三维模拟矿山地质环境探讨

苏志军王迎霜李竞王莹李英华许多

1.中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京100013

2.中化地质矿山总局， 北京 100013

应用地质

三维模拟矿山地质环境探讨

苏志军1*王迎霜1李竞2王莹1李英华1许多1

1.中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京100013

2.中化地质矿山总局， 北京 100013

综合三维模拟技术和矿山地质环境特点，运用卫星影像三维信息提取技术建立三维地质体模型，探讨三维模拟在矿山地质环境调查中的应用，提出三维模拟矿山地质环境更有助于对工作区地质环境的分析研究。

空间数据 三维模拟 卫星影像 矿山地质环境调查

1 概述

1.1 三维模拟技术

二维GIS始于二十世纪六十年代的计算机辅助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维信息不能很好的研究地质的纵向和横向变化。因此，随着应用的深入，多年来地质学家一直关注地质体三维信息技术的发展【1】。

三维模拟技术，就是利用信息系统可视化技术进行地层结构、地质体、地质现象的三维数字化抽象、重构和再现，对现实地质环境进行模型抽象、实体重构、计算分析的仿真过程。空间数据获取是GIS建设和运行的基础，实现空间三维信息的实时获取，将会使三维技术获得更为迅猛的发展，随着现代遥感、地质勘探等技术的快速发展，3D数据信息获取途径越来越多样化，信息量也越来越丰富。伴随GIS 技术的发展，用于泥石流危险性评价的空间数据集成化更加便捷、高效，这大大促进了GIS 在该领域的发展速度。基于 GIS 技术的泥石流危险度划分逐渐取代了人工划分，并取得了较好的应用效果，成为当前最高效便捷的评价方法【2】。

1.2 三维数字化模拟

三维实际上是在二维的基础上添加了一个维度（即Z坐标）。地面下三维数字化模拟主要是基于钻探资料的岩土层实体模拟，一般需要获取研究区地层钻探资料及建模所需空间资料和岩土层相关参数，按照钻孔模型（Drilling model）→地层模型（Formation model）→参数模型（attributes model）→三维实体模型（3D solid model）进行建模。

针对地面以上部分实体建模，以荆襄磷矿集采区局部区域为例建地表模型（图 1），粗定义可以采用含有地层结构和DEM数据的信息构建计算分析模型；精细化定义可采用全站仪和RTK等测量仪器设备定位实测，将相关信息与对应地层数据信息进行适宜转化后建立有限元单元体分析模型。地面以下可结合搜集区域地质资料与钻探成果，融入地层结构信息构建单元体分析模型（图2）。

* 第一作者简介：苏志军（1971～），男，主要从事地质灾害防治、水工环地质调查、岩土工程、岩土测试等工作，工程硕士，高级工程师

图 1 地上三维实体建模Fig.1 3D solid modeling on the ground

图 2 地下三维实体建模（含钻孔）Fig.2 Underground 3D solid modeling (including drilling holes)

2 三维模型的建立

2.1 三维数据的处理

三维信息的获取随着科学技术的发展而发展，航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、遥感与 GPS等传感器采集数据的分辨率和准确性都有了明显的提高。本文就提取卫星影像坐标高程等相关数据，结合矿山地质环境信息建立三维地质模型，来探讨三维模拟技术的应用。

地表三维模拟：按照需要进行矿山地质环境调查区范围获取卫星影像或高程数据（图 3），将数据转换为所需要的坐标系（WGS84、54或80等），将相关数据添加到ARCGIS等具备三维功能的软件中，进行地形等高线的处理及三维显示预处理，然后叠加卫星影像图，生成与实际相近的仿三维模型。在约束TIN的构建过程中，采用一种以等高线为约束边的不规则三角网构网的算法，并对算法过程中产生的等高线穿越三角形和平三角形的问题进行优化处理，采用边交换法和插入辅助点相结合的算法进行优化（图4）。运用OpenGL 的三维真实感地形生成技术，可以生成较好的三维地形模型。

