王 猛，汪云甲

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

長(zhǎng)期以來(lái)，工程地質(zhì)信息多以CAD、圖紙、文字報(bào)告等形式管理，使得地質(zhì)信息的有效表達(dá)和空間分析方面受到了嚴(yán)重制約[1-2]。隨著GIS在地質(zhì)、礦山等領(lǐng)域應(yīng)用的深入，人們要求從三維空間來(lái)處理問(wèn)題。煤層是煤礦的重要組成部分，其三維可視化為煤礦工作者進(jìn)行工作面布設(shè)、保護(hù)煤柱留設(shè)、采空區(qū)充填以及邊角煤開(kāi)采等工程應(yīng)用提供重要的輔助決策支持，也是礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)的任務(wù)之一。然而，煤層地質(zhì)體是一個(gè)非均質(zhì)、非規(guī)則、非直觀的三維空間[3]，加上人造工程，其幾何形態(tài)極其復(fù)雜，對(duì)該空間的三維可視化成為當(dāng)今GIS中的一個(gè)難題。

本文結(jié)合GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、可視化和分析能力，采用多面體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為體元構(gòu)建煤層模型，該方法不僅能夠形象地表達(dá)煤層地質(zhì)構(gòu)造的空間關(guān)系，而且在表達(dá)復(fù)雜結(jié)構(gòu)上較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行工程開(kāi)挖、任意剖面剖切等空間分析[4]。

1 多面體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

多面體是由一系列三角形、三角扇、三角條帶或環(huán)等幾何要素組成的閉合的三維地理對(duì)象實(shí)體，它是ArcGIS中Multipatch的一個(gè)子集，體積是其固有屬性之一。構(gòu)成多面體的面必須具有與其坐標(biāo)相同的逆時(shí)針?lè)较虿⑴c定義體積的外殼，而且這些面不得彼此相交，并且殼中不得存在間距或空白空間[5]。多面體至少有4個(gè)面，它既可以描述相對(duì)規(guī)則的硐室，又可以表達(dá)復(fù)雜的對(duì)象，如煤層。

1.1 多面體的存儲(chǔ)

Geodatabase是ESRI公司提出的一種面向?qū)ο蟮牟捎脴?biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型，它支持在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)表中存儲(chǔ)和管理地理信息，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理[6]。每個(gè)多面體作為矢量圖層(Shape)的一條記錄，以圖層的方式在Geodatabase中存儲(chǔ)。根據(jù)用戶訪問(wèn)個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的不同，Geodatabase可以分為兩個(gè)級(jí)別：一是面向單個(gè)用戶和較小工作組的文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)和個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)；一是面向多用戶級(jí)、部門級(jí)和企業(yè)級(jí)的ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫(kù)，它將海量地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)(DB2，Oracle，SQL Server，Informix和PostgreSQL)中。煤層模型可以根據(jù)需要，選擇某個(gè)級(jí)別的Geodatabase存儲(chǔ)。

1.2 多面體空間分析

多面體可以像GIS中其他數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行查詢、距離量測(cè)和編輯等操作，它支持六種三維集合運(yùn)算[5]：①3D求差：從一個(gè)多面體集合中減去另一個(gè)多面體集合；②3D求交：計(jì)算兩個(gè)多面體的交集；③3D求和：將具有重疊的多面體組合成單個(gè)要素；④3D線與多面體相交：確定3D線和多面體的交點(diǎn)；⑤3D內(nèi)部判斷：確定哪些要素落入多面體范圍內(nèi)；⑥3D閉合判斷：確定多面體是否閉合以及是否可用于其他集合運(yùn)算。多面體的求差和求和運(yùn)算如圖1所示，根據(jù)這六種三維集合運(yùn)算，可以在煤層模型中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工程開(kāi)挖。

圖1 多面體集合運(yùn)算

2 煤層多面體模型構(gòu)建

2.1 煤層多面體模型構(gòu)建原理

煤層是植物遺體經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)作用、地質(zhì)作用轉(zhuǎn)變賦存于含煤巖系之中，位于煤層底板和頂板巖石之間。因此，煤層地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)是巖體中地質(zhì)界面的空間分布與組合模式，是由底板、頂板面和煤層體共同組成的煤層結(jié)構(gòu)形態(tài)，其中底板和頂板起主導(dǎo)作用[7]。煤層底板和頂板是不規(guī)則曲面，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，可采用TIN對(duì)其逼近[8]，通過(guò)煤層底板和頂板TIN拉伸閉合構(gòu)建煤層三維模型，其構(gòu)建過(guò)程如圖2所示。

圖2 煤層模型構(gòu)建過(guò)程

2.2 地層分層

由于地質(zhì)空間分布的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性，地層之間相互交叉侵蝕，地質(zhì)實(shí)體之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，為了便于研究煤層，對(duì)其他地層進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化[9]。以煤礦綜合柱狀圖為主，各鉆孔柱狀圖為輔對(duì)地層歸類，具體過(guò)程如下：首先，確定具有開(kāi)采價(jià)值的煤層(可開(kāi)采且具有一定厚度，如大于等于0.7m)；其次，把煤層間的巖層劃歸為厚度最厚的巖層；最后，從地表向下依次給各層表面進(jìn)行編號(hào)，具體簡(jiǎn)化過(guò)程如圖3所示。

