蘇志軍 蘇志營(yíng)

1 中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)局，河南 鄭州 450002

2 鄭州中蘇巖土工程有限公司，河南 鄭州 450002

3 河南亞星建筑安裝工程有限公司，河南 鄭州 450012

礦山開(kāi)采可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可能產(chǎn)生一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，比如，地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、含水層破壞、地形地貌景觀破壞等[1]。由于誘發(fā)礦山地質(zhì)問(wèn)題及現(xiàn)象原因極其復(fù)雜，既包括地層、斷層等天然地質(zhì)體，也包括礦井、巷道、采空區(qū)等人工作業(yè)區(qū)，而且相互間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著采掘深度增加礦山巖土體地質(zhì)環(huán)境還會(huì)發(fā)生更深層改變，基于傳統(tǒng)二維的礦山管理已遠(yuǎn)不能適應(yīng)國(guó)家對(duì)綠色礦山建設(shè)的要求。

隨著空間三維技術(shù)的應(yīng)用，以及 5G和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)處理器快速支撐，三維技術(shù)管理礦山數(shù)據(jù)可以真實(shí)、直觀地反映斷層、地質(zhì)體、礦層、坑道等實(shí)體的空間關(guān)系和空間分布，是解決傳統(tǒng)管理難以解決的實(shí)體內(nèi)部現(xiàn)象可視化和大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理的問(wèn)題，是進(jìn)行綠色智能礦山建設(shè)的有效途徑之一。

1 礦山類(lèi)型及分布

礦山三維建模是地表與地下多數(shù)據(jù)源無(wú)縫耦合的過(guò)程，既需要地表地形高程數(shù)據(jù)，也需要地下巖土層空間數(shù)據(jù)。因此，需要針對(duì)不同類(lèi)型礦山及其分布情況，結(jié)合地域特點(diǎn)采取適宜有效的方案便捷構(gòu)建三維模型。由于中國(guó)礦山地形地貌西部山區(qū)較東部平原復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境南方較北方復(fù)雜。這就需要我們進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)統(tǒng)籌考慮礦山環(huán)境各種影響因素。

此外，在數(shù)據(jù)采集基站定位和航線規(guī)劃選用不同儀器設(shè)備時(shí)，不同地區(qū)不同類(lèi)型的礦山可能產(chǎn)生的影響也需要提前考慮，這有助于后期數(shù)據(jù)解算分析及模型構(gòu)建。

1.1 有色金屬礦山

中國(guó)復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境形成了不同類(lèi)型的金屬礦床，從各時(shí)代超基性-基性-中性-酸性-堿性各類(lèi)巖漿巖，沉積了各時(shí)代的地層，形成了各種各樣的礦床。資源分布廣而又相對(duì)集中。如：銅礦主要分布于長(zhǎng)江中下游；鋁礦主要分布在河南、山西、貴州、廣西；鎢分布在南嶺一帶；鉬主要分布在遼寧、河南[2]。

1.2 非金屬礦山

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，非金屬礦產(chǎn)扮演著越來(lái)越重要的角色[3]。中國(guó)非金屬礦山大多集中在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的東部和中部地區(qū)，特別是在東南沿海一帶。礦層主要在早元古代-寒武紀(jì)-第四紀(jì)的不同時(shí)代變質(zhì)巖、沉積巖地層中。菱鎂礦、滑石、石墨等主要產(chǎn)于華北地臺(tái)、揚(yáng)子地臺(tái)和佳木斯地塊。螢石、明礬石、膨潤(rùn)土、沸石、葉蠟石等主要分布于東南沿?；鹕綆r帶。石鹽、鉀鹽、芒硝主要產(chǎn)于西部現(xiàn)代鹽湖等[4]。

