露天矿时空数据模型理论研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 作者姓名作者姓名 周辉 指导教师指导教师 夏春林 教授 李青元 研究员 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 地图制图学与地理信息工程 研究方向研究方向 专题地理信息系统开发与应用 分类号 P208 学校代码 10147 UDC 528 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 露天矿时空数据模型理论研究露天矿时空数据模型理论研究 Research of Spatio-temporal Data Model Theory Based on The Open-pit Mine 致 谢 致 谢 感谢我的导师夏春林教授和李青元研究员，本论文的所有研究工作从论文 选题、论文实验到论文写作都是在两位老师的悉心指导下完成的，两位导师在 我的研究生学习期间给予了无微不至的关怀和教育，两位导师严谨的治学态 度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神以及宽以待人的处事风范使我受益 良多，在此郑重地向两位导师致以最真挚的感谢和崇高的敬意。 感谢在研究生学习期间教育和帮助我进步的所有辽宁工程技术大学的老 师们，特别是杨帆教授、宋伟东教授、王崇倡教授、李如仁教授、张凯旋老师、 张冬梅老师。 感谢辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院及中国测绘科学研究院实验 室老师，感谢你们为我提供了良好的学习环境，使我可以顺利的实验和完成论 文。 感谢研究生学习期间我身边的所有同学和朋友们，你们在学习、研究和生 活上都给我带来了极大的帮助，给予了我进步的动力，使我受益良多。 在系统开发实验和论文的写作过程中，参阅了大量的文献资料，在此向作 者表示衷心的感谢。 最后对在百忙之中精心评阅我的学位论文的各位专家和教授表示衷心的 感谢。 - I - 摘 要 摘 要 本文以基于似直三棱柱体元的露天矿时空数据模型理论研究为主题，针对构成露天矿 床的沉积岩的自然特征和露天采场的特征，研究了露天矿时空数据模型的相关理论和构建 方法以及基于多基态修正模型建立露天矿时空数据库构建应用方法，希望对露天矿动态三 维化管理提供帮助。 本文所论述的模型所有连续的地质体逻辑上对应于附加了时间属性的似直三棱柱体 元（T-ARTPN）的集合，为建立露天矿的时空模型，露天矿床被看成由若干相邻的独立地 质体单元所构成。每个独立的地质体单元由自上而下排列的相邻地质层所构成，如土层、 岩层、煤层等，相邻地质层分界面即地质界面由钻孔数据揭露出来，利用钻孔数据和验收 测量数据采用分直算法构建不规则三角网的形式表达各界面（包括地表）的形态，接着对 所有的 TIN 进行修改使之在二维形态下具有相同的顶点和拓扑关系，形成一种特殊的多层 DEM 模型；通过多层 DEM 模型转换构成附加时间属性的似直三棱柱模型，然后引入构造 面切割该模型获取精确的独立地质体单元的似直三棱柱模型，露天矿模型就是对所有独立 地质体单元完成似直三棱柱模型构建。为表达露天矿剥、采、排的连续变化过程，依据多 基态基态修正模型分时间粒度建立起露天矿的时空数据库，研究时空数据的索引方法，并 从静态和动态两个方面提出了基于露天矿时空数据库的应用思路以实现露天矿三维分析、 储量计算，采剥量的分类计算、以及开采过程回放和开采计划预演。 本文基于虚拟露天矿数据利用地质工程师三维助手平台进行了部分的实验，取得了预 想结果，证实了该模型能够在一定程度上满足露天矿开采和管理的需求。 关键词露天煤矿；不规则三角网；多层 DEM 模型；似直三棱柱；多基态基态修 正模型 - II - Abstract Abstract In this paper, spatial-temporal data model theory of open-pit based on analogical right triangular prism as the theme presented, for the natural features of the open-pit deposit composed by sedimentary stratums and the features of the open-pit stope, the thesis0 researched the theory about spatial-temporal data model of the open-pit mine, the to build the spatial-temporal model of the open-pit mine, and propose to build space-time database of the open-pit mine based on multi-Base states with amendments model, at the end, the paper discussed the applications of the space-time database. It is expected to be help for dynamic and three-dimensional management of open-pit mine. In the model the paper presented, all the continuous geologic bodies are considered as the collections of some analogical right triangular prisms which have the temporal attribute. In order to build the model of the open-pit mine, the open-pit deposit is considered as some adjacent independent geological bodies separated by the geological structure surfaces, and the independent geological body is the elementary unit in the model building base on the analogical right triangular prism; Every independent geological body is composed of some adjacent stratums from