露天矿山三维设计方法的应用与研究

陈 国 贵， 李 洪 豪， 龚 山 琳

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在露天矿山开采过程中面临很多问题，通过三维设计能准确地反映出露天矿山的形貌。

数据端复杂和数据量庞大的数字地面模型(digitalterrainmodels，DTM)是三维设计的基础和关键。数字地面模型构建的主要途径有两个：规则格网和不规则三角网。规则格网是采用规则排列的正方形、矩形网格表示地形表面；而不规则的三角网则是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角网逼近地形。在数字地面模型构建研究方面，国内的一些专家、学者开展了涉及地形数据处理、构网边界处理、构网方法优化、地面与模型融合构建等一系列卓有成效的研究。OpenRoads技术主要采用在地形拟合方面表现最出色的狄洛尼三角网构建原理，能读取机载激光雷达获取的点云数据和多种存储地形数据的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于对原始数据进行检查和修正处理，根据需要对地形进行剪切和融合。笔者介绍了通过图形过滤器从测绘数据中提取等高线和高程点、导入软件构成三角网对错误地形点进行修正、导出成.dat或.tin格式，最终通过数字地面模型可快捷地读取三维空间点(Y，Y，Z)，剖切任意位置地形并直观查看三维显示地形。

2 在三维地质体热点建模技术

2.1 断层的三维建模技术

断层破坏了地质体的完整及连续性, 改变了数据的原始分布格局，为最常见的地质现象之一。当矿体和各种岩层遇到有断层的情况时,断层对其的空间分布影响十分显著，必须加以考虑。断层的三维建模技术是一项比较重要的工作，一般采用 TIN 数据结构生成断层线框模型，从而在三维空间中准确地描述断层的空间分布形态。TIN 又名不规则三角网。断层模型一般有两种：一种是断层比较薄，即断层面。对于这种形式，我们以面的形式进行处理；另外一种为断层比较厚，即断层破碎带，其比面状断层发育，对于这种形式，我们以三维实体模型进行处理。断层模型的构建是一个复杂的过程，在实际工作中需要参照几个相邻剖面上的断层线的分布，还需结合其它一些工程数据资料予以认识和解译，进而进行断层面的拟合，建立正确的断层模型。

2.2 复杂地质体建模技术

类似于断层的模型构建，地质体的构建也分为两类：一类是单个层状地质体模型的构建。地质体可以采用光滑曲面进行模拟，在计算机图形学中，可以用多个多边形进行无穷逼近光滑曲面的方法构建曲面模型,故所构建的曲面模型即转换成构建无数个三角面。因此，单个层状地质体模型的构建实际上就是通过表面三角面的逼近规则通过封闭表面的技术予以实现；第二类为构造三维地质模型。野外地质调查和观察所得到的主要是岩层和断层的分界线数据，建模时需要了解各个地质体之间的三维空间分布关系，尤其是各个地质体之间的对应关系，通过相关测量数据完成各类地质体的模型构建。

2.3 矿体三维线框模型

矿体三维线框模型在建模中占有极其重要的地位，是后期资源储量估算的基础，建模步骤分为探矿工程数据库的建立、剖面解译和剖面间连矿三个步骤。经过多年的发展，相对于其他建模技术而言，矿体的三维模型建立和可视化显示技术已十分完善。矿体的三维模型有多种分类：从模型的构成元素分，有基于面模型、基于体元模型和两种的混合模型三类；从模型存储的元素类型分，可以分为基于矢量模型、栅格模型以及前两种的混合模型三类。

3 三维设计系统的注意事项

3.1 设计文件格式

文件格式是计算机三维设计系统应用重要的方面。计算机三维设计最为突出的表现为跨专业文件共享，从而对文件格式提出了全新的要求。当发生文件信息丢失或打不开时将会直接影响到计算机三维设计的效果，因此，在文件格式的选择上，一定要保障文件格式的通用性效果，从而能够在其使用的过程中保证文件的兼容性特点，方便文件在第三方设置下保留更多的辅助性信息。计算机三维设计系统在文件格式的选择上更加专业，需要掌握一定的二维设计知识，才能更有效地开展三维设计工作。

