基于GIS与SketchUp的矿井三维可视化方法研究

李海君，孟 健，张耀文

（1．防灾科技学院，河北三河 065201；2．中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080）

基于GIS与SketchUp的矿井三维可视化方法研究

李海君1，2，孟 健1，张耀文1，2

（1．防灾科技学院，河北三河 065201；2．中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080）

为更加实时、直观地体现矿井信息及三维地学信息，本文运用ArcGIS软件与SketchUp Pro软件，分别建立矿井三维地层模型，地表景观模型与工程巷道模型，最终在．NET与ArcEngine编程环境中实现原型系统集成并进行二次开发。经实践证明，本技术方案所实现的矿井模型三维可视化效果形象直观、沉浸感强，成果切实可靠。这对煤矿开采设计水平的提高及其应急管理决策支持软件的研发有一定的借鉴意义。

三维可视化；矿井地层；地表景观；巷道模型

0 引言

目前，“数字矿山”技术体系正积极推动矿业信息化发展。矿井可视化，已成为数字矿山繁杂应用模式中直观刻画空间地层、构造、矿体及巷道的展布与拓扑关系的核心范畴，是智能化、自动化采矿程式的实现基础之一［1］。因GIS软件可实现地形、地质、采掘工程布局及矿区建筑、交通系统等空间实体信息的高效综合采集、存储、分析、描述和模拟，同时可将数据库中隐涵关系模式进行多维度表达［2］。矿井GIS三维可视化，可克服二维图件在表述三维地学空间时数据不连续或数据挖掘困难问题，有助于更好地理解井下地层、采掘工程及地表景观等相互空间位置，为煤矿开采设计、生产管理及应急管理提供决策支持。

自1993年被提出，三维地质建模可通过基于体元、曲面、泛权等建模方式［3］。相对于钻探工作量要求不高的地层，基于体元的建模方法对建模时间与硬件配置要求均较高，在地层边界确定、层内填充效率面等实时性较低；而基于曲面建模，可通过局部增删控制点更客观逼近边界面，达到理想建模效果［4］。此外，矿山信息化水平较高的美、澳等国已开发了一系列适合其实际采掘生产控制需求的三维GIS软件，虽从采矿设计到进度编制均有其优势，但开发平台多基于工作站环境下的UNIX系统，其推广在跨平台性及二次开发方面均有一定难度［5］。国内行业则基于引进软件，利用地学专家知识库及图形库进行底层开发，对地质资料隐含内在联系进行挖掘、分析，费时耗力［6］。而ESRI公司推出的系列GIS平台产品，基于Multipath数据结构可对三维空间及属性数据进行空间处理与查询分析，并可灵活结合外部软件进行三维实体及属性编辑［7］。因而，结合其内嵌分析模型与人性化开发平台，辅以三维地质模型研发，使其在地质调查、固体资源储量评价及水文地质过程模拟［8］等领域广泛应用。

本文在分析三维地质建模理论及行业软件应用的基础上，对比ArcGIS及SketchUp在三维地质建模方面的优势与不足，提出基于ArcScene与SketchUp Pro结合的地层、地表及巷道建模技术，实例应用于开滦A矿，并对其实现了系统集成。

1 研究区概况

1.1 地理位置及地形地貌

井田位于河北省唐山市东北，面积约9km2，行政隶属唐山市开平区。研究区北依低山，南卧平原，地面标高40～60m。井田内地势平坦，坡降方向与陡河流向一致。东南沿陡河北东—南西向低山丘陵，最高点位于东部巍山，向西海拔依次降低，于菀豆山向西南倾没于平原之下，地理位置见图1。

图1 矿井交通位置图Fig．1 The location of the studying mine

1.2 气象水文条件

研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，最大降雨量1007.7 mm，平均降雨量为614.7 mm；冬季寒冷干燥，最低气温－21℃；年平均蒸发量1321.1 mm。冰冻期由每年12月至翌年3月初，冻土深度0.6～0.8 m。地表水系不发育，主要有煤田东部的季节性河流沙河及陡河，主要起排泄矿井水的作用。

1.3 地质及水文地质条件

井田隶属华北地台煤水组合煤矿，主要含煤地层主要为石炭系上统和二叠系下统，总厚约450 m，各系、统间多以整合或假整合接触，多被第四系黄土覆盖，偶有零星出露。煤层厚约25.3m，为可采煤层9、11、12－1和12－2，主要集中在赵各庄组和大苗庄组。