top to bottom, such as the soil stratum, separated by the geological interfaces which can be exposed by the drill data. As a result, the geological interfaces, stope surface involved, can be expressed by the Triangulated irregular networks built by the drill data and the acceptance gauging data of stope using the partition algorithm, then modify every TIN by the data produced by spatial interpolation that make every TIN has a same number verts and the same topology as the TIN of stope surface, we call these TINs Multi-DEMs model; Then, it is most important in this paper that translating the Multi-DEMs model to the T-ARTPN modelanalogical right triangular prisms with temporal attribute model,and introducing structural surface to cut the T-ARTPN model, so we can get a accurate T-ARTPN model to express the independent geological body, when we model all the independent geological bodies and stored all the T-ARTPNs in one data base, a complete three-dimensional model of a open-pit mine will be created successfully. For the reason that the model need to express the process of continuous changing of the open-pit mine, as the stope is constantly cut and the soil, rocks, and the coal are transported from the stope to other places, it is advisable to survey the changed area of the stop every month. Using the survey data, we can cut the exits model, more precisely; cut - III - some APTRNs and get some new sub-ARTPNs to take place of the cut ARTPNs, after that, a new model will be created. All the ARTPNs that associated with some continuous time are stored and managed in one database, and managed with the principle of multi-Base states with amendments model, some useful applications will become possible through the research about the index of data in the spatial-temporal database, this paper from both static and dynamic aspects presents the s of some applications such as 3D-analysis of open-pit mine model, calculation of reserves, classified counting of excavation body, and the playback of the mining process, the preview of the mine plan. With the virtual data of open-pit mine, some parts of the experiment are finished based on the plat of Geo-Engineer 3D Assistant, and have gotten some potential results. It is proved that the model can be used to satisfy the requirements of mined and management of the open-pit. Key WordsOpen-pit mine；TIN；Multi-DEMs；ARTP；Multi-Base states with amendments model - IV - 目 录 目 录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1. 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 研究的目的和意义 ............................................................................. 1 1.2 国内外相关研究现状 ......................................................................... 1 1.3 论文研究内容 .................................................................................... 4 1.4 研究方法及技术路线 ......................................................................... 5 2. 