基于GIS的三维透明瓦斯地质软件开发与应用

岳 俊

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引 言

在煤矿开采过程中，精准掌握地质数据，通过信息技术实现矿井地质的三维透明化，是煤矿建设智能化的基本支撑条件。只有实现了地质保障透明化，才能确保采掘条件的可视、可预和可控[1-3]。

瓦斯地质作为地质安全保障的重要一环，影响着突出矿井和高瓦斯矿井的安全生产。目前，瓦斯地质规律分析及表达普遍通过二维地图表现，存在可视性差、缺乏立体感、精确程度低等缺点。为了改进现有基于二维的瓦斯地质技术的不足，有必要研究三维瓦斯地质建模及分析技术，开发三维透明瓦斯地质软件，实现传统二维瓦斯地质向三维瓦斯地质的飞跃和提升[4-6]。

从二维到三维，必然要求更准确的数据、更精细的模型构建和更立体的空间展示，这个过程就是对客观地质条件研究逐步深入的过程。所谓的透明化，就是对客观事物的了解从黑到灰再到白的过程。三维瓦斯地质对瓦斯地质赋存特征掌握提升了一个维度，融入了更丰富的信息，不仅符合透明化的理念，而且是实现透明化的必要手段和必经之路[7-9]。

三维透明瓦斯地质实质上是基于计算机软件技术，利用三维GIS平台的空间数据存储处理、建模分析计算以及可视化表现能力，对传统二维GIS环境下瓦斯地质图编绘的突破和创新[10-15]。

现有的三维GIS平台主要分为三类：①技术先进但是授权许可费用较高的国外三维GIS软件，如Google Earth、ArcGIS、SkylineGlobe等；②技术体系不断进步和成熟、授权费用相对较低的国产三维GIS软件，如SuperMap GIS、MapGIS等；③技术成熟度一般、免费的开源三维可视化平台，如Cesium、Three.js等。

通过对比，从技术和经济两方面，选择国产三维GIS平台最为合适[16-20]。由于笔者研发的二维瓦斯地质软件分析系统是在SuperMap GIS基础上开发的，因此三维透明瓦斯地质也将继续基于该平台的三维模块进行开发，从而保持技术体系的一致性和延续性。

1 软件功能框架设计

软件功能框架如图1所示，按模块可分为系统管理、三维场景管理、三维动态建模、三维应用工具等四个模块。①系统管理模块。负责系统登录时对用户的验证、用户信息的管理以及设置数据库链接。②三维场景管理模块。负责对三维库文件的读存操作，并负责三维库、场景的目录树展示。一个三维库中可以保存多个场景。场景打开后，将通过场景图层树显示所有可操作的三维图层。模块还提供了三维场景展示所需的漫游、选择、全景、飞行、卷帘等浏览工具，以及距离、高度、面积等量算工具和坐标、属性等查询工具。③三维动态建模模块。负责三维数据的采集，包括建模基础数据的导入、初步处理和存储。数据采集支持CAD、Excel等格式的数据批量导入。模型建立操作前，需要对建模数据是否完整无误进行检查。批量建模功能将动态生成巷道及工作面、钻孔、煤(岩)地质体、瓦斯分布、断层及陷落柱等的三维模型。④三维应用工具模块。在二三维一体化联动的情景模式下，针对三维瓦斯地质模型提供了一系列增强观测工具。主要包括地质体任意线剖切、虚拟地质钻孔、体元栅格叠加和三维缓冲区等功能。

“六五”计划中明确强调：一切经济工作都要以提高经济效益为中心，并将“食品工业”从“消费品工业”中单独列出。

图1 软件功能框架

软件的核心能力是瓦斯地质三维模型建立及其应用。三维动态建模的关键是在GIS平台基础上，为各类瓦斯地质要素选择适合的数据模型和建模方法，才能恰如其分地表达空间瓦斯和地质信息，实现透明可视化。三维应用工具是在三维模型已然建立的基础上，对其进一步操作以便辅助理解与分析瓦斯地质信息。

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2 瓦斯地质三维建模

空间数据模型是GIS对现实世界地理空间实体、现象以及他们之间相互关系在计算机中的抽象与表达。如图2所示，GIS平台提供的二三维数据模型分为三类：①用来描述离散空间要素的对象模型；②用来描述空间连续分布现象或要素的场模型；③用来描述对象之间连接关系的网络模型。

图2 GIS平台数据模型

在学员层面，以党团建设为依托和党员为带动，成立“住院医师党总支”，以基层党组织为单位，开展多种形式组织生活和实践教育活动。同时，开展医学人文周、人文情景剧场、齐鲁科普讲堂、青年志愿者服务岗等活动以及Relief（住院医师释压与职业认同感）驿站项目，帮助住院医师提升职业素养和获得感，开展优秀住院医师评选和技能竞赛活动，通过创先争优增强住院医师学习内动力。