1.3 能源礦山（煤礦為例）

地史上中國(guó)聚煤期有14個(gè)，其中早石炭世、晚石炭世-早二疊世、晚二疊世、晚三疊世、早-中侏羅世、早白堊世、古近紀(jì)和新近紀(jì)為主要聚煤期。中國(guó)各聚煤期均有可采煤層形成，從早石炭世到古近紀(jì)和新近紀(jì)富煤面積縮小，單一煤層厚度增大。聚煤范圍最廣、煤層連續(xù)性最好的是華北賦煤區(qū)，其次為華南賦煤區(qū)，單層煤層厚度最大的是西北賦煤區(qū)和東北賦煤區(qū)。

1.4 其他類(lèi)礦山（稀土礦為例）

其他類(lèi)礦山主要是除賦存金屬、非金屬及能源礦產(chǎn)的礦山，包括砂、石、黏土礦產(chǎn)、稀土礦產(chǎn)、流體礦產(chǎn)（如地下水等）等資源礦山。

在成礦時(shí)間上，燕山期是中國(guó)稀土礦富集的高峰期。在空間分布上，雖然中國(guó)稀土礦分布廣泛，但儲(chǔ)量分布較為集中，主要分布在內(nèi)蒙古、江西、廣東、廣西、四川等省。在大地構(gòu)造上，既分布于穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造單元之中，又分布于活動(dòng)的地質(zhì)單元之內(nèi)（褶皺系）[5]。

從以上不同類(lèi)型礦山及其分布特點(diǎn)來(lái)看，集中成礦及空間分布既有關(guān)聯(lián)又存在很大差異，采取單一建模方式不一定能夠準(zhǔn)確反映礦山巖土體間的相互關(guān)系。因此，需要對(duì)不同建模類(lèi)型研究分析、綜合運(yùn)用來(lái)解決礦山巖土體三維建模問(wèn)題。

2 三維建模

2.1 三維建模類(lèi)型

礦山三維建模根據(jù)其用途、目的不同，大體可以劃分為地質(zhì)建模、幾何建模、測(cè)繪建模、實(shí)景建模等。

2.1.1 地質(zhì)建模

地質(zhì)建模是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將鉆孔、測(cè)井、地球物理勘探資料和各種解譯成果，以及地質(zhì)調(diào)查成果在綜合分析的基礎(chǔ)上，生成的三維定量隨機(jī)模型。

地質(zhì)建模是一個(gè)涉及了地質(zhì)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)及信息技術(shù)、地球物理勘探、巖土工程、構(gòu)造學(xué)、遙感地質(zhì)等多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。地質(zhì)建模我們可以根據(jù)其應(yīng)用目的不同，可以分為礦床/儲(chǔ)層地質(zhì)建模（如礦產(chǎn)三維等）、土木工程地質(zhì)建模（如城市地質(zhì)三維等）、地質(zhì)演化三維建模及綜合地質(zhì)建模等。

礦床/儲(chǔ)層地質(zhì)建模主要是為較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦儲(chǔ)的真實(shí)情況而建立的地質(zhì)模型，地質(zhì)模型的精準(zhǔn)程度取決于獲取地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度，常見(jiàn)軟件有 GOCAD、Petrol、3DMine等；土木工程地質(zhì)建模是在大型工程不同階段（可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、施工階段等）或一般工程的關(guān)鍵階段實(shí)施時(shí)，獲取地質(zhì)信息用三維圖形來(lái)處理巖土層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，逼真反映地下主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，為巖土工程師分析研究工程地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結(jié)構(gòu)規(guī)律提供的一種嶄新研究手段和研究方法，常見(jiàn)適用軟件有庫(kù)倫巖土分析和設(shè)計(jì)軟件（GEO5/OptumG2）、Creatar XModeling、ABAQUS 等；地質(zhì)演化建模是在遵循地質(zhì)原理的前提下，通過(guò)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造深入分析，以半定量化或模糊量化的方式結(jié)合推演及相關(guān)解譯成果建模的方法，如深探地學(xué)建模軟件等；綜合地質(zhì)建模是為解決復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題而采用的建模方法，一般采用一種或多種上述方法的組合；建模軟件多采用 CAD、Revit、Mapgis、Arcgis等具三維功能制圖類(lèi)軟件和自編程序相結(jié)合的辦法完成。

