基于GIS的煤层厚度变化规律及三维建模研究.pdf

硕士学位论文 基于 GIS 的煤层厚度变化规律 及三维建模研究 Study on Coal Seam Thickness Variation and 3D Modeling Based on GIS 作 者吴王文 导 师杨永国教授 中国矿业大学 2016 年 05 月 万方数据 中图分类号 P208 学校代码 10290 UDC 91 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 基于 GIS 的煤层厚度变化规律及三维建模研究 Study on Coal Seam Thickness Variation and 3D Modeling Based on GIS 作 者 吴王文 导 师 杨永国 申请学位 理学硕士 培养单位 资源与地球科学学院 学科专业 地图学与地理信息系统 研究方向 地理信息系统应用 答辩委员会主席 陈玉华 评 阅 人 匿名评审 二○一六年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 光阴荏苒，硕士研究生的学习即将结束，三年的学习生活使我受益匪浅。回 首研究生三年生活，我得到了许多的关怀和帮助，现在要向他们表达我最诚挚的 谢意。 首先，我要特别感谢我的导师杨永国老师三年来对我的精心培养、指导与帮 助。在我撰写论文期间，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、 构思和资料的收集方面，还是在论文的实验方法以及成文定稿方面，都得到了老 师悉心细致的指导和无私的帮助， 他严谨的治学之风和对事业的孜孜追求将影响 和激励我的一生，他对我的关心和教诲我更将永远铭记。在此表示真诚地感谢和 真诚的谢意。 同时，衷心感谢陈玉华副教授、奚砚涛副教授、薛丽芳副教授、周荣福副教 授、杨慧副教授、慈慧副教授和罗金辉博士在这三年中给我的教诲与指导，因为 你们， 我才能在各方面取得显著的进步。 在此， 向你们表示我由衷的谢意和感激， 并祝所有的老师身体健康，工作顺利，桃李遍天下 感谢我的矿大同门王兴、黄坤以及实验室所有师兄弟、师姐妹们在生活和学 习上给与的帮助。 感谢我的父母、我的家人，是你们多年来在物质与精神上的支持让我度过了 漫漫的求学之路，愿你们健康平安。 最后， 向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示 衷心地感谢 万方数据 I 摘摘 要要 煤层厚度是煤矿设计与开采必不可少的数据，准确地预测煤层厚度，不仅能 给煤矿提供有力的地质保障，而且还能给煤矿带来巨大的经济效益。煤矿煤层的 三维建模与可视化具有形象、直观、准确、动态、信息丰富等特点，它可以有效 地提高勘探信息的管理水平，准确地进行矿产资源的决策规划，减少矿产资源勘 探风险。因此，煤层厚度定量预测与三维建模可视化在煤矿的设计和实际生产中 都具有重要的意义。 在研究了 GIS 空间插值和 GIS 三维建模相关理论基础上，采用反距离加权 法、趋势面法、样条函数法和普通克里金插值法分别对研究区实际钻孔煤层厚度 数据进行插值，并以普通克里金插值为例详细阐述了其插值过程，最后使用交叉 验证方法检验了各插值方法的优劣性，结果表明克里金插值整体表现较好。在此 基础上，采用面向对象的开发方法，使用 ArcGIS Engine 基础开发平台、.NET3.5 框架、C语言，利用钻孔煤厚及煤层底板等值线数据，构造煤层顶、底板的 TIN 数据模型，并采用基于面拉伸扩充的方式，构建煤层多面体三维数据模型，完成 对煤层的三维建模及可视化，最后将各功能集成，形成煤层三维建模系统，并以 实际的钻孔数据进行了应用验证，结果证实了该系统的实用性与可行性，为矿山 三维信息系统的建设提供了一种可行的方法与思路。 该论文有图 37 幅，表 6 个，参考文献 86 篇。 关键词关键词 石拉乌素煤矿； 煤层厚度预测； 克里金插值； 三维建模； ArcGIS Engine 万方数据 II Abstract Coal seam thickness data is essential for the mine design and exploitation. Predicting coal seam thickness accurately not only can provide strong coal mine geological guarantee, but also can bring huge economic benefits. Coal Seam 3D modeling and visualization is intuitive, accurate, dynamic and ination-rich, which can effectively improve exploration ination management level, greatly improve labor productivity, reduce working intensity, accurately make mineral resources planning decision, and reduce the risk of exploration of mineral resources. Thus, coal seam thickness quantitative prediction, 3D modeling and visualization have great significance in the process of coal mine designing and actual production. Based on the relevant theoretical study of spatial interpolation and three-dimensional modeling on GIS, inverse distance weighting , trend surface analysis, splines and ordinary Kriging interpolation are used for coal seam thickness interpolation when dealing with actual drilling data in study area, and ordinary Kriging interpolation is taken example to detail its interpolation process. In addition, cross validation is applied to compare the advantages and disadvantages between each interpolation s, the quantitative indicators show that Kriging has the better precision. On that basis, object-oriented development approach, ArcGIS Engine-based development plat, .NET3.5 framework, C language development environment is adopted with drilling coal seam thickness and bottom contour line data to structure coal seam roof and floor TIN data model, then a three-dimensional coal seam model was built on the basis of surface tension expansion , at this point, coal seam three-dimensional modeling and visualization was completed. Finally, every functional module is integrated to a three-dimensional modeling system, and then actual drilling data is used to test the system, the result confirms the practicality and feasibility of the system. So, it provides a feasible for the construction of the mine three-dimensional. Keywords Shilawusu coal mine; Thickness forecast; Kriging interpolation; 3D modeling; ArcGIS Engine 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................ I I 目目 录录 .................................................................................................................... IIIIII 图清单图清单 .................................................................................................................... VIIVII 表清单表清单 ...................................................................................................................... IXIX 1 1 绪论绪论 ........................................................................................................................ 