大型矿山岩土工程可视化模型与应用

2012-12-29谢浪

中国新技术新产品 2012年8期

谢浪

(四川省冶金地质勘查院，四川成都 610051）

科学可视化是20世纪80年代后期由美国科学家提出并发展起来的一门新兴边缘技术。近几年来，随着三维可视化技术的迅速发展，可视化技术在岩土工程领域中已经得到了广泛的应用。所谓可视化就是将数据转化成图形的方式，以求用更加直观的方式支持用户的判断和理解。具体地说，矿山岩土工程的可视化模型就是通过计算机组件对岩体的地质条件，尤其是一些不连续面的空间展布特征，包括不连续面的产状、几何形态、结构面间距、结构面的规模、结构面密度及其各类结构面相互限制、交切而形成的结构体形态，进行科学的计算与分析，并将计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，再进行交互式分析的过程。三维可视化技术是当前计算机科学研究中的热点之一，可视化技术在这个信息爆炸的时代，成为了人类分析和驾驭信息的有力工具，为用户提供了更加方便、快捷、直观的显示手段。而可视化技术在岩土工程中的应用，使得岩土工程中的三维空间问题可视化研究成为可能。

一、可视化技术简介

科学可视化技术实际上是将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并在屏幕上显示出来，再进行交互式分析。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。计算机在图形设备上生成真实感三维图形必须满足以下4个基本要求：

1、对所需模拟的三维场景，通过数学的逻辑与方法进行几何描述，并将它们输入计算机。这部分工作可由曲面造型系统或三维立体造型系统加以实现。因为如何选用合适的数学逻辑与方法对场景进行几何描述，将直接影响到图形的准确性，也将决定整个图形绘制的计算耗费，因而，选择合理有效的数据表示方法和较好的逻辑输入手段显得极其重要。

2、将三维的立体几何描述转换为二维投影图，从而得到场景的透视效。

3、确定出场景中的所有可见面，通过隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去，从而得到立体场景中所有可见面。

4、计算场景中所有出现的可见面的颜色，严格地说，就是根据光学物理的光照明模型，首先计算出可见面投射到观察者眼中的光亮度的大小，分辨出光谱的颜色组成，然后讲个颜色转换成适合图形设备语言的颜色值，从而用通俗的方法表现出投影画面上每一像素的颜色。最后通过明暗处理模型，具体确定画面上每一个面的颜色，最终生成图形。

二、岩体的三维可视化建模系统

由于地质条件的复杂性、井下环境的多变性、岩土体情况的不确定性和工程的隐蔽性等原因，岩土工程处理的对象极其复杂，这使得工程设计方案在施工过程中需要不断根据具体情况及时进行变更，原来岩体的工程信息主要来自于工程现场，这造成了数据的不准确性、人为性及滞后性。而通过采用三维数据结构和有效的建模技术，就能更加充分、客观的反映地层的特点，这既便于数据的管理和操作，也便于在出现问题时进行及时处理。s

1、数据模型

在三维可视化建模系统研究中，数据模型和数据结构是一组十分关键的问题。对于非空间实体，我们可以通过传统的数据库加以表示，而对于岩土工程中所涉及的数据的具体位置，我们就只能通过建模系统得出其绝对和相对的位置。空间数据模型的一个中心任务就是要研究、表述空间实体及空间关系。这些研究内容是设计空间数据库与构造概念模式的数据基础，它直接影响着空间数据库的

2、数据组织、空间查询和空间分析。拓扑关系

如何建立、维护空间元素的拓扑关系是三维可视化研究领域中的一个核心问题。拓扑关系的建立使得各种空间的操作与信息查询易于实现。拓扑关系更加侧重于描述岩土工程的实际应用，它通过空间中的各种体域、组成体域的各种曲面、构成曲面的边界环、组成环的

3、弧、弧上的结点来描述复杂的地物。建立模型

利用计算机组件对岩体的情况进行三维计算机模拟并进行可视化分析与研究，最后通过建立三维岩体模型，以便更简洁、直观地研究和分析岩体的形态及其变化规律。但在建立岩体三维模型时，首先要考虑钻孔的空间位置，这是整个岩体三维可视化模型的建造基础。然后从各剖面着手，根据已有的原始资料，利用岩体在勘探线剖面的投影形状，、透视特点，构建出其空间的大致形态，从而形成矿体的基础三维空间模型。最后，可以通过对模型在空间上进行旋转、放大、缩小等操作，全面展示出岩体的空间构造规律，从而能够更加直观的分析岩体的形态和空间变化。

三、岩土工程的可视化建模的功能特征

1、工程地质数据模块

对于工程地质钻孔数据库建立与之相符合的资料查询数据库，完善其检索模块的操作功能，使其能够用更简单、更直观的方式实现数据库间的无缝对接，并且及时对工程所涉及的有关工程数据资料与钻孔数据资料进行整理与分析、并将其准确无误的录入到工程数据库中，以方便查询、检索所需要的钻孔、地2层、信息以及工程资料信息。立体模型的显示与分析

利用计算机可视化组件，通过工程地质钻孔数据库提供的各种数据，将形成的立体模型显示于屏幕，这样便可以从多个角度更加直观地了解地下土层、岩层的分布构造情况，并能够提供更加全面的模拟地层的转动、缩放以及切割任意剖面可能造成的不同情况的岩层图解，这样便可以让使用者更加方便地得到指定地层的具体信息。

四、可视化技术在岩土工程中的应用

1、模拟岩土工程信息图

主要通过对工区图、剖面图、三维可视化图形进行模拟分析，从而更加直观的得出岩土工程的具体信息与特点。

工区图在反映研究工区的地理位置、地形特点、地表构造等方面扮演着重要的作用。它通过将多种方式的显示方法进行集中与整合，客观、全面、综合的显示出了测线、钻孔、断层和地形等值线图及其各层位段的分布图。

剖面图是地质专家们重点应用的图件之一。本系统利用数据库的剖面信息，将三维影像投影到了二维平面上，从而得到岩层的透视图，再通过将层位信息和地形信息与图形绘制功能相结合，便绘制好了剖面线图。

三维可视化图形通过将后台数据库和前台的图形绘图功能相结合，从而能够从不同的角度观察到剖面的空间地质层位的组合情况以及空间的特征变化和断层特征的变化情况，从而为地质专家建立岩土工程的三维空间概念提供了重要的帮助。

2、岩体的三维建模系统，

可视化技术在地表建模中已经得到了广泛的应用，无论是在地质岩层研究领、考古领域、还是新型化学高分子领域，都能看到它的应用。例如利用规则网格或Delaney 三角网建立三维地表模型。三维地质实体模型的开发、研究也取得了进步。

3、岩体的三维数值模拟分析

在数值分析中, 三维分析远比二维分析更具意义和价值, 因为三维分析可以从更加立体的角度，对岩层信息进行分析与处理，只有通过三维分析,才能得到更加合理、客观、准确的结果。而三维有限元分析的前、后处理功能主要依赖于可视化技术来实现。

4、岩体结构的三维可视化研究,

在对岩土工程的全面性、稳定性进行分析的过程中, 由于岩土体有别于其他一些匀质固体,往往在岩石层接处含有众多断层、界面或节理, 因而其结构难以进行准确的模拟和分析。通过三维可视化图形便能准确的显示出结构面，使地质工程师直观地看到岩体结构面空间的几何形态、相互关系和分布，从而使其准确地进行科学分析，对地质问题作出合理与科学的结论和决策。