基于三维可视化技术的矿山工程技术创新应用

刘永刚

摘 要：三维可视化作为显示、描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具，广泛的应用于质地和地球物理学的所有领域，本文通过介绍矿山工程的特点，以及三维可视化技术应用矿山工程的优越性及技术难点进行分析，从实际出发，探讨三维可视化技术在矿山工程技术中的创新应用，以提高我国矿山工程技术的综合实力。

关键词：三维可视化；矿山；工程应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.103

隐蔽性、复杂性、构造多变性是矿山地质的基本特点，是经历了漫长岁月演化而生成的地质体，而我们的矿山工程开采就是要在这样的地质条件下进行相关生产，为了保障矿山工程开采的顺利进行，在实际生产之初就要对相关的矿体进行缜密的勘探及开采可行性报告分析。在勘探施工过程中，需要对各类信息进行相关处理，怎样才能将这些繁杂的信息以更加生动、准确的形式展现在技术人员的面前，这就需要我们利用一种新的技术才能得以实现，目前我国的矿山工程主要还是以图纸、文字的展示形式进行相关数据的展现，这种方式对于勘探后期的工程设计修改及资料查询很不方便，还有这些信息资料大多是数字形态，或点线面的关系，对立体直观的东西无法妥善的体现，不利于地质工作者观察地质条件，对于正确的提出开采建议、减少勘探风险是十分不利的，所以利用现代化的计算机三维可视化技术，对提高我国矿山工程技术具有积极的意义。

1 矿山地质三维可视化概述

矿山地质三维可视化，是利用计算机将三维计算的能力把矿山地质、矿山工程在三维空间中进行展现及分布，并对展现的效果进行综合分析以达到信息参考的作用，生成的三维地质体可以增强地质数据的表现力，提高矿山工程技术人员观察矿体表现的效率，重点解决矿山地质数据分析过程中表达不准确等问题，矿山地质三维可视化技术具有重要的现实意义及发展前景。

2 矿山工程技术三维可视化建模的难点

在矿山工程三维可视化建模中，模拟的对象往往十分复杂且无规律可言，因为地质体的形态往往千变万化，且会随着时间的推移而产生变化，模拟勘探空间所占的范围非常大，往往涉及几十公里甚至更大，为了描绘矿山相关特征，需要大量的勘探及测量获得，由于地质对象的复杂性，获得地质数据往往变的十分困难，地质数据存在很多不确定性，当经济条件、人员素质、装备仪器达不到进行充分数据采集时，所得到的地质数据往往是单一相互脱节的，在整个勘探过程中呈现随机分布的问题，这些不规则且部分丢失的数据，对于三维可视化建模来说，是一个必须要解决的问题。

3 矿山工程三维可视化建模技术特点

矿山工程三维可视化建模可以使矿山数据更加生动的表现出来，各种数据关系表现更加明确，但是由于勘探资金及勘探条件的限制，很多时候勘探经费并不能满足整个广袤区域的完全勘探，地质条件复杂多样，很多地区勘探条件太差，专业技术人员及设备往往难以到达，最终实际获得的勘探数据，往往是不完整的，这对实现矿山工程三维建模造成了一定的困难，所以必须依靠相应的技术手段，才能将数据最终形成可视化效果，具体的方法往往采用：空间插值技术、三维数据表达技术、三维空间数据结构等。

3.1 空间插值技术

常用的插值方法往往采用距离幂次反比法、样条函数法、克里格插值法等，不同的地质条件及矿体周边环境要求我们，要根据不同的特点，选择最适合的插值方法，才能保证取得数据的准确性，如果运用不符合矿体要求的插值方法，会大幅度提高计算机的运算量加大运算时间，降低计算机内存，使得可实行性降低，对于关键性的数据，可以采用Kriging插值方法获取数据，对于非关键性的数据，我们可以采用距离幂次反比法。

3.2 三维数据表达技术

三维空间数据的表现对于三维可视化技术来说是一个关键性问题，所建立的三维质地模型要首先满足充分表现基本地质信息的要求，其次要能进行适当的计算，以方便各种属性信息的传递及数据交换；从数据研究的层面上来观察，三维数据结构主要有基于面和基于体的数据结构模式，基于面的数据结构模式是参照于各个单元面，将三维空间中的几何特性充斥其中进行分析，其次是基于体的数据结构模式，是用真实的数据信息进行地质空间的实际描述。