1 1 1.1 研究背景及意义 .................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................. 2 1.3 研究内容与技术路线 .............................................. 5 1.4 章节安排 ........................................................ 6 2 2 理论及方法基础理论及方法基础 ...................................................................................................... 8 8 2.1 空间插值 ........................................................ 8 2.2 GIS 三维空间建模 ............................................... 12 2.3 本章小结 ....................................................... 15 3 3 煤层厚度变化规律实例研究煤层厚度变化规律实例研究 .................................................................................. 16 3.1 研究区概况 ..................................................... 16 3.2 煤层厚度变化预测 ............................................... 18 3.3 交叉验证 ....................................................... 25 3.4 本章小结 ....................................................... 26 4 4 煤层三维建模系统实现与应用煤层三维建模系统实现与应用 .............................................................................. 28 4.1 系统简介 ....................................................... 28 4.2 煤层三维建模实例应用分析 ....................................... 40 4.3 本章小结 ....................................................... 49 5 5 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 50 5.1 结论 ........................................................... 50 5.2 问题与展望 ..................................................... 50 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 52 万方数据 IV 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 57 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 58 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 59 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables .............................................................................................................. IX 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ................................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 2 1.3 Research Contents and Directions ........................................................................... 5 1.4 Research Background and Significance ................................................................... 6 2 Theoretical and Foundations ..................................................................... 8 2.1 Interpolation ............................................................................................................. 8 2.2 Three-dimensional Modeling ................................................................................. 12 2.3 Summary ................................................................................................................ 15 3 Case Studies of Coal Seam Thickness Variation .................................................. 16 3.1 Overview of the Study Area ................................................................................... 16 3.2 Coal Seam Thickness Prediction............................................................................ 18 3.3 Cross Validation ..................................................................................................... 25 3.4 Summary ................................................................................................................ 26 4 The Realization and Application of Coal Seam Three-dimensional Modeling System ......................................................................................................................... 28 4.1 System Introduction ............................................................................................... 28 4.2 Coal Seam Three-dimensional Modeling Cases .................................................... 40 4.3 Summary ................................................................................................................ 49 5 Conclusions and Prospect ....................................................................................... 50 5.1 Conclusions ............................................................................................................ 50 5.2 Problems and Prospect ........................................................................................... 