基于三维可视化技术的矿体快速建模研究

张月侠

矿山地质经过了长时间的发展，最终形成了各异的地质体，而且具有隐蔽、复杂等特点，给予勘察工作的开展等各项工作都带来了许多的困难，为了能够帮助矿山生产顺利、有序的进行，还需要在工程勘察与设计施工的过程当中汇集到大量的数据信息，之后再由专业的工作人员对大量的信息进行分析与研究，再进行妥善的处理，及时反馈到实际生产过程当中去，但是据了解，在对矿山地质信息存储管理的过程当中，将文字、图纸等作为了重点，专业仪器所呈现出来的最终结果，都是以数字方式或者是平面图形方式表达出来，在进行修改或者是分析的过程当中非常困难，但是通过应用三维可视化技术，就能够将矿山地质体以及矿山工程全面展示在工作人员的面前，再由专业人员对其进行深入的分析，发现三维地质体的可视化可以帮助地质数据更具表现力，大幅度提升信息的利用率。基于此，本文下面主要对三维可视化技术的矿体快速建模展开深入的探讨。

1 矿山地质三维可视化的含义分析

通过对矿山地质三维可视化进行认真的分析与研究，发现其主要内容包括：应用计算机提升三维计算的能力，将矿山地质的情况、工程在三维空间当中的情况进行全面的展示，之后将展示出来的结果进行深入的分析，以此来起到信息参考与帮助的作用，生成的三维地质体可以让地质数据变得更具说服力，提高矿山工程技术工作人员对矿体观察的水平与效率，还可以将矿山地质数据在分析过程造成和出现的表达不准确等情况妥善的解决，由此可以看出，三维可视化技术在矿山地质当中有着非常广阔的发展前景。

2 矿山工程技术三维可视化建模的难点与重点分析

在矿山工程三维可视化建模的过程当中，需要模拟的对象具有复杂性的特点，给相关工作带来一定的难度，由于地质体的形态并不是一成不变的，而是发生了不断的改变，也会伴随着时间的不断推移，而出现不同程度的变化，有时会涉及几十公里甚至更大的范围，想要将矿山的特点进行准确的描述，就需要进行勘察和测量工作，只有这样，才能够获得更多的结果和信息，但是因为地质对象具有复杂性的特点，所以想要获得更多、更准确的数据非常困难，有的时候即使获得了相关的地质数据，其中也有许多不准确的地方，不仅如此，工作人员的综合素养、工作能力、经济条件、专业仪器等各方面也会对最终的数据准确性产生一定的影响，在勘探工作展开的过程当中，呈现出随机分布等情况，这些不规则而且容易丢失数据，对三维可视化建模来说非常的关键，也是相关工作人员最亟待解决和值得深思的问题之一。

3 矿山三维地质模型的重要性以及主要的作用

将三维可视化技术加入到矿体快速建模过程当中去，对技术工作人员和勘探工作人员都提出了更高的要求以及具有重要的意义，它可以将矿山地质、空间形态中的细节部分全面展示在相关工作人员面前，而且可以为矿上开采挖掘工作提供强有力的数据支持与帮助。首先，通过相关工作人员对三维地质模型进行仔细的观察以及分析，可以对整体矿产有一个全面的了解，也可以对矿产周围的地质情况、环境等展开深入的探讨与分析，大量数据的出现，无论是对于前期的勘探工作还是后期的开采工作，都有帮助作用和意义。

其次，三维地质模型的出现，工作人员就可以对矿产附近的区域、不同的工作面等各方面进行认真的分析研究，之后形成具有完整性特点的矿产剖面图，工作人员在展开矿产区域勘探的过程当中，就可以保证矿产地质储量可以被准确的计算出来，为后期的矿山建设等各方面提供强有力的数据支持和帮助。

再则，三维地质建模的出现，将边坡台阶实际的高度设计出来，也让开采支撑结构变得更加完整，通过制定出了高质量的开采方案，为后期提高开采能力以及安全生产打下了坚实的基础。

最后，通过矿山三维地质模型，能够有效地预防工程地质灾害的出现与发生，帮助相关工作人员第一时间发现极有可能出现的地质灾害区域，并且制定出完善的方法与处理，将问题妥善的解决，把地质灾害发生的可能性降到最低点，甚至消灭在萌芽当中。

