張文強(qiáng)

（山東省華魯工程總公司，山東 濟(jì)寧 272100）

到目前為止，社會(huì)已經(jīng)步入了一個(gè)新的發(fā)展階段，對(duì)于各類能源的消耗量不斷增加，因而造成對(duì)于各類能源資源的需要量大幅度增加。我國(guó)幅員遼闊，各類資源儲(chǔ)量較為豐富，但是由于地形與地勢(shì)條件較為復(fù)雜，加大了各項(xiàng)資源尤其是礦產(chǎn)資源的開發(fā)難度，所以導(dǎo)致我國(guó)礦山勘察與開采難度加大[1]。當(dāng)前我國(guó)礦山地質(zhì)勘查技術(shù)還不夠成熟，還是無法準(zhǔn)確掌握礦產(chǎn)資源分布規(guī)律，導(dǎo)致我國(guó)能源供給出現(xiàn)問題，嚴(yán)重制約了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行礦山地質(zhì)勘查具有非常重要的研究意義[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維可視化技術(shù)逐步優(yōu)化并完善，且應(yīng)用至地質(zhì)勘察領(lǐng)域，所以利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行礦山地質(zhì)勘查已經(jīng)具備了非常好的理論基礎(chǔ)以及可行性，所以本文研究了一種基于三維可視化技術(shù)的礦山地質(zhì)勘查新方法，以期降低礦山地質(zhì)勘查難度，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的又快又好發(fā)展。

1 礦區(qū)地質(zhì)三維模型構(gòu)建

構(gòu)建礦區(qū)地質(zhì)三維模型是礦山地質(zhì)三維可視化的重要基礎(chǔ)，此過程是根據(jù)礦山的相關(guān)資料，對(duì)于礦山資源儲(chǔ)備、成礦規(guī)律以及礦體形態(tài)等信息進(jìn)行分析，并將這些信息利用三維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)中展示出來，有利于對(duì)于礦產(chǎn)儲(chǔ)量以及分布規(guī)律進(jìn)行分析，以便后續(xù)礦山開采工作的順利進(jìn)行，所以本文對(duì)于礦區(qū)地質(zhì)三維模型構(gòu)建過程進(jìn)行了深入分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下[3]。

1.1 礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

在建立礦區(qū)地質(zhì)三維模型過程中最難解決的問題就是如何利用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來深刻展示礦區(qū)地質(zhì)拓?fù)?、幾何形態(tài)和關(guān)鍵屬性，為了使構(gòu)建的模型可以充分反映實(shí)際情況，需要以海量的地質(zhì)數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)。由于地質(zhì)信息來源廣泛且類別眾多，所以需要以統(tǒng)一的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果，獲取多樣化礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)以及樣品分析數(shù)據(jù)等，并將這些數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以此構(gòu)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，為后續(xù)的礦區(qū)地質(zhì)三維模型構(gòu)建提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

1.2 輪廓線生成

以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析巖石、礦體以及儲(chǔ)量等具有代表性的地質(zhì)條件的邊界線，生成具體的礦山地質(zhì)輪廓線。輪廓線生成主要是利用已有的原始地質(zhì)工程數(shù)據(jù)或是鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的地質(zhì)剖面圖，將所有信息導(dǎo)入至三維建模軟件中，利用該軟件的相關(guān)功能完成輪廓線提取工作，為了進(jìn)一步降低此項(xiàng)工作的難度，提升輪廓線生成效率，需要以精準(zhǔn)地勘探線、鉆孔等信息作為研究基礎(chǔ)，以此提升輪廓線提取與生成的精準(zhǔn)度。

1.3 三維實(shí)體模型構(gòu)建

一般情況下，礦區(qū)地質(zhì)三維模型大多都是線框模型，這種模型的構(gòu)建主要是以輪廓線分析結(jié)果為基礎(chǔ)，利用輪廓線對(duì)于已有的地質(zhì)剖面圖進(jìn)行重構(gòu)，并利用重構(gòu)后的地質(zhì)剖面圖中的礦體截面形態(tài)構(gòu)建礦體表面的三維模型。該線性模型的構(gòu)建過程為：將二維空間內(nèi)相鄰特征點(diǎn)利用直線進(jìn)行連接，以此得到多個(gè)多邊形，在此基礎(chǔ)上將多個(gè)多邊形進(jìn)行組合與三維化處理，最終得到一個(gè)三維的多邊形網(wǎng)格，以此來顯示地質(zhì)與開挖邊界信息，這些模型可以為用戶提供三維地質(zhì)模型的編輯與優(yōu)化功能，也能夠?yàn)橛脩籼峁┒鄠€(gè)礦山地質(zhì)模型空間的幾何剖分方案。