圖3 地層簡(jiǎn)化圖

2.3 底板和頂板TIN的生成

煤層底板和頂板TIN是構(gòu)建煤層模型的關(guān)鍵。鉆孔是構(gòu)建煤層頂板和頂板TIN的最原始資料，實(shí)際工程中往往由于鉆探數(shù)量有限，要構(gòu)建精度較高的TIN，還需要使用其他數(shù)據(jù)，如煤層底板等高線、斷層數(shù)據(jù)、地質(zhì)工作者推理數(shù)據(jù)等。此外，生成的TIN還需要根據(jù)地質(zhì)工作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校正才能更好地表達(dá)實(shí)際煤層情況。根據(jù)是否存在構(gòu)建底板TIN的其他數(shù)據(jù)，頂板TIN構(gòu)建存在兩種方式：一是在底板TIN基礎(chǔ)上生成頂板TIN；二是以鉆孔為主構(gòu)建頂板TIN。

在底板TIN基礎(chǔ)上生成頂板TIN的過(guò)程為：①使用鉆孔數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)以及地質(zhì)工作者的經(jīng)驗(yàn)生成精度較高的底板TIN；②使用克里金插值法對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成煤層厚度DEM；③把底板TIN轉(zhuǎn)化為格網(wǎng)DEM；④對(duì)底板DEM和煤層厚度DEM的格網(wǎng)值進(jìn)行求和運(yùn)算，獲得頂板DEM；⑤將頂板DEM轉(zhuǎn)為TIN，并使用鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，獲得頂板TIN。該方法是在底板與頂板近似“平行”且底板TIN精度較高的前提下進(jìn)行，使得頂板TIN能夠較好地“繼承”底板TIN的地形走勢(shì)。

以鉆孔為主構(gòu)建頂板TIN是在沒(méi)有其他數(shù)據(jù)引入的情況下，直接使用鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)工作者的經(jīng)驗(yàn)生成頂板TIN，并進(jìn)行相應(yīng)的修正，其精度一般較低。

2.4 煤層三維模型的構(gòu)建

構(gòu)建煤層模型，使用ESRI.ArcGIS.Geometry類庫(kù)中IConstructMultiPatch接口的Construct-ExtrudeBetween方法，主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

IConstructMultiPatch pMul=new Multi-PatchClass();∥定義多面體

pMul.ConstructExtrudeBetween(pUpSur-face,pLowerSurface,pGeo);∥構(gòu)建煤層模型

其中，pUpSurface為頂板TIN，pLowerSurface為底板TIN，pGeo為井田邊界，通過(guò)拉伸實(shí)現(xiàn)煤層三維模型的構(gòu)建。從地層劃分結(jié)果可以看出，通過(guò)一對(duì)相鄰的TIN生成多面體，不但實(shí)現(xiàn)了各煤層模型的三維構(gòu)建，也實(shí)現(xiàn)了各巖層模型的構(gòu)建。

2.5 地下工程開(kāi)挖

地下人造工程，如巷道、硐室、豎井、斜井等，幾何形態(tài)復(fù)雜。人造工程多面體模型構(gòu)建方法主要有兩種：一種是通過(guò)掃描技術(shù)獲得；一種是根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)資料或?qū)崪y(cè)資料，借鑒孫中昶等[10]提出的礦山巷道三維建模算法，在GIS中編程實(shí)現(xiàn)。人造工程多面體模型與煤層、巖層多面體模型進(jìn)行集合運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)地下工程開(kāi)挖。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某煤礦擁有多年開(kāi)采歷史，煤田呈不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，主采煤層呈層狀分布，局部有小斷層，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)、監(jiān)測(cè)和設(shè)計(jì)資料，在ArcGIS平臺(tái)中利用C#和ArcGIS Engine編程，使用本文提出的建模方法，實(shí)現(xiàn)該礦5個(gè)主采煤層的三維構(gòu)建，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦地層的真三維可視化。地層模型與籬笆多面體進(jìn)行求交運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)地層剖切。使用地層模型與人造工程多面體進(jìn)行求差運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)地下工程開(kāi)挖。

4 結(jié)論

本文以GIS技術(shù)為支撐，對(duì)煤礦地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并盡可能多地利用多源數(shù)據(jù)生成煤層底板與頂板TIN，通過(guò)構(gòu)建多面體實(shí)現(xiàn)煤層乃至整個(gè)煤礦地層的真三維可視化。該方法構(gòu)建原理簡(jiǎn)單，可有效進(jìn)行空間分析，易于編程實(shí)現(xiàn)，較好地滿足了煤礦實(shí)際應(yīng)用的需要，是使用三維GIS表達(dá)復(fù)雜地層的一次有益嘗試，可以為其他地學(xué)研究提供參考。所建的模型具有正確的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，可以存入礦山GIS的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)，為礦山實(shí)際工程應(yīng)用提供輔助決策支持。本文在利用多面體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煤層的三維建模過(guò)程中沒(méi)有考慮采空區(qū)頂板垮落情況，同時(shí)，對(duì)于受侵入性巖體等影響的煤層三維可視化還需要進(jìn)一步研究。

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