研究区所处煤田为北陡南缓的北东向不对称向斜构造，本井田主要构造为一亚圆形状的盆状向斜，位于开平向斜的西北，中间隔凤山－缸窑背斜南北长3.5 km，东西宽3.4 km，面积约9 km2，北端闭合，南端开放。井田内构造形式主要是断裂和褶曲，根据井田内各构造的区域差异，将井田划分为西翼、东翼和中南3个构造块段，区块划分与断层分布见图2。

区域内含水层的补给主要为大气降水，而导水构造也造成各含水层的越流补给。井田东南低山丘陵，岩溶较发育，为重要的导水通道。排泄方式多以地下径流及矿井排水系统向河流排泄。自上而下可分为8个含水层：第四系中上部砂卵砾孔隙承压和孔隙潜水含水层（Ⅷ）、第四系底部卵石孔隙承压含水层（Ⅶ）、风化带裂隙、孔隙承压含水层（Ⅵ）、5煤以上砂岩裂隙承压含水层（Ⅴ）、9煤～7煤砂岩裂隙承压含水层（Ⅳ）、K6～12煤砂岩裂隙承压含水层（Ⅲ）、K2～K6砂岩裂隙承压含水层（Ⅱ）、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层（Ⅰ）。

图2 井田构造纲要图Fig．2 The geological scheme diagram of mine field

2 矿井三维模型的创建

矿井安全生产需考虑地质、测量、采矿工程、运输、事故救援预案制定等领域。煤矿地质体、地表地形和巷道工程建模及其耦合集成（图1），才能直观反映矿区三维景观、井巷与矿体位置关系。集成效果不仅决定了模型指导开采设计的应用范围与能力，而且为矿井火灾、透顶、瓦斯泄露等突发事件的应急管理与救援提供技术支持［9］。

2.1 系统数据库设计

矿井地层需将勘察及生产阶段地质地形图、钻孔柱状图、剖面图、综合水文地质图、采掘及巷道工程图等图形数据源，数字化后整合至GeoDatabase数据库；亦需将地质报告、钻探记录等资料，转换为钻孔分层信息表、构造信息表、剖面基本信息表等。考虑井上信息系统配置及井下便携单机版程序发布，属性数据库选用Access数据库。

（1）图形数据处理

参考矿区配准后的地质地形图、工程剖面图以及综合水文地质图，按钻孔图层、断层控制图层、控制剖面图层等进行矢量化，并将数字化后的钻孔（包括编号、位置、坐标、标高、完探深度等字段）、断层（包括断层编号、断层落差、断层断距、断层折点坐标及标高等字段）、控制剖面（包括剖面线、位置、控制点及标高等字段）等文件导入已建好的Geodatabase。同理，对巷道图层需要按巷道线或点图层逐点采集矢量化并导入。

（2）属性数据处理

属性数据参照钻孔记录、实验记录及地质报告，编制钻孔分层数据表、地层特征表、测试数据表、岩性图例表（填充符号编号、名称）、断层基本信息表、剖面基本信息表（剖面编号，剖面控制点编号，点位置，标高）等基本信息表。此外，需将巷道建模时采集巷道信息表（巷道编号、类型）以及测量点信息表（测量点编号，位置，标高）整理入库（见图3）。

属性数据库以钻孔分层数据表作为主表，以钻孔编号为关键字，各子表分别以钻孔编号、岩性编号、测试编号、填充图例编号等字段建立索引，以进行数据获取或更新操作。其中，岩性图例需对应《区域地质图图例规范》规定，按标准建立矿区常用岩性符号图例，可以为bmp、jpg或gif格式文件，文件进行编码后存放到指定的目录，已备填充调用。

2.2 地质体建模方法及相关理论

2.2.1 地质体建模方法

基于ArcScene三维分析工具，可建立Tin表面模型并进行编辑，并可通过Extrusion设置合适面扩充倍数，重复建立填充体，直至与TIN界面拟合［10］。曲面拉伸法对侧面凹凸较小的地质体有理想的表现效果与交互性能。

基于曲面构模方法可分为Triangulated Irregular Network（TIN）法和规则格网（Grid）法。其中，前者计算机实现简单，适于阴影、等高线等地形因子提取，但数据量大不易管理，且不能针对性的准确表示地层界面及地形细部。而TIN建模中的Delaunay三角剖分法，既能保证建立Tin三角网唯一性，又可局部增删控制点来表现地层分界面或起伏细节，模型数据相对复杂但运算量小，其可基于层面填充法或Tin拉伸法实现。