本文主要是以野外測(cè)量、航測(cè)、地圖數(shù)字化等方式得到的地形信息為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理后得到三維實(shí)體模型，在多邊形網(wǎng)格中按照一定比例對(duì)第i個(gè)多邊形網(wǎng)格進(jìn)行拉伸，得出三維模型。

1.4 塊體模型構(gòu)建

由于上述三維實(shí)體模型只能夠體現(xiàn)礦山地質(zhì)形狀，相關(guān)細(xì)節(jié)缺乏，所以需要在上述基礎(chǔ)上構(gòu)建塊體模型，以便展示更多的礦巖質(zhì)量信息。塊體建模方法最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)60 年代，而后該技術(shù)不斷發(fā)展完善，一直沿用至今。塊體建模主要是對(duì)礦區(qū)地質(zhì)三維建?？臻g進(jìn)行分割，獲取多個(gè)三維的立方體網(wǎng)格，每一個(gè)立方體網(wǎng)格就是一個(gè)塊體或是塊單元，而網(wǎng)格的變化可以充分表達(dá)礦山地質(zhì)內(nèi)部變化規(guī)律，所以說不同的塊體單元對(duì)應(yīng)了不同的礦床位置，該塊體模型如圖1 所示。

圖1 塊體模型

為了進(jìn)一步確定礦山地質(zhì)內(nèi)部變化規(guī)律的更多細(xì)節(jié)，所以需要對(duì)該模型進(jìn)行局部細(xì)化處理，具體的細(xì)化處理方法就是對(duì)邊界區(qū)域進(jìn)行局部的單元細(xì)化，該過程如圖2所示。

圖2 塊體模型的局部細(xì)化處理

將三維實(shí)體模型與塊體模型進(jìn)行組合處理，即可得到可以反映更多礦區(qū)地質(zhì)細(xì)節(jié)信息的三維模型，以此為后續(xù)的礦山地質(zhì)勘查奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 礦山地質(zhì)三維可視化

由于計(jì)算機(jī)本身的智能化程度較低，所以只能處理數(shù)字，因此在礦山地質(zhì)三維可視化過程中需要對(duì)于礦山地質(zhì)三維模型進(jìn)行進(jìn)一步處理。在此過程中，需要定義一個(gè)空間坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系的長(zhǎng)度單位和坐標(biāo)軸的方向都要求所構(gòu)建的模型相匹配，在此基礎(chǔ)上需要對(duì)于數(shù)字化的礦山地質(zhì)信息進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。為了可以快速、精準(zhǔn)地展示圖像信息，所以需要搭建一個(gè)屏幕坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的方向需要與屏幕的邊緣保持平行，而其單位長(zhǎng)度需要與圖像像素具有一致性。為了使這兩個(gè)坐標(biāo)系可以精準(zhǔn)地將所有的礦山地質(zhì)信息在計(jì)算機(jī)中展示處理，需要對(duì)其做進(jìn)一步處理。所以具體的礦山地質(zhì)三維可視化步驟如下。

2.1 視點(diǎn)變換

視點(diǎn)變換這一處理過程主要是在視點(diǎn)坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)的。視點(diǎn)坐標(biāo)系與一般的世界坐標(biāo)系存在一定的區(qū)別，該坐標(biāo)系的構(gòu)建主要遵循了左手法則，主要是將左手大拇指方向當(dāng)作是Z軸，在此基礎(chǔ)上將剩余四個(gè)手指并攏，使這四個(gè)手指與大拇指垂直，將這四個(gè)手指方向作為X軸，將這四個(gè)手指彎曲90°，并將其方向作為Y軸。在此基礎(chǔ)上對(duì)于視點(diǎn)變換矩陣進(jìn)行初始化處理，然后利用該矩陣進(jìn)行礦山地質(zhì)三維模型視點(diǎn)變換。其過程為：將礦山地質(zhì)三維模型放置于視點(diǎn)坐標(biāo)系中，并將該模型沿著Z負(fù)軸方向移動(dòng)，分析該模型的初始方向是否發(fā)生改變，若是所有視點(diǎn)均發(fā)生變化，則需要結(jié)合視點(diǎn)變換矩陣對(duì)于該模型進(jìn)行視點(diǎn)調(diào)整，若是沒有發(fā)生改變，則表示該模型視點(diǎn)為正確的，不需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。在視點(diǎn)變換矩陣中分別以0、1及X/Y/Z三個(gè)坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)，表示矩陣中視點(diǎn)的實(shí)際位置。