表1 三维建模数据与接口

2.1 巷道及工作面建模

目前尚无简便高效的假轴车辆查验方法，收费系统也尚未对前后通行费用的对比情况进行记录。根据本文研究的方法，下一步将考虑与高速公路运营管理单位合作，对假轴车辆的甄别和查处进行试点，在实践中提高算法的准确性和适用范围。

2.2 钻孔建模

钻孔的孔斜数据是构建地质体模型的基础数据。首先需要维护地层信息表，保存了从地表到地下各主要地层的地层代号、岩性、地质年代、厚度等基本地层信息。钻孔数据含有穿过各地层的斜长，以及开孔和终孔三维坐标。通过斜长和开孔、终孔位置计算钻孔线，将钻孔断面C(按钻孔半径构建圆形)沿钻孔线Z放样建立钻孔三维模型。

2.3 地质体建模

首先基于钻孔穿过地层的斜长数据，以及煤(岩)层底板等高线数据、地形点数据、煤(岩)层顶底板栅格数据，生成地面控制点集合{Gi}和地层底板点集合{Si}。再对地层点空间三维插值加密，调用平台的地质体建模算法(BuildGeoBody)，自动构建地质体三维模型。

3)体元栅格叠加。通过三维体模型(巷道、工作面三维模型)叠加瓦斯分布体元栅格模型，可显示出瓦斯特征值附着在巷道、工作面上的瓦斯分布状况。图5(a)是瓦斯分布体元栅格分层设色并设置了透明度后的渲染效果，图5(b)是巷道及工作面模型叠加瓦斯分布体元后在三维场景中的渲染效果。模型采用渐变色表达了瓦斯特征值由大到小的变化。

2.4 瓦斯分布建模

断层三维建模是以断层带的边界作为控制坐标点，从地层栅格数据上取得边界内的插值点集合{Di}，然后通过平台的闭包算法(ConvexHull)构建断层带三维模型。陷落柱三维建模，也是以陷落柱在三维空间的边界点构建三维点集合{Xi}，然后通过闭包算法(ConvexHull)构建陷落柱三维模型。

图3 体元栅格

4)三维缓冲区。以断层或陷落柱三维模型为操作对象，用户输入的缓冲半径为参数，计算并产生三维缓冲区。缓冲区有两类，一类是以模型的质心为球心，按缓冲半径构建的球形缓冲区，另一类是以模型的边界向外按缓冲半径扩展构建的缓冲区，缓冲区范围以半透明色显示(图6)。

计算函数式给出了任意空间三维坐标点处瓦斯分布特征变量(瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量)与地质特征因变量(煤层厚度、煤层埋深、邻近层厚度、层间距等)之间的函数关系。对每个数据点按照计算函数式计算特征值，最后通过GIS平台的空间插值方法(Interpolator3D.Interpolate)构建瓦斯分布体元栅格模型。

在此次研究中,实验组的治疗依从性评分为(19.56±1.28)分,参照组的治疗依从性评分为(14.15±1.40)分,实验组患者平均住院(5.55±0.49)天,参照组患者平均住院(9.57±0.94),结果存在统计学差异性,实验组患者的服务态度评分平均是(4.26±0.45)分、健康宣教评分平均是(4.90±0.30)分;参照组患者为(3.09±0.44)分、(2.90±0.30),两组结果对比存在统计学差异性(P<0.05)。说明使用优质护理能够让肾小球肾炎患者的临床病情得到改善,提升患者的满意度。

2.5 断层及陷落柱建模

地质体有明显的边界，边界内部是均质的，适合采用三维体模型来表达。而瓦斯分布在空间内是连续不均匀的，适合用三维场模型来表达。三维场模型的具体实现方式是体元栅格，体元栅格是二维栅格的扩展，将立体空间划分为立方单元，每个单元都有值来表达特征信息，如图3所示。

1.2.5.1 诠释执行力:管理者对全科护理人员角色定位,增强责任意识;要强调什么,明确检查什么;其实,很大程度上讲,员工不会做你希望的,但会做你要检查的;不检查等于不重视。

瓦斯地质三维建模运用了对象模型中的三维点、线、面、体，以及场模型中的体元栅格数据模型。三维瓦斯地质要建立的模型对象分为七大类。建模过程首选需要确定建模的原始数据结构，接下来选择适宜的GIS数据模型类型，最后调用GIS平台相关接口通过二次开发实现建模功能，总结瓦斯地质各类要素三维建模的相关信息见表1。