鉴于研究对象属华北型沉积矿床，沉积环境自下而上自海相向陆相逐渐过渡，故矿井地层均可视为由顶、底两个界面及其间填充物构成的特征主体，且上下相邻地层接触面同时是上覆地层底面与下伏地层顶面。据此，地层建模选择曲面建模方法为宜。

2.2.2 空间离散插值

三维地质模拟中插值方法主要有IDW、SPLINE及Krigine法。鉴于研究区部分区域钻孔资料稀少甚至缺失，数据离散、有限，会导致所建模型不合理甚至失真［11］。本次研究采用的Krigine法插值，综合考虑了采样点离散分布规律、曲面误差与空间无偏最优估计值，避免资料不充分的情况下数据插值不稳定性，分析严谨、建模客观精确。

2.2.3 矿区三维地质体结构模型

（1）地层数据概化

据矿井水文地质条件，其主采煤层为9煤，下伏奥灰含水层，高程分层数据可概化为地形面、第四系卵砾石含水层顶板顶界、第四系底部粉粘土弱透水层顶界、五煤以上砂岩裂隙承压含水层顶界、5煤－7煤隔水层顶界、7煤－9煤含水层顶界、9煤层顶界、9煤底奥灰含水层共8个岩片数据文件，将钻孔分层数据加载进行矢量化。

（2）地层分界面的插值拟合

应用Spatial Analyst工具，选择Kriging插值方法对Elevation属性进行DEM高精度拟合，并应用3D分析模块Convert工具进行Tin与DEM之间及其它二、三维要素之间无缝转换，将生成的地层DEM栅格层面模型转换为可直接应用的有边界约束TIN模型。

（3）基于3DAnalyst中表面分析工具进行多层TIN层面Extrude拉伸填充，选择矿区边界为隔断边界，对选中的顶、底层TIN模型拉伸填充形成单层地层。继续重复第二、三步骤，至所有上下相连的地层联结成地质体。通过场景参数设置，增强生成地质体的立体感和层次感，为后期的模型整合及三维矿井集成系统的二次开发做好铺垫（图4）。同理，可绘制已有CAD控制剖面线上的垂向地层剖面及已知控制点柱状图。

图4 基于ArcScene的三维地层模型Fig．4 The three⁃dimensional stratum model based on ArcScene

2.3 地表景观建模及巷道建模

鉴于ESRI平台产品与SketchUp Pro软件均可对Tin、Multipath数据无缝支持，并可通过SketchUp ESRI plugin插件实现二者间点、线、面、体等TIN、Multipath的无缝转换，故本次研究采用二者结合构建地表景观与巷道模型。

2.3.1 基于SU构建地形与地表景观模型

（1）地形模型实现

地形数据多为矿区纸质或CAD格式地形图，且以等值线或离散控制点表示地层起伏。地表面模型既可由数字化后的地形图通过等高线抽稀平滑生成．shp文件插值生成栅格影像，并以矿区边界为隔断线进行切割，又可利用CAD或者钻孔文本数据转化为带有坐标和高程的．dxf地形文件借助SU中SandBox模块模块实现（图5）。

经对比，以栅格数据和矢量（．dxf）等值线生成地形的技术均简捷方便，但矢量等值线方式生成的效果更好，交互性强，且SketchUp渲染功能可增强模型沉浸感。

图5 由SandBox生成的地形面Fig．5 The generated topographic based on SandBox module

（2）地表景观模型的建立

应用GetScreen或SketchUp软件，可据矿区拐点确定边界，获取卫片，用以地表景观模型数字化底图。定位与截图后，导入GIS中配准，对照Google Earth中空间地物方位关系及各地物实体高程，实现道路图层、土地利用图层，建筑物图层及装饰点图层等进行分层数字化和高程赋值，完成地表景观矢量化图层。而后，借助Feature to Skp．dll导出，转换至SketchUp Pro自动生成粗线框的三维体模型，并借助SketchUp的绘图工具对不合理部分进行局部细化、修改和重绘，使地表景观模型与实际空间信息相吻合。此外，可利用中的贴图和纹理工具，对地表模型进行细节处理，使其更形象逼真（图6、图7）。