50 References ................................................................................................................... 52 Author’s Resume ........................................................................................................ 57 万方数据 VI Declaration of Thesis ................................................................................................. 58 Thesis Data Collection ............................................................................................... 59 万方数据 VII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 技术路线图 6 Figure 1-1 Technology roadmap 6 图 2-1 TIN 结构图 14 Figure 2-1 TIN structure 14 图 3-1 研究区交通位置图 17 Figure 3-1 The traffic and location of study area 17 图 3-2 区域布格重力异常图 17 Figure 3-2 Bouguer gravity anomaly 17 图 3-3 钻孔分布图 18 Figure 3-3 Drilling distribution 18 图 3-4 Kriging 插值主要步骤 19 Figure 3-4 Main steps of Kriging Interpolation 19 图 3-5 趋势分析图 20 Figure 3-5 Trend analysis 20 图 3-6 正态 QQPlot 示意图 20 Figure 3-6 Normal QQPlot 20 图 3-7 理论变差函数拟合图 22 Figure 3-7 Experimental variogram and its theoretical variogram fitting model 22 图 3-8 煤层厚度模拟图 24 Figure 3-8 Coal seam thickness simulation 24 图 3-9 克里金误差图 26 Figure 3-9 Kriging error 26 图 4-1 系统主界面 30 Figure 4-1 Main interface 30 图 4-2 系统总体结构图 31 Figure 4-2 System overall framework 31 图 4-3 数据加载菜单 33 Figure 4-3 Add data menu 33 图 4-4 空间分析菜单 35 Figure 4-4 Spatial analysis menu 35 图 4-5 三维工具菜单 38 Figure 4-5 3D analysis menu 38 图 4-6 Extrude Between 图解 38 Figure 4-6 Extrude Between illustration 38 图 4-7 剖面绘制菜单 40 Figure 4-7 Profile drawing menu 40 图 4-8 剖面显示界面 40 万方数据 VIII Figure 4-8 Profile display 40 图 4-9 三维煤层模型构建过程 40 Figure 4-9 Coal seam 3D model building process 40 图 4-10 煤层三维建模过程 40 Figure 4-10 Coal seam 3 D modeling process 40 图 4-11 添加 XY 数据 42 Figure 4-11 Add XY data 42 图 4-12 符号选择器 42 Figure 4-12 Symbol selector 42 图 4-13 Kriging 插值界面 43 Figure 4-13 Kriging interpolation interface 43 图 4-14 钻孔煤厚数据 Kriging 插值图 43 Figure 4-14 Kriging interpolation of coal thickness data 43 图 4-15 栅格相加界面 44 Figure 4-15 Grid addition interface 44 图 4-16 煤层顶板栅格图 44 Figure 4-16 Grid data of coal roof 44 图 4-17 栅格转 TIN 界面 44 Figure 4-17 Raster to TIN interface 44 图 4-18 底板 TIN 图 45 Figure 4-18 TIN model of coal seam floor 45 图 4-19 顶、底板拉伸界面 45 Figure 4-19 Extrude between interface 45 图 4-20 煤层三维模型图 46 Figure 4-20 3D model of coal seam 46 图 4-21 Merge 操作界面 46 Figure 4-21 Interface of Merge 46 图 4-22 保存场景图片 47 Figure 4-22 Save the scene pictures 47 图 4-23 剖面线绘制 47 Figure 4-23 Section-lines drawing 47 图 4-24 剖面显示界面 48 Figure 4-24 Profile display 48 图 4-25 Excel 输出剖面数据 48 Figure 4-25 Output profile data in Excel 48 图 4-26 错误信息提示 48 Figure 4-26 Error message 48 万方数据 IX 表清单表清单 表序号 表名称 页码 表 2-1 Kriging 方法适用范围差异 11 Table 2-1 The scope of different Kriging 11 表 2-2 理论变异函数模型 11 Table 2-2 Variogram models 11 表 2-3 几种插值方法比较 12 Table 2-3 Comparison of different interpolation s 12 表 2-4 ARCGIS 两种三维地质体的建立方法对比 14 Table 2-4 Comparison of different geological 3D modeling in ARCGIS 14 表 3-1 理论变差函数参数表 22 Table 3-1 Parameters of different variogram models 22 表 3-2 交叉验证定量化指标比较 27 Table 3-2 Quantitative indicators comparison of cross-validation 27 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1 Introduction 1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance） 煤层是植物遗体经复杂的生物化学作用、 地质作用转变而成的层状固体可燃 矿产。煤层的厚度就是指煤层顶、底板之间的垂直距离。随着大型、超大型矿井 的建设，对煤田地质工作提出了更高的要求，即除了需要查明采区内的构造信息 外，还要尽可能的提供采区内的煤层厚度变化情况，因为煤层厚度的变化影响着 采区的合理布置、采煤方法的正确选择、储量的准确计算、煤炭资源的充分回收 及生产计划的正常安排等。据有关资料统计结果显示，如果实际煤层厚度比原定 设计煤层厚度变薄 10％～20％，那么煤炭的产量将会下降 35％～40％[1-2]。因 此煤层厚度是煤矿设计与开采必不可少的数据，准确地预测煤层厚度，不仅能给 煤矿提供有力的地质保障，而且还能给煤矿带来巨大的经济效益[3]。煤层厚度定 量预测在煤矿的设计和实际生产中都有重要的意义[4-6]。 煤层是煤矿的主体，煤矿床是分布于三维地理空间的地质实体[7]，蕴含海量 的数据信息。若将所有的数据进行简单地成图分析，则这些数据无法成为有用的 知识并应用于实际，如果能利用可视化手段再现三维煤层体，则能反映各地层的 空间几何形态及其相互关系，为煤矿工作者进行工作面布设、保护煤柱留设、采 空区充填以及边角煤开采等工程应用提供重要的辅助决策支持[8]。因此进行煤矿 煤层的三维建模与可视化显得尤为重要，它具有形象、直观、准确、动态、信息 丰富等特点[9-10]， 它可以有效地提高勘探信息的管理水平， 大大提高劳动生产率， 减轻工作强度，有利于更准确地进行矿产资源的决策规划，减少矿产资源勘探风 险，将产生巨大的社会和经济效益。 虽然国内外学者对于煤层厚度的预测已经进行了很多的研究， 但是大部分都 只是侧重于方法的选择， 很少涉及到对数据的分析以及对煤层的三维建模与显示 的相关研究，这不利于煤层厚度预测模型的选择以及煤层间相关空间信息获得。 本文利用 GIS 强大的数据处理及三维建模与可视化功能， 利用内蒙古昊盛煤业有 限公司石拉乌素煤矿首采区（一期）三维地震资料、已有钻孔资料以及煤层底板 等值线资料，根据 GIS 技术建立研究区煤层厚度变化模型，并利用 GIS 技术实 现煤层的三维建模及可视化，建立研究区三维建模可视化系统，实现研究区煤层 的三维建模与可视化，直观展示煤层的变化规律，表达煤层数据的空间分布与本 质，为煤矿的顺利开采提供一定的参考依据，具有理论和重要应用价值。 万方数据 硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad） 1.2.1 煤层厚度预测研究 煤层厚度