3.2 实用性

计算机三维设计系统的广泛应用性能够满足设计要求。三维设计与二维设计相比在技术上的要求相对较高，因此，初学者在应用方面较为困难，但这并不影响应用的实际效果。计算机三维设计系统在设计人员的简单操作下，根据所提供的设计要求能够自动的生成设计结果。因此，在设计过程中，需要提供完整的设计材料，只有这样，才能够保证设计结果的准确性。计算机三维设计系统能够为初学者实践操作水平的提升提供便利条件，保证初学者在利用计算机三维设计系统的过程中能够尽快地应用设计系统，对计算机三维设计系统进行全面的研究，突破现有设计领域存在的问题，从而解决实际应用需求。

3.3 设计产品的主流性

应用计算机三维设计系统需要一个能力较强的团队共同完成，并且随着计算机三维设计系统功能性的不断完善，更多的设计要求对设计人员提出了全新的发展方向，计算机三维设计系统的功能性将会得到充分的提升。单一设计人员无法正常的利用三维设计系统，只能在团队集成合作下共同利用计算机三维设计系统进行正常的工作。计算机三维设计系统是最为先进的主流产品，如果其使用团队在能力上不符合计算机三维设计系统的应用要求，那么，采购计算机三维设计系统只会造成严重的经济与人力资源的浪费。而选择适合自身的设计主流产品能够提升企业的设计能力，保证所设计的产品符合设计要求。良好的技术支持能够为设计团队提供专业的指导，因此，在采购计算机三维设计系统之后，需要对设计所用的软硬件进行定期升级，只有更新后的计算机三维设计系统才能够为设计团队带来全新的技术体验。

4 三维设计方法的应用基础

矿山三维地质模型是采用三维设计方法进行开拓方案设计的基础，具体包括以下模型：

(1)地表模型。地表模型是用来虚拟地形和表面的不封闭表面模型，由一系列三角面片根据地形线和地形散点无缝拼接构成。在DIMINE三维矿业软件中，可以通过原始测量数据生成法和矢量化CAD地形图等高线生成法构建矿山地表模型。

(2)构造模型。构造模型包括断层模型和岩性模型，是用来模拟断层构造和不同岩层的不封闭表面模型，由一系列三角面片根据断层线和岩层线拼接形成。将各个平剖面图中的断层信息和岩层信息导入DIMINE三维矿业软件中，依据构造信息，按照一定顺序将各构造线连接成面，从而生成构造模型。

(3)地质数据库。地质数据库是将矿山的钻孔、坑道等数据资料按照一定的方式存储起来，为矿体对比圈定、品位统计分布规律分析以及估值提供基础数据。在DIMINE三维矿业软件中，可以将钻探成果分别整理成孔口文件、测斜文件、样品文件和岩性文件等导入，生成地质数据库。

(4)矿体模型。矿体模型是一种封闭的表面模型，具有体积信息，能够在任一方向和高程上剖切，形成平剖面图。在DIMINE三维矿业软件中，可以直接对地质数据库进行解译，圈定矿体轮廓线，创建矿体模型；也可将已解译的CAD或MapGIS地质平剖面图导入DIMINE三维矿业软件中，通过三维地质数据库对矿体轮廓线进行校正，创建矿体模型。完整的矿体模型要求能够计算出体积，没有冗余的点、线、面数据，以便于对模型进行后续的布尔运算、品位估值和块段分析工作。

(5)块段模型。块段模型是对矿体模型进行单元块细分，并以地质数据库为基础，采用空间的插值方法对各单元块的品位、岩性等进行推估，得到矿体的内部属性值。DIMINE三维矿业软件采用外存八叉树模型的构建技术创建块段模型。

近年来，三维可视化技术在各行各业都得到了迅速发展，具有巨大的潜力和研究价值。矿山三维矿体建模以及相关技术作为数字化矿山的基础，对于矿山的勘探和开发具有非常重要的意义。但是，三维矿业软件的开发和应用还有很多地方值得研究，以使其更好地服务于的矿业勘探和开发。

5 结 语

综上所述，在当前露天矿山开采过程中，我们一定要充分利用所拥有的计算机技术，通过三维技术的应用来提升矿山的开采水平。