附加时间属性的似直三棱柱模型研究 ....................................................... 6 2.1 模型原理 ............................................................................................ 6 2.1.1 露天煤矿特征分析 ....................................................................... 6 2.1.2 似直三棱柱模型分析 .................................................................... 7 2.2 概念模型 ............................................................................................... 8 2.3 逻辑模型与数据结构设计..................................................................... 9 2.3.1 模型拓扑关系描述 .......................................................................... 9 2.3.2 模型隐式拓扑关系推导 ................................................................. 12 2.3.3 模型数据结构设计 ........................................................................ 14 3 基于 ARTP 的露天矿模型构建方法研究 .................................................. 18 3.1 模型构建流程 ..................................................................................... 18 3.2 构建虚拟钻孔 ..................................................................................... 20 3.3 钻孔数据空间插值方法 ...................................................................... 21 3.3.1 基于三角网的线性内插法 ............................................................ 22 3.3.2 基于厚度的反距离加权平均法插值 ............................................. 24 3.4 多层 DEM 模型向似直三棱柱模型转换 ............................................. 26 3.4.1 多层 DEM 模型构建方法 .............................................................. 27 3.4.2 模型转换规则 ................................................................................ 29 3.5 似直三棱柱模型的切割 ..................................................................... 32 - V - 3.5.1 似直三棱柱体元的切割 ................................................................. 32 3.5.2 模型局部更新后拓扑关系重构 ...................................................... 35 3.6 模型时空四维特性分析 ...................................................................... 37 4 基于露天矿时空数据库构建与应用 .......................................................... 39 4.1 露天矿时空数据库 .............................................................................. 39 4.1.1 露天矿时空数据库构建 ................................................................. 39 4.1.2 时空数据的索引方法 ..................................................................... 42 4.2 模型应用方法研究 .............................................................................. 43 4.2.1 静态模型应用 ................................................................................ 43 4.2.2 动态模型应用 ................................................................................ 45 5 结论 .......................................................................................................... 47 5.1 论文的主要工作 ................................................................................. 47 5.2 论文的下一步研究内容论文的下一步研究内容 ...................................................................... 