4 矿山工程三维可视化建模技术的主要特点分析

基于三维可视化技术的矿体快速建模，将矿山数据如实的表现了出来，各个数据之间的关系联系更加的清楚、更加的清晰、更加的明确，但是因为非常容易会受到勘测投入资金、勘察条件等各方面所带来的影响和制约，在许多的时候，勘探经费并不能够完全有效地满足勘探提出来的要求，而且地质条件具有复杂性的特点，有些地区的勘探条件极差，专业技术工作人员和设备无法有效的到达目的地，最终造成勘探所获得到的数据不是特别的完整，这对真正的实现矿山工程三维建模造成了一定的困难，所以必须要应用相关的方法与技术，帮助数据以及相关信息更加的完整、更加的准确，真正的实现可视化的效果。

4.1 空间插值专业技术

考虑到矿山已有的地质研究工作目标及范围，设定了一个巨大的立方体空间作为地质空间的包集，验证过程中为了与显示模拟的矿体三维可视化模型进行比较，选取了钻孔深度范围-400m～200m 的地质空间作为研究区域。最常见、也是最常用的插值方法，在正常的情况之下，都会运用距离幂次反比法、样条函数法等，因为不同地质条件也会有很大的差异，而且矿体周边的环境也会有很多差别，所以需要相关工作人员按照不同地域的不同特点，选择出最合适、最恰当的插值方法，只有这样，才能够为获取准确的数据打下良好基础。如果选用了不符合矿体要求的差值方法，那么就会增加预算的时间，导致计算机内存不断的降低。另外，对那些非常重要的数据可以运用Kriging 插值方法，来寻找到所有的数据信息；对那些非关键性的数据，可以运用距离幂次反比方法来获得相关的数据。

通过空间插值法实现矿山三维地质建模的步骤为：矿山地质体数据获取；基于网格化空间插值，构建三维空间规则数据场；采用三维等值面构建算法实现由网格离散点到地质体三维等值面的模拟，实现地质体三维曲面重建；通过三维可视化技术实现地质体三维空间形态模型的可视化。

4.2 三维数据表达专业技术

三维空间数据的表现对三维可视化技术来说非常的重要，同时，也是非常关键的一项问题，所建立出来的三维地质模型要满足基本地质信息所提出来的要求，更需要进行相关的计算，这样做的目的是为了方便各个属性信息之间的传递以及数据的交流。通过站在数据研究层面的角度进行认真的分析，三维数据结构主要包括有基于面和基于体的数据结构模式。基于面的数据结构模式将各个单元作为依托和参考，再把三维空间当中几何特点加入到了其中之后，再进行认真的分析。基于体的数据结构模式把大量真实的数据信息作为参考，进行地质空间的具体描述。

4.3 三维空间数据结构

数据网格化是对连续量或连续体按一定精度进行抽样的过程，常应用三维栅格的方法对矿山地质空间进行分割抽样，分割后得到的各个栅格称为独立单元。矿山地质空间分割的精度决定立体网格单元的大小，与矿山地质勘探程度因素存在一定相关性。三维空间经过抽样分割网格化后，对地质体与空间作用分布按网格单元进行属性数据量化取值与编码，以达到构建矿山地质体三维空间规则数据场。

5 露天矿工程三维空间建模实例

5.1 三维空间建模主要内容

建模的主要内容包括：对地表、断层、矿体这三大最主要的部分进行建模，地表主要内容包括：伴随着时间不断的推移，以自然的方式形成的山坡，也有人为行为所建的工程，形成人为边坡；断层主要指的是在矿山的内部规模较为庞大，而且有文献资料描述的断层；矿体则是三维建模空间当中最重要的组成部分，同时也是最重要的区域。

5.2 矿山三维建模的主要过程

需要对矿山进行数据信息的汇集，然后通过空间数据插值来保证数据的准确性与真实性，选择出适当的数据组织结构，让描述变得更加准确、更加真实、更加全面，最终满足矿山三维建模所提出来的要求，呈现出高质量的绘制图。其一：对断层数据、地表数据、矿体数据进行全面的采集，并且在数据采集的过程当中，保证所有的数据都具有真实性与准确性，都是通过准确的测量所获得的，并没有盲目问题。针对于矿山周边的天然边坡可以通过地质平面图，将平面图上面的边界点和高点的数据进行融合。在对人工边坡数据汇集的过程当中，可以运用境界图，采集度越高就代表着能够将地表的主要特点全面的展示出来。矿体断层和主矿体的相关数据，工作人员可以按照剖面图来进行分析，用边界线当中的控制点拷贝到平面图上面，之后再与剖面图上面的所有数据进行融合，再进行分析，在其中找到矿体和断层的相关数据。其二：因为露天矿场操作范围极大，如果只是依靠勘探工作人员所汇集到的相关信息和数据，那么无法满足生产过程当中所提出来的需求，为了可以清晰的将断层矿坑表现出来，需要运用空间插值技术，才能够真正的将目标实现，在进行露天矿坑前期会议采集的过程当中可以运用Kriging 插值方法来获得相关的数据，之后还需要运用双线性插值获得数据，这样就能够有效的节约大量的时间，还可以确保所获得到的所有数据都更加准确、更加真实。其三：在进行矿体地表勘探的过程当中，地表上面所有的点、线的主要特点都非常的关键，但是在规则的模型当中，无法将这些点、线描述出来，这时就可以通过不规则网格模型，将地表上点、线的主要特点充分描述，在露天矿场当中，通过应用不规则的网格模型，所呈现出来的效果极好，可以为相关工作人员提供绘制帮助。其四：制图环节。将汇集到的所有数据作为基础和参考，为绘制地表断层以及主矿体的模型打下良好的基础，将三种不同的地质模型相互融合、拼接，最终呈现出高质量的三维地质模型。

