利用三维空间数据场及计算机图形学技术进行煤区水害管理

王胜双　赵智超

摘要；为了对煤田的勘探以及开采提供相应的数据支持以及服务，煤田技术勘探人员结合了电磁法所进行的勘探的主要特点，同时利用了三维空间数据场及计算机图形学技术，进而开发了具有便捷、灵巧等各种特点的三围电阻率可视化的软件系统。在实际应用以及钻探中我们可以证实，三维阻率视图在对整个煤矿的开采地区出现的水患分布位置以及集水区以及导水区进行精确确定的方面，取得了极其良好的效果。

关键词：三维空间数据场；计算机图形学技术；煤区；水害管理

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）07-0211-02

随着我们国家科学技术的不断发展以及勘探技术的不断提高，利用电磁法进行勘探的技术应用也在呈现出不断飞速发展的趋势，同时人们对地质成果所能提供的信息量要求也呈现出飞速上升的趋势。为了能够更好地表现出电磁法本身的成果，更好地对所要研究的重点区域以及对象进行充分认识，同时对于电磁法的反演成果进行必要的完善以及更加直观的表达就成为了一项必不可少的任务。在这个基础上，我们主要结合了电磁法进行勘探的特点，对我们所要进行研究的区域以及对象进行了更加深入的认识，开发了电磁法的三维数据体可视化的软件。软件可以根据不同的情况对电磁法的三维数据体进行充分的描述，在整个三维空间当中进行展示，这样就可以在整个地质体的层面上对相应观测物，比如说水流分布，进行相应的运动规律展示，这样就使得我们对于构造以及断层和地质体的属性做出一种立体化的合理解释，同时能够解释相应地质形态发生或者是变化的规律以及其影响范围。也就是说，我们可以根据煤矿被监测的区域进行资料化的分析，预测起相应的存在状态，直接或者是间接的保护煤炭开采的安全。

1三维可视化简析

瞬变电磁法也被称为TEM，是一种经常被使用到的地球物理的勘探方法，这种方法在查明采空区、对岩溶发育带进行探测以及相应的带的搜寻具有极其广泛的应用范围。在整个勘查的过程当中，我们基于时间成本的考虑，不会类似地面勘察一样把测点设置的一样紧密。但是在另一个方面，很多测试点也会因为条件所限制，比如地形或者是地面建筑等方面而实行探测。我们从另一个方面可以知道，TEM在整个野外采集的数据当中也有很多因素能够对其准确性产生影响。为了尽量降低这些影响对于观测人员的数据判断所造成的影响，数据监测人员必须要对所获得的数据进行相应的处理，同时还要对全数据进行全区视电阻率转换以及其反演。但是我们给予其勘探方式本身的特征，在其深度的方向上往往会出现浅层采样密集但是深层测采样稀疏的不平衡特征。这样就直接会造成一个结果：空间整体采样数量不足，同时这也会直接对目标本体的研究产生相应的影响。在这里我们特别要提起的问题就是，在这种情况下，我们必须考虑要对空间分布相对来说比较稀疏的点进行插值，并同时要充分考虑到相应的网格问题：浅层要充分使用小网格，深层则需要充分利用大网格进行辅助。这样的结合直接的结果就是浅层的精度可以被保证，同时网格的数量不至于过大。我们把综合反演的结果和其他之前就获得的地质资料进行充分的结合，并同时要按照测线、测点以及测定深度和电阻率的格式进行充分结合以及推算，便能够得出一个在空间分布趋势上十分合理但是同时又方便计算机进行快速显示的三维数据体。

根据我们长时间的三维信息数据研究成果的积累可以知道，数据是信息的载体，但是反过来说，信息也是整个数据所要进行表达的内涵。也就是说，电磁法所产生的空间三维数据能够十分准确地反映出来整个空间本身的电性变化，这就届于标量场，也就是说，这些所获得的精准数据除了具有一般数据所拥有的相应基本特征之外还同时具有以下的四个重要特征，级空间性特征，抽向性特征，多态性特征，以及多时空性特征。进行电磁法对勘探资料的数据结果进行充分缓缓以及三维化和可视化，就是要充分表现出这个三位的数据体在空间上的相应特征，用一种多维立体的表现方式对被观测的模型进行建维行动。如果我们对相应的区域进行三维化数据体标注，就是要把这个区域用{A，B，C，D}进行标记。这其中，A代表着测线，B代表着横测线，C则代表着采样点的深度精确值，D则代表着采样点所产生的电阻值。通过四个坐标进行精确定位的可视化的计算方法，在通过计算机的计算方式当中就可以使用电脑所建立的三维空间数据的场所对其进行充分构造，对于中间的几何图元单位，即平面或者是曲面等等进行粗略的绘定，再同时由传统的计算机图形制定技术对其画面进行三维成像方向上的绘制。这其中的代表就是，利用计算机程序所绘制出的三维空间数据场抽出的等值面。这个时候我们还可以利用直接体绘制的算法，来对电磁法所描绘出的三维数据体进行相应的可视化操作。