2.2 模型變換

在上述處理完成基礎(chǔ)上，需要根據(jù)右手法則構(gòu)建世界坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，可以對(duì)礦山地質(zhì)三維模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放處理。具體的處理過程為：根據(jù)世界坐標(biāo)系各軸位置，設(shè)計(jì)與各軸方向一致的比例變換系數(shù)，結(jié)合比例變換系數(shù)對(duì)其進(jìn)行礦山地質(zhì)三維模型變換處理。而當(dāng)?shù)V山地質(zhì)三維模型沒有發(fā)生變化的情況下，該比例變換系數(shù)的取值為1。

2.3 投影變換

設(shè)置一個(gè)透視投影函數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦山地質(zhì)三維模型進(jìn)行投影變換處理，其主要過程為：對(duì)于透視投影函數(shù)進(jìn)行初始化處理，并構(gòu)建該函數(shù)的一個(gè)重要組成部分——投影矩陣，視域體中的點(diǎn)的X坐標(biāo)范圍用(r,l)表示，視域體中的點(diǎn)的Y坐標(biāo)范圍用(t,b)表示，視域體中的點(diǎn)的Z坐標(biāo)范圍用(n,f)表示。

在此基礎(chǔ)上通過確定窗口的縱橫比以及眼睛睜開的角度等參數(shù)，以此完成對(duì)于投影函數(shù)參數(shù)的設(shè)置，利用調(diào)整好的投影函數(shù)對(duì)于礦山地質(zhì)三維模型進(jìn)行處理，以此保證該礦山地質(zhì)三維模型中的實(shí)景內(nèi)部部分可見，利用該過程達(dá)到了礦山地質(zhì)三維模型的裁剪的重要目標(biāo)，以便可以更好地展示模型的細(xì)節(jié)信息。

2.4 視口變換

視口變換可以保證礦山地質(zhì)三維模型中的物體在二維視口平面上進(jìn)行展示，這個(gè)過程與模型的細(xì)節(jié)部分縮放操作具有相似性，但是這一過程需要保證所有礦山地質(zhì)三維模型中的細(xì)節(jié)信息不會(huì)失真，其具體處理過程為：以上述的視點(diǎn)變換矩陣為基礎(chǔ)，對(duì)礦山地質(zhì)三維模型中的每一個(gè)物體頂點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行逐步變換，當(dāng)這個(gè)頂點(diǎn)位于視景外部的情況下，需要對(duì)其進(jìn)行裁剪處理，對(duì)于位于視景內(nèi)部的頂點(diǎn)，則主要根據(jù)比例變換系數(shù)對(duì)其進(jìn)行縮放處理，然后將其映射到視口區(qū)域內(nèi)，以便在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示，以0、1 及X/Y/Z三個(gè)坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)，表示縮放矩陣中的視點(diǎn)位置。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證基于三維可視化技術(shù)的礦山地質(zhì)勘查方法的實(shí)際應(yīng)用效果，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文主要是以某一大型礦山進(jìn)行研究對(duì)象，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用至該礦山地質(zhì)勘查過程中，以檢驗(yàn)該方法的可靠性與科學(xué)性。

具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，基于三維可視化技術(shù)的礦山地質(zhì)勘查方法具有較高的測(cè)量精度以及較短的測(cè)量時(shí)間，驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

到目前為止，礦產(chǎn)已經(jīng)成為人們賴以生存的資源，也是一個(gè)國(guó)家或是地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本保障，所以在目前礦產(chǎn)資源消耗量與需求量不斷增加的情況下，以滿足社會(huì)各個(gè)行業(yè)的基本運(yùn)轉(zhuǎn)為目標(biāo)，因此本文提出了一種新的基于三維可視化技術(shù)的礦山地質(zhì)勘查方法，該方法由于應(yīng)用了三維可視化技術(shù)，所以可以將該技術(shù)應(yīng)用至實(shí)際中，可以有效提升礦山地質(zhì)勘查工作的質(zhì)量與效率，降低礦山開采的難度，促進(jìn)我國(guó)礦業(yè)的進(jìn)一步工發(fā)展。