2.1.2 幾何建模

幾何建模方法可以分為多邊形建模（Polygon）、非均勻有理 B樣條曲線建模（NURBS）、細(xì)分曲面技術(shù)建模（Subdivision Surface）等。多邊形建模一般采用三角形、四邊形或其它多邊形等小平面來(lái)模擬曲面，來(lái)表述各種不同形狀的三維物體；NURBS建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)數(shù)學(xué)概念，適合于創(chuàng)建光滑的、復(fù)雜的模型，該建模須使用網(wǎng)格狀的曲面片作為其基本的建模單元；細(xì)分曲面技術(shù)建模是采用鑲嵌化處理技術(shù)，在點(diǎn)與點(diǎn)之間自動(dòng)嵌入大量新的點(diǎn)，使模型曲面更加平滑致密。多邊形建模是早期的三維建模常用方法，由于其誤差相對(duì)較大，要求精度較高的三維模型一般采用后來(lái)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的NURBS建模和細(xì)分曲面技術(shù)建模技術(shù)來(lái)創(chuàng)建。幾何建模常用軟件Rhino等。

2.1.3 測(cè)繪建模

測(cè)繪建模根據(jù)時(shí)空特征可分為地面測(cè)繪建模、空三測(cè)繪建模和衛(wèi)星遙感測(cè)繪建模。

地面測(cè)繪建模常采用全站儀、激光雷達(dá)及相關(guān)輔助設(shè)備對(duì)目標(biāo)物（或礦山靶區(qū)）進(jìn)行全方位數(shù)值測(cè)定，然后采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)建。該類(lèi)模型定點(diǎn)精度高（毫米級(jí)或優(yōu)于毫米級(jí)），適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的三維模型測(cè)定，對(duì)復(fù)雜形體及大數(shù)據(jù)測(cè)繪存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力效果不佳的問(wèn)題。

衛(wèi)星遙感測(cè)繪建模是通過(guò)傳輸設(shè)備將遙感器獲取的目標(biāo)物（或礦山靶區(qū)）遙感信息遠(yuǎn)距離傳回地面站，由專(zhuān)業(yè)信息處理設(shè)備（如彩色合成儀、數(shù)字圖像處理機(jī)等）對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理后用 ENVI ERDAS（二次開(kāi)發(fā)）等可以測(cè)量信息數(shù)據(jù)的軟件有針對(duì)性提取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建三維模型。獲取的基礎(chǔ)信息基本為海量大數(shù)據(jù)，目前來(lái)說(shuō)精度一般略微偏低，多為亞米級(jí)。

空三測(cè)繪建模一般采用攜帶具測(cè)繪功能儀器的飛機(jī)（艇）或無(wú)人機(jī)等對(duì)目標(biāo)物（或礦山靶區(qū)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，而后通過(guò)計(jì)算機(jī)工作站或云平臺(tái)空三解算構(gòu)建。空三測(cè)繪建模優(yōu)勢(shì)是既具有可獲取復(fù)雜目標(biāo)物的大數(shù)據(jù)，又可保證較為精確精度。

2.1.4 實(shí)景建模

實(shí)景建模是一種運(yùn)用相機(jī)或雷達(dá)、激光掃描等可提取數(shù)字信息等儀器結(jié)合相關(guān)配套設(shè)備，對(duì)目標(biāo)（或靶區(qū)）場(chǎng)景進(jìn)行多角度采樣，后期整合處理來(lái)完成的三維虛擬技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以把目標(biāo)場(chǎng)景完整、細(xì)致地記錄下來(lái)，通過(guò)紋理復(fù)原等技術(shù)再現(xiàn)，可以使訪問(wèn)者在三維空間穿行、觀賞，并可與 AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）相連接，提高身臨其境的真實(shí)感受。