3 瓦斯地质三维工具

目前，业内针对三维地质的建模和可视化功能研究较多，而对于三维地质模型的应用功能研究还比较薄弱。为此特别设计了基于地质体模型和体元栅格模型基础上的三维瓦斯地质应用工具包功能，提供一系列的三维数据操作工具，辅助三维瓦斯地质场景观测与分析。

三维场景中要实现工具操作范围的精确定位存在困难，因此需要在二维的配合下同步实现三维操作。二三维联动是指在二维瓦斯地质图下绘制几何数据(如剖切线、钻孔点等)后，对三维模型数据进行计算，最后在三维场景中渲染并展示应用工具的处理结果。瓦斯地质三维应用工具包括以下几种。

1)地质体剖切。实现地质体沿任意绘制的折线剖切。剖切面上不同颜色表示不同地层(煤层固定为灰黑色)，可清晰地揭示煤(岩)层的空间层位，以及和巷道、工作面叠加后的空间位置关系。

2)虚拟地质钻孔。绘制虚拟钻孔点，获取从钻孔点沿钻孔线穿过地质体的煤(岩)层分布状况。穿过地层的钻孔段颜色与对应的地层颜色一致。

巷道建模是基于带高程信息的巷道中心线数据和断面参数数据，将断面形状R沿巷道中心线L放样(Loft)，即可完成巷道三维模型的构建。而工作面建模是将工作面的顶板点集合{Ti}和底板点集合{Bi}，调用平台的凸包构建方法(ConvexHull)，分别构建回采区域和采空区三维模型。

地质体依据地层信息表，从上至下按次序生成。地层信息表预先设置了地层的颜色和岩性纹理图片，构建地质体模型的同时将自动为地层设置颜色或者纹理。地质体做开挖运算前，巷道及工作面模型将被覆盖遮挡，不便于观看采掘工程部署情况。需根据采掘工程建立棱柱体范围模型，然后与地质体做布尔裁剪运算，产生地质体开挖模型。

图4 地质剖面及虚拟钻孔

图5 体元叠加操作

首先需要定义瓦斯分布模型的计算范围B和计算函数式。计算范围是一个立方体，确定了瓦斯分布三维模型的有效计算空间，按照体元栅格的分辨率(格网单元大小)将计算空间划分为立方单元，每个单元的中心取一个数据点，形成数据点集{Si}。

图6 三维缓冲区操作

4 软件的开发与应用

软件基于SuperMap Objects.NET 10i开发，空间数据采用SuperMap UDB数据引擎存储和管理，通过C#.NET语言编码实现。

由县（区）水利普查办召集县级现场复核会，所有县级普查员、普查指导员参加会议，会上由复核小组说明现场复核的程序。

软件开发完成后对试验矿井进行了建模与应用。首先运用系统管理模块登录系统并建立数据库链接，运用三维动态建模模块中的数据采集功能，将试验矿井各类瓦斯地质要素建模基础数据采集入库。然后使用批量建模功能建立矿井三维瓦斯地质模型。最后运用三维场景管理模块加载模型，创建三维场景，并对场景进行图层管理、浏览、查询和量算操作。还可以运用三维应用工具模块的各类功能做进一步增强观测，使用软件对试验矿井一次性建模在20 min内完成操作，建模速度较快。三维整体效果如图7所示，直观地显示了地层结构以及工作面范围内的瓦斯大小，地质模型可表征地层(含煤层)的顶板、底板、厚度、层间距、埋藏深度等属性，瓦斯模型可表征瓦斯压力、含量、相对涌出量、绝对涌出量等属性，适应了矿井对瓦斯地质管理的需求。

图7 三维地质体建模效果

5 结 论

1)三维GIS技术已经趋于成熟，基于三维GIS实现透明瓦斯地质是必然趋势，是智能矿山建设和地质透明化的必经之路。

2)通过对比，选择成熟的国产GIS平台，足以满足三维透明瓦斯地质建模及展示分析的需要。研究发现体元栅格模型适合于表达瓦斯在空间的场分布特征，而三维体模型适合表达巷道及工作面、钻孔、煤(岩)地层、断层及陷落柱等实体对象。

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3)为了增强三维瓦斯地质的应用能力，特别设计了基于地质体和体元栅格模型的三维透明瓦斯地质应用工具模块。借助GIS平台的计算分析能力，快速生成地质剖面、虚拟钻孔、缓冲区、体元叠加效果，用于辅助观测、理解瓦斯地质信息。

4)基于SuperMap GIS平台二次开发，设计了三维透明瓦斯地质系统的软件框架及模块功能。通过该系统的实现，可为煤矿智能化建设提供有力支撑。