47 参考文献 ......................................................................................................... 48 作 者 简 历 ................................................................................................... 51 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 52 学位论文数据集 .............................................................................................. 53 - 1 - 1. 绪论 1. 绪论 1.1 研究的目的和意义 1.1 研究的目的和意义 矿产资源（包括动力原料和工业原料）是工业发展潜力的根本制约因素之一，而露天 采矿又是一种掘取矿产资源的常规方式，它是一个剥、采、排相互衔接的连续工艺过程， 其实质上是露天采场三维地理空间信息在时间维度上动态变更的过程[1]。这就决定了露天 矿信息化生产管理必须具备两个特征“三维的”和“时间动态的”。“三维的”需要 建立一个以三维坐标为基本要素的矿山信息化模型，描述矿山中每一点的全部信息，并提 供有效、方便和直观的三维检索、分析、计算和显示手段，实现对这个信息化模型的各种 操纵，以满足地测、设计、生产管理的需要；但这种静态的三维模型，只能表达现势时刻 的采场状态，很难表达任意历史时刻（如每月末）的模型变化及其相互关系，当然也不能 查询历史和进行采场演变预测。因此还要以时间维为主线，将若干三维矿山模型及其演变 所形成的模型序列纳入时间维度之下管理，形成可供量测和空间分析的、“时间动态的” 采场动态三维时空数据库，才能更好满足各种露天矿各有关技术部门生产管理的需要。 因此，建立基于时空特征的露天采场动态三维模型具有重要的科学意义和实用价值。 该研究的目的就是以现有面向地矿的三维空间模型为基础，完成适合露天矿的时空数据模 型的构建，并依据多基态基态修正模型建立起露天矿动态三维时空数据库，实现露天矿储 量计算，开采分类计算、以及开采过程回放和开采计划预演，希望能为露天矿的信息化、 三维化以及动态化的管理提供理论借鉴。 1.2 国内外相关研究现状 1.2 国内外相关研究现状 在露天矿系统的研究中，已经有不少对三维、四维模型的研究，但多是基于三维模型 更新的方式完成多时态露天矿系统的构建，故本文对面向地矿的三维空间模型进行了一些 总结和学习，希望在此基础上完成具有四维特征的模型研究。面向地矿的三维空间模型研 究起始于上世纪 60 年代块段模型Block的提出，经历了 50 多年的历程，地矿领域提出或 者其他领域提出的但适用于地矿三维建模的方法约 20 多种，根据建模表达目的的不同， 大致分为面元模型、体元模型[2-7]。 面元模型侧重于表达三维空间实体的表面特征，这个表面可以是封闭的；也可以是非 封闭的。面元模型中的不规则三角网（TIN）模型和二维网格（Grid）模型通常用于非封 闭表面模拟， 如地表 DEM 的表达， 基于这两种模型， 赵树贤、 郝海森等提出了 Muti-DEMs - 2 - 模型，首先基于各地层的界面点按 DEM 的方法进行插值和拟合，然后以断层为约束，根 据各地层属性对多层 DEM 进行交叉划分处理，形成三维地层模型框架，继而引入地下空 间中的特殊地质现象以及人工建筑物的点线面体对象，完成对地下矿山的表达，这种模型 建模简单、可视化方便，利于突出关键地层，但是对地下空间的描述不完整，也不具有三 维空间的拓扑描述，所以空间分析能力差[8,9]。此外，面元模型还包括 Section 模型及 Section-TIN 混合模型，虽然在三维显示方面优点明显，但也都存在缺少三维几何与拓扑描 述和空间分析查询能力差的缺点。而对于描述封闭表面的 B-Rep 模型来说，它在三维地质 建模中的优势相当明显，该模型将三维空间实体抽象为点、线、面、体四大类，然后以此 构建复杂对象，并实现了几何信息和拓扑信息的分开存储，具有表达精确、数据量小，能 显示地表达空间几何元素间的拓扑关系，利于进行以面、边、点为基础的各种几何操作， 是一种比较成熟可信的面元建模思想[8-13]。国外一些三维地学软件如美国 DGI 公司的 EarthVision 软件、法国 Nancy 大学开发的主要应用于地质领域的三维可视化建模软件 GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）地质建模软件都采用了 B-Rep 模型进 行三维地质建模[14]，取得了十分好的地质模拟分析效果，但是这种建模方法在对复杂目标 物建模时，随着复杂度的增加，几何运算与操作的难度也随之增加[15,16]。 体元模型侧重于表达三维空间实体的边界和内部属性，根据体元几何特征的不同分为 两大类，规则体元模型与非规则体元模型。规则体元模型中比较具有代表性的是 60 年代 就开始盛行的Regular Block模型和Voelcker和Requicha所提出的CSG-tree模型以及Hunter 提出的 Octree 模型[2,18]。Regular Block 模型具有编程时隐含定位的优点，可以大大节省存 储空间和运算时间，在属性渐变的三维空间（比如有色金属矿）建模中很有效，但是其数 据量随着精度要求的提高会急速膨胀，空间查询和分析的速度会大打折扣，采用这种技术 的系统比较典型的有 RTZ 公司开发的 OBMS 和 OPDP 系统，Control Data 公司开发的 MIN 系统以及 Minetec 公司的 MEDS 系统。CSG-tree 模型是利用预先设定的一些形 状规则体元（如立方体、球、圆锥、封闭样条曲面等）通过集合变换和正则布尔操作组成 空间实体的模型[19]。该模型适合对复杂目标进行“分治”表达，没有冗余，必要时可在目 标或体素上赋予属性，但是也存在同一空间实体具有多种 CSG-tree 表示的现象，同时没有 描述点、线、环、面的拓扑关系，虽然在 CAD/CAM 领域应用十分广泛，但是当 Rossignac 延伸了 CSG 表达，并引入拓扑学概念后，CSG 模型并不适合具有复杂不规则特性的地质 体的表达，效率也随之下降[3]。Octree 模型是对原来的 Voxel、Needle 模型的进一步改进， 可以看成是四叉树方法在三维空间的推广，Octree 模型早期主要应用于 CAD/CAM 领域， 上世纪 90 年代逐渐在地学领域的一应用，该模型具有布尔操作和几何特征的计算速度快 的优点，显示十分方便，但也存在不能精确表达地质体边界、几何变换难的问题，相关的 - 3 - 应用中潘懋对其进行了大量的研究，做出了一些应用，例如北京奥运场馆地下三维属性建 模[20]。