2.2 礦山巖土體建?？臻g界定

由于礦山巖土體地下部分屬于隱蔽不可知空域，成礦時(shí)經(jīng)歷復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境過(guò)程，因此在針對(duì)不同用途三維建模時(shí)，需要充分考慮建?？臻g界定問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)已開(kāi)采不同類(lèi)型礦山及搜集的勘探數(shù)據(jù)，礦山巖土體三維建模宜綜合考慮圍巖、礦體、軟弱結(jié)構(gòu)層（體）、斷層等不同地質(zhì)構(gòu)造，建模區(qū)域空間宜不小于一倍且不大于兩倍研究靶區(qū)的范圍，并應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求及實(shí)際需要。一般情況下，垂向深度可與勘探揭露最多地層厚度相當(dāng)；地表覆蓋以礦界范圍約束控制。

2.3 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模[6-7]目前應(yīng)用于建筑及工業(yè)領(lǐng)域，為了解決復(fù)雜異形體，建立一個(gè)參數(shù)化模型，就可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，利用其建模的精準(zhǔn)性，來(lái)指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)定位[8]。參數(shù)化建模較好地解決了復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)體及異形模具零部件三維建模問(wèn)題。

鑒于礦山巖土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，可以將參數(shù)化建模引入礦山建模。在參數(shù)化建模中比較好的有Rhino中的Grasshopper編程環(huán)境及SketchUp參數(shù)化插件等，它們都可以比較友好地被引用，來(lái)解決礦山巖土體建模中相對(duì)較為棘手的地質(zhì)建模問(wèn)題。比如多維數(shù)據(jù)曲面（地形或礦層）和非標(biāo)準(zhǔn)異形礦洞生成等（圖1）。

圖1 參數(shù)化三維建模Fig.1 Parameter 3d modeling

在Grasshopper中，每個(gè)電池（被編譯打包能夠獨(dú)立完成一定操作的程序或程序組）基本都會(huì)有輸入端和（或）輸出端。將各電池相連成電池組（圖2），輸入端與輸出端之間線連產(chǎn)生邏輯關(guān)系，運(yùn)算器根據(jù)輸入條件輸出結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化結(jié)果（圖3）。參數(shù)化的突出優(yōu)點(diǎn)是可以快速解決異形體及異常數(shù)值的處理，極大程度降低復(fù)雜地質(zhì)體建模的難度。

圖2 參數(shù)化電池組Fig.2 Parametric battery group

圖3 點(diǎn)生成曲面可視化Fig.3 Visualization of point generation surface

利用地質(zhì)體基本特征進(jìn)行參數(shù)化建模是個(gè)重要環(huán)節(jié)，所以進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)需考慮多方面的因素，如分析構(gòu)成地質(zhì)體幾何形體的基本元素，以及各元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；分析自由參數(shù)與哪些元素相關(guān)，如何保證自由參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化；確定主體模型特征及所有的輔助特征；運(yùn)用編程表達(dá)式編輯器，對(duì)自由參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行分析；確定特征創(chuàng)建次序，進(jìn)行模型創(chuàng)建；變更自有參數(shù)數(shù)值，驗(yàn)證模型的合理性等。

3 礦山巖土體三維建模設(shè)想

礦山巖土體三維建模設(shè)計(jì)可以按前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建分步實(shí)施（圖4）。

圖4 礦山三維建模架構(gòu)圖Fig.4 Mine 3d modeling chart

3.1 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備中，區(qū)域地質(zhì)資料可以提供準(zhǔn)確詳實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)地層，對(duì)斷層、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)體有較為準(zhǔn)確的描述，對(duì)前期礦山建模具有指導(dǎo)作用，同時(shí)可以提取對(duì)后期礦山模型的修正約束數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)集成

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)是建模的直接依據(jù)，它的精度直接決定模型的準(zhǔn)確性。利用礦山范圍物、化、遙數(shù)據(jù)，結(jié)合地面調(diào)查與鉆探等直接獲取的地層數(shù)據(jù)相融合，可以形成復(fù)雜地質(zhì)體之間較完善的拓?fù)潢P(guān)系，這是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中包括與礦山關(guān)聯(lián)的歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)，空天地一體的實(shí)測(cè)及觀測(cè)數(shù)據(jù)，建模時(shí)需要逐步提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