6 三维可视化系统的实际应用

在信息化不断发展的大背景之下，矿山正向高效、绿色的方向发展，数字化矿山工作也从最初的单一向着二维、三维的方向所转变，所以建立三维可视化系统已然成为了矿山建设过程当中最重要的问题，相关工作人员对其非常关注与重视。

6.1 智能化协同设计以及全生命周期管理

在矿山建设部的过程当中，智能化采矿设计非常的关键且重要，并且是重要的组成部分，相关设计紧紧围绕在地质、多人协同、计算机辅助、人工智能等内容周围展开相关的工作，智能化的设计通过应用BIM 技术、人工智能等对于具有传统特点的矿井设计、采区设计等不断的更新。通过建立了三维协同设计平台，相关设计工作人员可以在这个平台当中发挥出自己的作用和力量，大幅度的提高自己设计的水平与效率。将多方的BIM 设计数据、三维地质模型数据在空间当中进行汇集，防止设计在三维空间上出现矛盾。结合三维设计计划展开自动或者是半自动式的辅助决策，输出采矿设计图纸以及相关的报告，更是降低了工作人员的劳动强度，并且真正的实现了智能化的目的。

此外，BIM 设计数据的出现，为三维可视化系统提供了强有力的数据支持和帮助，在面对智慧化设计的三维可视化系统当中，可以对矿山工程建设项目的全生命周期进行严格的管理，因为在不同阶段，会出现大量的建造信息、维护信息等，将所有的信息全部放置在一个三维可视化系统当中，这样即使矿山建设工程具有复杂性的特点，全生命周期管理也能够提高工作的效率与水平，为矿山的开采工作打下良好的基础。

6.2 通风模拟时空分析以及相关的模拟

矿井通风系统也是最重要的组成部分之一，三维通风模拟和可视化是智能通风最重要的部分，有传统特点的通风模拟经过了手工操作以及计算，无论是其准确性还是最终的结果都无法达到预期的要求，这时三维可视化系统的出现，将通风监测、通风网络结算和三维巷道进行了耦合，真正的实现火灾的模拟、污染物排放模拟等各项工作，节省了大量的通风支出成本，帮助风流状态实现动态化的效果变为现实，而且对设计矿山通风系统也有着借鉴的作用和意义。

6.3 三维综合管理可视化

据了解，三维综合管理可视化系统主要将三维可视化平台作为基础和依托，具有高效性的特点，有效地应对采矿、设计、生产、机电、安全监测、人员定位等各项工作与内容，也帮助矿区真正的实现综合自动化和工业视频等数据的连接和查询工作。三维可视化综合管理系统，通过将自己的作用全部发挥出来，成为了矿井安全生产信息的可视化决策支持平台，其中包括了大量的内容，例如：从地质专业到专业设备管理等各方面的数据源，都可以看作为系统当中的一部分，同时也是信息化建设过程当中具有特色的工程。

6.4 地表环境监测三维可视化

地表环境监测为可视化系统将地表地理信息开采信息等全部汇集到三维可视化平台当中去，并且将查询、分析等各项功能全部提供，为矿区地表塌陷区环境治理等各项工作提供了大量的帮助，也是相关工作人员最得力的“助手”。

7 结语

综上所述，通过将三维可视化技术加入到矿体快速建模过程当中去，此技术凭借着自身强大的优势与特点，无论在任何矿山工程当中，它都可以将要表达的数据信息真实的体现出来，并以最直接的形式展示在大众的眼前，大幅度的提高工作人员的工作效率以及水平，尤其帮助岩土工程师进行了正确的判断，科学地分析岩土工程所出现的问题，之后制定出完善的方法，将问题妥善的解决。伴随着时间的不断推移，三维可视化的技术必定会更加的成熟、更加的完善，将其加入到露天矿工程或者是其他岩土工程当中去，所呈现出的效果必定会更加的准确、更加的真实、更加的全面。