图6 地表景观的全局布局概览图Fig．6 Global overview map of architecture landscape

图7 局部细节景观图Fig．7 Local details of architecture landscape

2.3.2 基于SU构建巷道模型

煤矿开采生产过程中，巷道始终发挥着提升、运输、通风、动力供应作用，与矿井生产安全以及职工的生命安全有紧密联系。巷道及采掘工程可视化是矿井三维矿图建模及数字矿山技术体系的重要组成，也是实现矿区应急演练虚拟现实模拟的支撑技术之一。其既可向使用者形象展示矿山生产脉络，阐明其担负的物资运输、通风、人员流动等功能，为技术人员准确记录、表现井巷工程与矿体和地表地物交通空间交叉关系，提高采场的数字信息化管理水平；又可直观监控工作面与掘进工程布置的合理性，实时动态改善采矿规划，进行事故疏散与应急管理预案制定，从而对矿山的生产安全和经济效益产生直接的影响［12］。

鉴于传统二维矿图直观性不强，不便直接应用，三维矿图建模可直观表现地下实体交叉关系，同时可方便进行三维个体风险场的安全评价［13］，已成为矿业信息化发展的必然趋势。

（1）三维建模方法

三维巷道信息采集方法有“矢量化生成概念图模型”以及“测量点插值生成符号模型”两种［14］。本次研究中三维巷道建模是在充分理解巷道功能分类与展布特点，矿区内开采方式与特征的基础上，将矢量化后巷道对象类中的巷道线等二维矢量模型、三维数据模型，利用SketchUp中的绘图功能生成三维线状体模型，最后将生成的体模型进行材质贴图以及块体集成。

（2）三维巷道模型

经对矿区井下工程分布图及采掘进度资料归纳总结，可知：开采方式为走向长壁式；开拓方式为中央竖井水平阶段式地下采矿；第一水平标高为－375 m，阶段高度为－375m，水平至煤层露头；第二水平标高为－475 m，阶段高度为100 m，采用斜井开拓方式，从南翼大巷南端向井田深部开拓的2048、2049、2020E、2020W四条斜井，至－475 m水平作二水平车场，然后由－475 m水平向各煤层作上山。故本次三维巷道建模具体步骤如下：

①空间数据库中新建巷道测量点、巷道中心线及风井图层，各图层按规范新建识别字段；加载采掘工程图，按平巷、斜巷、横巷、回风巷及主井副井等功能分类，实现分水平测量点以及巷道线逐点采集矢量化入库，为后期缓冲分析做数据准备。而后以巷道的高程值为基准，设置输出路径，系统单位，组合字段，导出类型、格式以及参考坐标系等属性，将矢量化完成的巷道线模型导出为三维．Skp文件。

②在SketchUp Pro软件中，通过调整合适视角，将同水平、同隶属关系的巷道中心线及测量点归类；通过图层控制，应用绘图及自动捕捉工具，分类别对各组巷道进行绘制、编辑、修改和显示，实现面拉伸操作及挤压成体。此时，应设置允许同一类型巷道群组进行整体编辑、填充及纹理贴图等操作。同时，对弯折较为明显的巷道实体建模平滑处理，而后将原巷道中心线删除。同理，绘制完毕所有巷道、竖井、风井。

③按分组类型，利用Material材质库进行纹理贴图，并对每条巷道进行连接拓扑检查，同时基于3 D Text对话命令对贴图后巷道进行命名（图8），以增强管决策人员在巷道漫游时立体感与真实感（图9），同时便于使用者根据属性对巷道进行网路分析。

图8 添加纹理与三维文字效果图Fig．8 Designing sketch of adding texture and three⁃dimensional characters

图9 SketchUp中生成的巷道整体展布图Fig．9 The whole exhibition layout map of roadway generated by Sketchup Pro software

2.4 建模流程

综合以上建模步骤，总结出建模流程图（图10），区别于其它方法主要体现在：

（1）本文所用3DAnalyst与Animation工具进行地质体建模，无需OpenGL图形程序接口或编程进行可视化展示，且建模过程与操作方式易学易用。

（2）空间地质体建模多采用Kriging插值以尽可能、客观逼近真实地质界面。

（3）借助于ArcScene透视可视化功能，实现巷道、风井、地质体以及地表模型的集成显示，同时又借助软件平台的空间分析与编辑功能，进行数据管理，经济高效而形象直观。

3 基于GIS与SketchUp的矿井三维可视化系统开发

本次研究采用C＃．NET与ArcEngine相结合的编程环境，以矿区主采煤层为目标进行矿井集成建模二次开发，进一步验证本次研究的三维矿井模型有效性。为提高系统效率和凸显地质分析功能和效果，将纹理与附属物元素省略，而后进行井上、井下模型集成耦合。基于本系统实现主要有空间数据查询、剖面分析、矿井漫游及数据挖掘分析等功能。