其次數(shù)據(jù)集成三維數(shù)據(jù)可將得到的物體幾何模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直接運(yùn)用的基本圖形的形式。如點(diǎn)線面等，賦予幾何體屬性并對(duì)應(yīng)相關(guān)圖層。

矢量數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)可以梳理進(jìn)入礦山三維數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的非矢量化紙質(zhì)或電子的圖件及信息等數(shù)據(jù)形成符合建模的矢量化數(shù)據(jù)。

礦山圖形數(shù)據(jù)部分可以統(tǒng)一礦山及其附屬構(gòu)筑物矢量數(shù)據(jù)，之后形成可供建模的圖形數(shù)據(jù)。

3.3 模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建可以采用一種或幾種不同建模方法融合來(lái)構(gòu)建礦山巖土體模型。使其具有可編輯、可數(shù)值模擬、可轉(zhuǎn)化等不同形式。

為增加模型的逼真性和真實(shí)性，可采取紋理映射編輯，在三維模型的灰度圖上增加紋理或色彩，使其成為具有紋理映射的三維模型。

合理運(yùn)用三維數(shù)據(jù)庫(kù)可以編譯三維模型，使其格式及形式上符合進(jìn)入GIS等附帶數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)型的地學(xué)軟件，為模型建立后續(xù)分析提供基礎(chǔ)支撐。

4 礦山巖土體三維建模實(shí)現(xiàn)

某非金屬礦山最高點(diǎn)海拔 1450m，最低點(diǎn)910m，最大高差 540m，一般200～300m，區(qū)內(nèi)山高谷深，懸崖絕壁清晰可見(jiàn)；區(qū)內(nèi)灌木、喬木、荊棘、藤狀植物十分發(fā)育，植被覆蓋率達(dá)90%以上（圖5）。礦區(qū)位于山陵背斜北翼，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大的斷層，出露地層大都為沉積巖類(lèi)地層，淺部覆蓋相對(duì)較薄的第四系沖洪積或坡積土層。

圖5 礦山現(xiàn)場(chǎng)（實(shí)地踏勘）Fig.5 Mine site（The field reconnaissance）

結(jié)合礦山提供的地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，礦區(qū)環(huán)境屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季氣溫高達(dá)38℃，冬季氣溫達(dá)-10℃，冰凍期為每年 12月至翌年3月；雨水多集中在6～9月，冬、春兩季降水較少。根據(jù)項(xiàng)目要求，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)篩選靶區(qū)局部存在少云易處理的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取后作為參考?，F(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜拍攝采集數(shù)據(jù)與礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合構(gòu)建三維模型。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)合地質(zhì)鉆探布置情況，無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)航線東西向，航向南北向控制；同時(shí)在礦區(qū)范圍內(nèi)均布RTK高精度控制點(diǎn)。根據(jù)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，通過(guò)基站數(shù)據(jù)和傾斜相機(jī)內(nèi)置PPK，解算出相機(jī)曝光點(diǎn)位置，通過(guò)解算軟件轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)或需求坐標(biāo)，解算成果映射相應(yīng)圖像紋理（圖6），空三解算成果為高精度控制礦山地質(zhì)模型地表形態(tài)及作業(yè)范圍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和直觀依據(jù)。

圖6 礦山空三解算成果圖（數(shù)據(jù)集成）Fig.6 Result map of aerial triangulation of mine（Data integration）

建模采用三維模擬技術(shù)，是利用信息系統(tǒng)可視化技術(shù)進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象的三維數(shù)字化抽象、重構(gòu)和再現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行模型抽象、實(shí)體重構(gòu)、計(jì)算分析的仿真過(guò)程[9]。

