBENSTEDT C，GRAFE R．2001．Stereoscopic 3D-display for mine planning and geological modeling［C］//XIE HEPING，WANG YUEHAN，JIANG YAODONG．International Symposium on Computer Applications in the Minerals Industries(29th)．Netherlands：Swets＆ Zeitlinger B V，323－328．

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Integration and exploitation of 3D digital mine information system

AN Li-li1，2，CHEN Jian-ping1，2，YU Miao1，2，YU Ping-ping1，2

(1．China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2．Beijing Key Laboratory of Development and Research for Land Resources Information，Beijing 100083，China)

Taking Lala copper mine as an example，the authors constructed a complete 3D digital mine information system integrated all kinds of function about 3D geological model，virtual scene roaming，data search，linkage of 2D and 3D data，and so on．The system provided an effective and comprehensive platform for the mine management and production and scientific research service，etc．It was of important significance to mine information inquiry，browsing and science populization．Also，it was a one-stop comprehensive service platform for multi-purpose，multi-level and multi-stage with combination of production，schooling and research．

Digital mine;3D geological model;System integration;Lala copper mine，Sichuan

TD175;TP319

A

1674－3636(2012)03－0280－05

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．280

2012－05－20;编辑：侯鹏飞

国土资源部公益性行业科研专项(201011002)

安力立(1988— )，女，硕士研究生，矿产普查与勘探专业，E-mail：siyuyuanyou@126．com