（1）数据管理模块主要实现基础资料及属性数据录入与查询；同时可通过多方式的条件筛选进行属性限定，从数据库中检索已有图件，进行二维或三维显示。

图10 技术路线图Fig．10 The technology route map

（2）剖面分析主要实现了基于剖面线的地质体剖面分析以及基于钻孔单孔柱状图分析。

通过右键菜单程序，本模块可在图形显示界面触发选定钻孔柱状图显示窗口，或依据筛选对所选择钻孔的进行柱状图绘制（图11）。剖面分析模块通过在图形显示窗口绘制任意曲线或基于可控制井田构造岩性的CAD走向线，对生成的地质体进行剖切，绘制相应剖面（图12）。通过切割所得剖面与实测剖面对比，地质体模型能满足精度要求。

图11 柱状图分析界面Fig．11 The analyzing interface of borehole diagram

（3）数据挖掘功能，将断层实体与模型剖面，或者将断层、矿体与巷道进行耦合显示，通过点击或拉框选择程序，实现对所选实体属性进行对话框显示，可直观了解构造，矿体与巷道之间的展布关系及详细信息（图13）。

图12 剖面分析模块界面Fig．12 The module interface of profiles analysis

图13 剖面与构造集成分析界面Fig．13 The integrated analysis interface of geological profile and geological tectonic

（4）矿井模型生成模块可实现层状地质体生成及与SketchUp三维巷道和地表模型转换和集成；前者按2.1实现思路进行功能研发，分别实现展点、插值，TIN模型转换生成、地质体层面拉伸填充的功能。此外，可集成SketchUp ESRI plugin，实现巷道模型与地表景观模型的交互集成。将软件生成地质图于控制剖面线位置切割，与实测剖面对比，模型亦能满足精度要求。

（5）三维景观漫游模块，可组合模型按加载菜单选择性加载，设置光照参数、透明度、漫游步长以及旋转步长参数，进行等比例的集成，对地层模型、巷道模型以及地表模型进行第一人称的交互式浏览。

（6）此外，结合煤矿生产管理信息系统所制定的生产、工作计划，可直观确定井下采掘工程的工作面、事故点，以此为源点，通过巷道中线所构建的三维拓扑网络向上追溯分析，或者通过缓冲区分析得出输入范围的巷道拐点，即可查找最近疏散硐室、风井或最佳路线，为进一步的采矿计划修改定制以及井下单兵疏散救援提供及时指导（效果如图14所示）。

图14 矿井三维可视化集成界面Fig．14 The integrated interface of three⁃dimensional visualization model of coal mine

4 结论

本文在应用GIS空间分析处理和SketchUp三维快速建模功能结合，进行矿井地层建模、地表景观建模及巷道建模构建，最后应用C＃．NET与ArcEngine编程环境通过内嵌三维模块GIS框架耦合集成矿井三维可视化系统，实现地质、勘察信息管理、矿井漫游、岩性渲染、事故点缓冲分析等基本功能；同时可基于切片原理对三维地质体进行数据挖掘，实现地质剖面和钻孔柱状图快速生成，满足采矿开采、生产管理及应急管理基本决策需求。采用本文技术方案实现的矿井三维可视化，突破常规二维研究形式的束缚，为煤矿生产管理及应急管理决策人员提供形象、逼真的决策软件研发，为“数字矿山”技术体系下矿井安全生产、管理科学化以及生产与应急管理预案编制提供借鉴。

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Research on Three⁃dimensional Visualization Method in Coal Mine by Applying GIS and SketchUp Pro Softwares

Li Haijun1，2，Meng Jian1，Zhang Yaowen1，2
（1．Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China；2．Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin150080，China）

To represent the information of both coal mine modeling and three⁃dimensional geoscience timely and visually，this thesis makes three models of three⁃dimensional stratum of coal mine，landscape architecture，and engineering tunnel by utilizing the ArcGIS and SketchUp Pro softwares，and finally accomplishes the system integration of prototype as well as its secondary development under the developing environment combined the．NET Framework and AE together．As proved，the three⁃dimensional visualization effect in coal mine models realized by this technical proposal is visual，immersive，practical，and reliable．Therefore，it can serve as a reference for the improvement of coal mining exploitation design and software development supported by emergent management．

three⁃dimensional visualization；coal mine stratum；landscape architecture；tunnel model

P208

：A

：1673－8047（2017）01－0034－08

2016－08－22

河北省教育厅高等学校科学研究计划项目（Z2013027）；防灾科技学院专业核心课程教学团队（201309）．

李海君（1986—），男，博士研究生，讲师，主要从事GIS地学应用及应急管理系统研究及教学。