由于基于幾何建模方法側(cè)重 3D空間實(shí)體的表面表示，如地形表面、地質(zhì)層面等，通過(guò)表面表示形成 3D目標(biāo)的空間輪廓，其優(yōu)點(diǎn)是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，不足之處是難以進(jìn)行空間分析，在對(duì)三維模型進(jìn)一步數(shù)值模擬和進(jìn)行 BIM 預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)，存在僅能概化測(cè)算而無(wú)法深度計(jì)算的問(wèn)題。

基于地質(zhì)建模方法側(cè)重于 3D空間實(shí)體的邊界與內(nèi)部整體表示，如地層、礦體、水體等。通過(guò)對(duì)體的描述實(shí)現(xiàn) 3D目標(biāo)的空間呈現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是易于進(jìn)行空間操作和分析，但存儲(chǔ)慢、占空間大，計(jì)算容易溢出而導(dǎo)致分析無(wú)法正常進(jìn)行。

考慮礦山三維地質(zhì)建模遠(yuǎn)復(fù)雜于城市地質(zhì)三維建模，不宜采用以規(guī)則塊體、不規(guī)則塊體及結(jié)構(gòu)實(shí)體地質(zhì)建模等只考慮體元的建模思路；也不宜采用網(wǎng)格（TIN和Grid）邊界或線框建模、斷面建模、多層 DEM 幾何建模等只考慮面元的建模思路。混合模型的目的是綜合面、體模型優(yōu)點(diǎn)，融合規(guī)則體元與不規(guī)則體元的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短[10]。綜合以上對(duì)比后，采用混合建模的思路。

將多尺度資料進(jìn)行整合，提取相關(guān) DSM、DEM數(shù)據(jù)、點(diǎn)集數(shù)據(jù)（如鉆孔數(shù)據(jù)等）、剖面數(shù)據(jù)（如地質(zhì)剖面等）、地表點(diǎn)數(shù)據(jù)（如控制點(diǎn)、調(diào)查點(diǎn)等），對(duì)比各掃描數(shù)據(jù)、數(shù)字化數(shù)據(jù)、地探數(shù)據(jù)等矢量化數(shù)據(jù)，以低精度服從高精度數(shù)據(jù)原則，取得建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)。從地質(zhì)調(diào)查、遙感地質(zhì)、工程物探數(shù)據(jù)及地質(zhì)勘查鉆孔數(shù)據(jù)依次由地表向地下區(qū)劃各不同地質(zhì)時(shí)代巖層分層界限，按照與地表數(shù)據(jù)同范圍同精度原則提取相關(guān)地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

混合建模時(shí)將提取的地形、地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以地質(zhì)建模方法為主體，對(duì)空三解算、點(diǎn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域校準(zhǔn)和分類(lèi)校正，以幾何建模、空三建模及參數(shù)化建模等建模方法為基礎(chǔ)，在確定礦山各地質(zhì)巖層相互間接觸關(guān)系的前提下進(jìn)行模型構(gòu)建。生成地表的數(shù)據(jù)是由無(wú)人機(jī)采集，經(jīng)空三解算提取的DEM（或剔除植被等異常值的DSM）離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；地層信息源于地質(zhì)剖面和鉆孔數(shù)據(jù)等信息，將提取的離散點(diǎn)運(yùn)用插值技術(shù)構(gòu)網(wǎng)成面，對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)賦予“三維空間矢量點(diǎn)”屬性，以保證模型精度；地質(zhì)透鏡體則根據(jù)物探等值線或鉆探剖面以幾何建模法來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用控制點(diǎn)調(diào)整透鏡體形態(tài)，并賦予其地質(zhì)屬性；地層間的接觸關(guān)系，則依據(jù)不同礦山類(lèi)型、分布區(qū)域及其成因，以及其所處大構(gòu)造區(qū)域位置（區(qū)域校準(zhǔn)、分類(lèi)校正）等來(lái)綜合判斷，構(gòu)建后的三維模型逐層確認(rèn)其分層是否準(zhǔn)確，并賦予相應(yīng)地質(zhì)屬性，對(duì)賦予地質(zhì)屬性的模型映射紋理或色彩以可視化區(qū)分地層，耦合各巖土層生成三維地質(zhì)模型（圖7，圖8）。