图3 具DEM数据信息的影像Fig.3 images with DEM data

图4 以等高线为约束边优化处理Fig.4 The constrained edge optimization with contour line

地下三维模拟：搜集或直接钻探获取勘探资料，对地质体进行初始化，将相关岩土体特征信息逐一建造，对不同岩土体特征信息进行分类定义（如地下水—导水系数、渗透系数等，岩土体—物理力学性质等，环境影响—污染点源等），依据不同的分析要求或目的，可以选用三维岩土、地下水模拟等三维软件进行建模分析研究。三维岩土软件可以模拟特殊性岩土原始应力状态发生改变后对地质环境的影响（图 5）；地下水模拟系统可以模拟地下水受污染后污染羽随时间的变化，以及其对环境的影响情况（图6）。

图5 三维应力场变化对地质环境影响Fig.5 Geological environment impact by 3D stress field change

图6 模拟地下水环境变化Fig.6 The simulation of groundwater environmental change

三维地质体数据分析，可采用ANSYS商业软件，该软件作为广泛应用的有限元软件充分综合了图形处理工具的优点，是建立复杂计算模型有效而快捷的平台。单一地层可以采用以下方法建立：

（1）利用已知点生成等间距的样条曲线（SPLINE）。

（2）采用ASKIN生成光滑的空间曲面(地表面、地层分界面以及较大的结构面等)。

（3）通过VEXT或VDRAG拉伸地表面成完整几何实体。

（4）采用地质界面切割几何实体，从而获得表征主要地质构造几何特征的实体模型。

多地层模型可采用以下方法：

（1）导人研究岩层顶底面的坐标，利用已知点生成等间距的样条曲线。

（2）利用8个顶点直接生成小的实体，若干小体构成一个岩层。

（3）各个岩层均按此法生成，从而构成整个实体。

数据的标准化：为能够使模拟效果接近真实情况，需要对数据进行标准化处理。综合数据的来源甄别其可靠性，并结合工作区相关的地区经验数据，筛选出可供模拟评价的标准数据进行建模研究。

2.2 三维地表模型建立

三维地表模型重建方法分为以下三类：①基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；②基于图像的方法，利用近景、航空与遥感图像建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；③基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。

2.3 三维地质体模型的建立

结合地表地形和已有的岩土体特征信息，按照由点到线，由线到面的次序建立模型信息。参照现场实际（拟用的调查区底图），设定模型的基础边界，网格化地质实体单元，依据需要解决的地质环境问题（如岩土体变形可选用MIDAS，污染物的运移可选用Modflow或GMS等），选择适宜的模拟计算模型。在地下工程施工对区域地质环境影响方面，采用综合方法建立三维地质体模型模拟会收到很好的效果，据已有工程（例如矾水沟大桥-师婆沟隧道）应用表明，MADAS/GTS-FLAC3D耦合建模方法可行有效，优势明显【4】。

3 三维矿山地质环境

3.1 实例模拟

基于图像的建模和绘制（Image based modeling & rendering：IBMR）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾，大大简化了复杂的数据处理工作【5】。

应用于矿山（蓝色区域）地质环境调查的水流（灰色区域）及泥石流趋势（灰色～灰黑色区域）分析图（趋势由黑色高位松散物源堆积狭窄区向浅色低位平缓开阔区过渡）（图7、8），可以较好地模拟泥石流可能发生的范围和区域，结合地表三维卫星影像图（图 9）可以更加直观进行判断出泥石流可能暴发区域为物源区和水源集中区，以及具备矿山自高到低的地形条件区域；而地下岩土体三维模型则根据钻探资料进行模拟概化后得到（图10），从三维图上可以清晰地获取地下岩土分层信息，结合已有的试验数据资料，可以分析矿山地质环境问题的位置和原因，三维信息提供给使用者的判断和评价更加真实、直观。

在三维系统中，需要根据不同的高程及岩土层信息赋予不同的颜色以达到生动显示不同高低范围的模型【6】。由选定的或者自定义的颜色表根据不同的高程自动赋予相应的颜色，可以了解垂向矿山地质环境问题分布特征，与矿山地质环境调查相结合达到最佳的评价效果。

图7 水流流向分析图（由浅色指向深色部分）Fig.7 Flow direction analysis (from the point of light colored to dark part)