3.3 三维空间数据结构

三维空间数据结构的表现方式，是需要将各种获取的数据模型进行相关的存储，进而将数据进行有效的表达，通过相关的图标及数据矩阵对相关的数据进行描述。在三维可视化技术的实际运用中，重点是要进行数据结构的选择，这就需要通过各种逻辑关系及对应空间关系，将所要描述的矿体地表结构及空间结构进行生动展现，所以在选择数据结构时，要充分的贴合真实数据，只有这样才能充分表现不同类型数据之间的相互关系。

4 以露天矿工程三维空间建模的实例分析

4.1 三维空间建模内容

建模内容首要针对：地表、断层、矿体三大部分进行建模，地表是指自然形成的山坡，还有人为采剥工程，形成的人工边坡；断层是在矿体内部，具有地质资料描述的、规模较大的断层；矿体是三维建模空间中最要的部分，也是核心区域。

4.2 矿山三维建模过程

三维质地建模首先需要对勘探的矿山进行基本信息数据的采集，随后通过空间数据插值得以满足数据的完整性及准确性，选择适合的数据组织结构以便更清晰的进行描述，最终绘制图形以达到矿山三维建模的要求。

第一：首先需要对地表数据、断层数据、矿体数据进行相关采集，在采集过程中所有数据均通过实际测量获得，针对矿山周边的天然边坡，可以通过地质平面图，将平面图上的边界点及等高点的数据进行整合；对于人工边坡可采用境界图进行采集，采集度越高、取样点越密集，越能充分反映相關考查的地表特征；矿体断层及主矿体数据，可以根据其剖面图，将边界线中的控制点拷贝到平面图上，最后结合剖面图上的相关数据分类，最终获得断层及矿体的基本数据。endprint

第二：针对露天矿场来说，矿场涉及的操作范围很大，仅仅依靠前期勘探技术人员的基础数据采集，远远不能满足生产的需要，为了能更加清晰的表达矿坑、断层，必须要采用空间插值技术才能得以实现，一般对于露天矿坑前期数据采集，可以采用Kriging插值方法获取数据，随后再采用双线性插值获取数据，这样既可以节约机时，同时也可以保障数据的准确性，

第三：对于勘探矿体中的地表来说，地表上所描述的点、线特征是十分重要的，但在规则的模型中很难将这些点线进行生动描述，所以需要通过不规则网格模型，将地表面上的点、线特征予以充分描述，对于露天矿场来说，用不规则的网格模型是最适合的，最终将这些不规则的多变形态，转化成三角形网格形态，以供绘制参考。

第四：绘制图形，将得到的基础数据绘制地表、断层以及主矿体的基础模型，随后将这三种不同的地质模型进行相互的组合与裁剪，最后形成最终的三维地质模型。

5 建立矿山三维地质模型的实际意义及巨大作用

矿山三维可视化技术的实际运用，对矿山技术人员及前期勘探人员具有着积极的意义，它可更加准确的将矿山地质空间形态的每一个细节表现出来，对整个矿山的开采挖掘提供了建设性的指导意见，具体的体现有：

第一：通过观察矿山的三维地质模型，可以对整体矿产有更加清晰的认识；可以充分的对矿产周边的其它地质形态进行分析，这些数据的分析，对前期勘探及后期开采过程中的方向性指引，有着至关重要的作用。

第二：通过三维地质模型的建立，可以对勘探矿产的任何区域、任何工作面进行相关的分析，最终形成完整的矿产剖面图，在矿产开发前期的勘探过程中，准确的计算出矿产地质的储量，对后期的矿山建设等级提供参考意见。

第三：可以通过三维地质模型，设计出边坡的台阶高度，整体的开采支撑结构，制定准确且可行性高的开采计划，为后期的开采能力及安全生产提供一定技术保证。

第四：通过矿山三维地质模型，可以有效的预防工程地质灾害，可以使地质工作者便捷的发现可能产生地质灾害的区域，以及时的采取相应的预防措施，将地质灾害发生的可能性降到最低。

6 结语

三维可视化技术是目前计算机及图形学发展的热门之一，它可以利用在任何的矿山工程中，它是依靠直观的视觉效果把要表达的数据信息，以最直观生动的形式展现出来，本文通过三维可视化技术的研究意义及创新应用，实际分析此技术在矿山开采过程中的相关问题，满足我国现阶段生产过程中的技术需求，为我国矿山产业科学开采水平的提高，提供一定的参考依据。

作者简介：刘永剛（1978-），男，河南平顶山人，本科，工程师，研究方向：矿山机电。endprint