圖7 礦山巖土體三維模型Fig.7 3d model of mine soil mass

圖8 礦山巖土體三維模型流程（模型構(gòu)建）Fig.8 3D Modeling process of mine soil mass(Model construction)

5 三維建模未來(lái)發(fā)展及應(yīng)用

三維數(shù)字礦山的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采，既能滿足人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求，也能適應(yīng)生態(tài)、環(huán)境的承載力，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[11]。三維礦山是以礦山系統(tǒng)為原型，以地理信息、礦山科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代智慧礦山管理體系和 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，建立的一系列不同的地質(zhì)模型、數(shù)學(xué)模型、幾何模型等集成，用模擬仿真虛擬技術(shù)進(jìn)行多維度表達(dá)，具有高分辨、大數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)相融合以及空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的技術(shù)系統(tǒng)。三維礦山把礦山空間屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)、傳輸和表述，可應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的。

隨著礦山淺表層礦產(chǎn)大幅減少，深部采礦將是礦山不得不面對(duì)的問(wèn)題。而隨著采深增加、開(kāi)采強(qiáng)度加大，與淺部開(kāi)采相比，深部開(kāi)采時(shí)巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高承水壓力及爆破、機(jī)械動(dòng)力擾動(dòng)的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，“三高”地質(zhì)環(huán)境下的巖體在應(yīng)力突然釋放時(shí)，極易造成礦山災(zāi)害，所以未來(lái)礦山深部安全開(kāi)采需要提前對(duì)采區(qū)開(kāi)采前后地應(yīng)力分布有較為詳細(xì)的把握，以便于采取應(yīng)急處置預(yù)案。這時(shí)，需要借助大數(shù)據(jù)三維數(shù)值模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)這一需求，而數(shù)值模擬的前提則是需要建立擬合于真實(shí)礦山的三維模型。

自然資源“山水林田湖草”的深入調(diào)查和評(píng)價(jià)，地表水與地下水的相關(guān)關(guān)系；行政區(qū)劃與流域自然資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系；礦山資源基地建設(shè)與流域地質(zhì)環(huán)境的聯(lián)系與影響等，都有賴(lài)于水工環(huán)三維模型的構(gòu)建與模擬。在數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)（或調(diào)查）結(jié)果相比擬的過(guò)程中，把握各種關(guān)系間存在的主要問(wèn)題，三維建模與數(shù)值模擬分析可以為適宜的解決方案提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

由此可見(jiàn)，三維模型的精準(zhǔn)構(gòu)建首當(dāng)其沖。

6 結(jié)論

（1）本文將礦山三維建模常用建模類(lèi)型劃分為地質(zhì)建模、幾何建模、測(cè)繪建模、實(shí)景建模，并對(duì)其區(qū)別及應(yīng)用范圍進(jìn)行了表述。

（2）將廣泛應(yīng)用于建筑及機(jī)械等領(lǐng)域設(shè)計(jì)的參數(shù)化三維建模方法引入礦山建模，提出了參數(shù)化礦山三維建模需要考慮的環(huán)節(jié)，并進(jìn)行了參數(shù)化三維建模初步實(shí)現(xiàn)。

（4）高精度大數(shù)據(jù)對(duì)礦山巖土體三維模型仿真實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)支撐，高質(zhì)量的三維模型可以更加高效、精準(zhǔn)地服務(wù)中國(guó)深地層面的戰(zhàn)略規(guī)劃。三維數(shù)字礦山是國(guó)家戰(zhàn)略資源安全保障體系的重要組成部分，礦山三維建模是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三維數(shù)字化模型可對(duì)接生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策，最終實(shí)現(xiàn)管理智能化和決策科學(xué)化。