当我们把这个算法进行程序化调整之后，我们就可以根据所给定的电磁法三维数据体进行以下四大面的数据显示：首先是立体表面，其次是纵横剖面，第三就是水平截面，最后就是順煤层的斜截面。除了能够对这些平面和曲面进行数值上的标注以及三维建模方面的显示以外，我们还能够对所推测出的异常平面或者是曲面进行三维空间当中的形态显示。对于在这其中所能够形成的三维视图，都可以在相应的空间之内进行任意角度的旋转，任意位置的平移以及任意大小的缩放或者是扩放，这样就可以从每一个不同的角度对所建立的相应地形模型进行充分的观察或者是研究。由于相应的地球物理学科研究要求在进行相应的三维反馈模型之后进行相应的多次反馈矫正以及针对性的参数修改才能获得准确的反馈数据，因此在建立可视化模型方面，这一点如果使用传统的方式方法进行处理的话将会耗费大量的人力以及物力，还无法能够跟最新的情报进行吻合。但是如果使用计算机作为建立模型之后的参数校正辅助手段，所以相对于传统手工操作来说，程序辅助修改更加便于实现。

2三维空间数据体的可视化流程

尽管随着科技的发展，三维空间本身的数据提的类型也都出现了千差万别，同时数据和数据之间的分布以及连接关系也出现了各种各样的差别和联系，但是在基于可视化流程基础上的部分却也出现了一致性的情况。见下图：

我们首先处理的就是数据生成的数据情况。这些数据的来源一般是由各种类型的一起经过测量得出的，同时在计算机的处理之下对这些原始数据进行相应的初次分拣和处理之后形成可以被系统软件是别的数据文件或者说是数据包。然后计算机对数据进行相应的精细分类并对数据进行二次处理，对于数据包中含有过多无用信息的，要进行选择优化，并且对数据量进行谨慎的适度减少。但是当数据量相应的比较稀疏分散，对煤层的可视化效果造成了影响的时候，就需要对其进行相应的插值处理，使其紧密可见。第三步就是进行相应的可视化映射，把这些经过层层挑选，二次处理的数据在系统软件当中进行充分的定位以及描述，转变成为可以进行绘制的几何图形的坐标元素并进行相应的属性确定，按照程序给出的指令自动转化成相应的形状、亮度以及颜色的集合，同时再把研究人员需要的数据以可视化的效果进行转变，然后再使用3D绘图技术把上述的图形图像几何元素以及相应的属性转换成为可以直观地展现在人们面前的显示图像。最后一步就是针对图像的变换以及显示问题。这其中包括以下的几个部分：几何图像的变换、颜色的区分以及量化情况、格式的区分以及量化情况和图像本身的输出特点。

3具体事例解析

某煤矿集团在某一个工作面上发生了涌水喷砂的，这直接导致了大量的人员伤亡。事发之后，煤矿集团及时使用了事故地面瞬变电磁测深的勘探方式，对事故原因以及充水条件进行了正确的评价，挽回了损失，并使得后续开采工作有序完成。

上图是采用可视化软件绘制的本地区120m深度电阻率的平面图。在这张图上一共有三个地区是低阻异常区。其中区域工、Ⅱ已经被充分证实，工的一场放水探测量达到了3000m3/d。从这个放水的角度上来看，这两处地带的防水量出现了同步变化的关系，同时结合3d电阻率的视图我们就可以看到，他们之间是联通的，并且在某些程度上甚至还和Ⅲ区域有着联系。至于水源的问题我们可以从图上看到，可能是从16咸的3号点至6号点以及11-15号线的18号点正式进入侧区的，经过了一些复杂的水质物理作用，比如渗透等方式，通过一处或者两處的地方所产生的水源逐步把所有地区的水源给联系到了一起，三个富水区逐步变成了一个整体。因此，通过3d电阻率的视图我们就可以把水灾的情况根据其电阻率的差别给联系到了一起，并勾画出了相应的导水通道，为下一步的救援以及保护作业提供了十分重要的依据。

4结论

三维可视化技术能够通过丰富的表现方式为水害探测提供准确丰富的依据，能够直观表现出相应的数据以及情况，这对提高水害的治理能力作出了巨大的贡献。