图8 泥石流趋势分析图Fig. 8 Trend analysis of debris flow

图9 地表三维卫星影像图Fig.9 Surface 3D satellite image map

图10 地下岩土体三维建模（borehole为钻孔位置）Fig.10 3D modeling of underground rock and soil (borehole-drill hole position)

3.2 二维与三维矿山地质环境

以泥石流为例，二维分析主要为泥石流发生流域的上、中、下游及地表物源的地质调查与分析，而三维分析则在二维的基础上，搜集调查区域空间地质数据和相关资料，对研究对象进行建模，获取潜在的物源量信息、相对更为准确的流量信息及地表形态数据，这些都是对泥石流进行分析的关键性环节，合理的模拟可以得出更为符合实际的结论，既可以为后期的治理提供直接依据，又方便我们直接获取区域地质环境的变化。同样，水土环境的变化也是空间的地质环境问题，只考虑面上的影响，都可能使我们忽视潜在的空间影响带来的不良后果。此外，包括滑坡、地面塌陷等都是空间环境问题，早期研究限于相关技术不能同步发展，因此主要以二维研究为主，现在快速发展的三维技术给我们带来研究基础和条件，有必要更多的运用这项技术来推动其在地质环境研究上同步发展。

4 结论

随着地学研究的不断深入，三维地质模拟已引起了地球科学界的重视，并被广泛应用到地质、矿产、水文、物探、地震和环境等各个领域。因此，三维GIS的应用有着越来越明显的优越性。使用三维技术来模拟矿山地质环境并进行评价是未来的发展方向。三维GIS技术从软件到硬件、从多源数据获取技术到数据库一体化管理技术、多维数据的集成应用与动态可视化技术等已得到较全面的研究和实践，并在商品化过程中取得了重要的进展，有关成果已被应用于众多领域的实际工程。尤其在三维数据获取和海量数据动态可视化方面具有鲜明特色，因此将其应用于矿山地质环境调查有着独特的优势和前景。当然，这些研究实践在三维空间数据的复杂分析与决策支持方面的能力还较弱，三维的网络化与标准化等问题也有待随着三维仿真技术的云计算进一步深化和完善。

本文通过依托中国地质调查局“我国主要磷矿、硫铁矿矿山集中开采区地质环境调查”项目和“长江中游磷、硫铁矿基地矿山地质环境调查”的项目，总结前人的先进经验结合本次项目取得的成果，运用三维模拟技术尝试对矿山地质环境进行了探讨分析，认为该技术在矿山地质环境调查工作中有应用前景。

1 郭文才. 试论现阶段三维GIS的发展[J]. 科技信息，2010（36）：226～228

2 唐尧. 基于3S 的震后汶川潜在泥石流危险性评价研究[D]. 指导老师：杨武年. 成都，成都理工大学，2010（06）：1～49

3 周爱国，周建伟，梁合诚，等. 地质环境评价[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2008.05

4 王树仁，张海青. MIDAS/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其应用[J]. 土木建筑与环境工程，2010（01）：5～12

5 朱庆. 三维地理信息系统技术综述[J]. 地理信息世界，2004.06

6 田宜平，翁正平，何珍文，等. 地学三维可视化与过程模拟[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2015.05

DISCUSSION ON THREE DIMENSIONAL SIMULATION OF MINE GEOLOGICAL ENVIRONMENT

Su Zhijun1Wang Yingshuang1Li Jing2Wang Ying1Li Yinghua1Xu Duo1
1.General Institute of Chemical Geology Survey of China Chemical Geology and Mine Bureau Beijing,100013,China
2.China Chemical Geology and Mine Bureau,100013,China

Combined with three-dimensional simulation technology and mine geological environmental characteristics, a 3D geological model was build using 3D satellite image information extraction technology, in order to investigate the application of 3D simulation in mine geological environment survey, and improve the 3D simulation of mine geological environment more help on the analysis of the geological environment.

Spatial data，3D simulation，satellite image，mine geological environment survey

P69；TP391

A

1006–5296（2016）04–0221–05

2016-04-25；改回日期：2016-05-25