总体来讲，虽然规则体元模型易于空间操作和分析，但模型精度和数据量的矛盾成 为一个模型应用的障碍，另一方面，规则体元模型的拓扑关系表述较弱，不适于复杂地质 体的表达。 非规则体元模型研究方面，主要分为两大类，一类是通过改进规则体元模型形成的， 比如 Geocelluar 模型、Irregular Block 模型、Solid 模型、OO-Solid 模型；另一类是基于各 种不规则体元的空间剖分，比如 TEN 模型、Pyramid 模型、直三棱柱模型、Tri-Prism 模型 以及 3D Voronoi 图模型[2, 3]。 Geocelluar 模型继承了 Voxel 模型隐含定位的优点，边界精度也因为在 z 方向依据数 据场类型变化进行实际划分得以提高，但处理断裂褶曲等地质构造依然不便，而且为描述 拓扑关系；Irregular Block 模型在 Block 模型的基础上发展了细分块段、可变尺寸块段、边 界细分块段等建模技术， 提高了模型精度， 利于地质体的查询分析， 但其数据组织较 Regular Block 模型和 Geocelluar 模型复杂，体元的检查和空间查询不便；Solid 模型采用多边形格 网来精确描述地质和开挖边界，同时采用传统的块段模型来独立的描述实体内部属性，并 通过人机交互模拟生成由地质分界面或开挖边界面构成的三维形体，适合具有复杂内部结 构的断则、褶皱和节理等精细地质结构的表达，但缺乏拓扑关系的表达，空间查询和分析 能力差，人机交互的工作量巨大[21]。针对 Solid 模型的这些缺点，侯恩科、邓念东等提出 了 OO-Solid 模型， 采用面向对象技术并引入了拓扑表达， 虽然空间查询和分析能力会得以 加强，但程序的实现的难度比较大[22]。在不规则体元剖分方面，TEN 模型虽然可以描述实 体内部，但不能表示三维连续曲面，而且用 TEN 来生成三维空间曲面也比较困难，算法设 计也相当复杂[23]； 类似于 TEN 模型的 Pyramid 模型， 采用四棱锥形式的体元进行空间剖分， 进行数据维护和模型更新也是相当的困难[24]，这两种模型都很少被采用。最为常用的不规 则体元模型就是 3D Voronoi 图模型及三棱柱模型，前者是 2D Voronoi 图的三维扩展，实 质是基于一组离散采样点，在约束空间内形成一组面-面相邻而不互相交叉（重叠）的多面 体，用该组多面体完成对目标空间的无缝分割，这种模型适用于有色金属矿体建模，对含 界面约束的建模则难以适应，同时程序的实现难度也是偏大的[25]。Tri-Prismm 模型在国内 的研究比较的成熟， 张煜等对 Tri-Prism 体元进行了定义， 并给出了相关的切割和剖分算法， 列举了一些相关应用[26]；戴吾蛟将直三棱柱推广到了不规则三棱柱方面，讨论了不规则 Tri-Prism 体元的数据结构、拓扑建立、拓扑检查和空间插值的问题；程鹏根等提出，对不 规则三棱柱的侧面四边形引入对角线， 分为两个三角形， 可以处理 Tri-Prism 体元侧边非垂 直的问题，但是缺少与之相关的数据结构、空间操作和实例建模的进一步研究[2,3,27]；吴立 - 4 - 新、李清泉等为完善 Tri-Prism 体元模型，提出了广义三棱柱（GTP）模型，对与之相关的 数据结构、拓扑关系、相关算法都进行了系统的研究，并做了相关的矿山和工程应用的实 例建模，但是这种方式的建模算法十分的复杂，系统实现的难度也比较大[2]；毛善君、王 占刚等研究了应用于煤矿地质的似直三棱柱ARTP模型，简化了不规则三棱柱模型的操 作，更加趋向于实用[28-32]。 从以上的模型分析来看，面元模型虽然利于地下空间可视化，但是不是真三维的数据 模型，缺乏三维化的拓扑关系，在空间查询分析以及模型的计算操作上存在不足；规则体 元模型属于真三维范畴，模型更新也比较的方便，但是在复杂地质体边界的表达上存在严 重不足，模型的精度和数据量的矛盾得不到很好的解决，此外，它几乎没有任何拓扑关系 描述；非规则体元模型基本上了克服了以上两类模型的不足，但是其更新难度比较大，拓 扑关系的描述方面也亟待深入的探讨。比较起来，真正适合复杂地质和工程开挖的的真三 维建模单元还是非规则体元模型[2]。本文综合考虑了露天矿的矿床结构特征和前人三维模 型研究成果，使用面向对象的方法研究利用附有时间属性的似直三棱柱（T-ARTPN）模型 进行露天矿四维时空表达。 1.3 论文研究内容 1.3 论文研究内容 论文为实现适合于露天矿的基于矢量边界模型的似直三棱柱模型构建与动态三维露 天矿时空数据库构建，主要研究了以下几方面的内容 1 具有时间属性的面向对象的似直三棱柱模型研究，包括模型原理、建模过程分析、 模型数据结构、模型拓扑关系描述； 2 虚拟钻孔构建方法及钻孔数据插值方法，主要解决钻孔倾斜取直和钻孔采样点缺 失问题； 3 基于该模型的露天矿动态三维模型构建流程研究，主要解决如何利用离散的钻孔 点数据和地表测量数据以及推测的地质构造数据主要是断层面构建露天矿采场 模型； 4 研究具有特殊规则的多层 DEM 模型向似直三棱柱模型转换的方法， 包括几何属性 和拓扑属性的转换规则； 5 研究似直三棱柱模型的切割算法，实现模型的精确化及模型更新； 6 分析露天矿的实际应用，研究如何基于多基态修正模型的构建露天矿三维模型动 态数据库和基于露天矿时空数据库的应用方法。 - 5 - 1.4 研究方法及技术路线 1.4 研究方法及技术路线 本文主要研究方法是以现有的的似直三棱柱模型为基础并对其进行改进，对似直三棱 柱体元的构成要素赋予时间属性，完成附加时间属性的似直三棱柱模型的概念模型和逻辑 模型设计，完整描述该模型的拓扑关系；根据所研究模型的特点设计露天矿三维静态模型 的构建方法，并提出该模型更新方法及多时态露天矿模型的存储及索引方法，完成露天矿 时空数据库构建，实现露天矿的静态三维分析及动态开挖过程回放和预演。 构建露天矿时空模型的基础数据是钻孔勘探数据及露天采场的验收测量数据，首先对 通过这些基础数据进行预处理，可以完成具有相同拓扑关系的露天矿多层 DEM 模型的构 建；然后通过一定的规则实现多层 DEM 模型向似直三棱柱模型的转换，并引入地质构造 面对产生的似直三棱柱模型进行切割，生成露天矿的精细模型；接着利用各月的采场验收 测量数据可以构建切割面对上月模型进行切割后会对露天矿的似直三棱柱体元集合进行 更新，生成新的露天矿模型，并且产生该月的开挖体的似直三棱柱体元的集合，即该月开 挖体模型；最后以多基态基态修正模型为基础构建露天矿时空数据库，通过时间索引获取 各个时刻的露天矿三维模型和各月开挖体模型，实现静态和动态的三维应用。 - 6 - 2. 附加时间属性的似直三棱柱模型研究 2. 附加时间属性的似直三棱柱模型研究 2.1 模型原理 2.1 模型原理 2.1.1 露天煤矿特征分析 2.1.1 露天煤矿特征分析 煤矿床