复杂地质构造三维地质体建模方法研究.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L 嗽I C LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 复杂地质构造三维地质体建模方法研究① 曹国林1 ，孟耀伟2 1 ．马钢集团设计研究院有限责任公司。安徽马鞍山2 4 3 0 0 0 ；2 ．许昌学院计算机科学与技术学院，河南许昌4 6 1 0 0 0 摘要阐述了三维地质体建模的步骤及特点。分别就轮廓线对应、镶嵌和分枝等复杂地质建模中的关键性问题进行了详细论 述。以区域面积重合判断法为基础，结合加权品位重心曲线和轮廓线缩放系数两个参数，从局部和整体两个层面解决了轮廓线的 对应计算问题。讨论了复杂轮廓线下的镶嵌和分支问题，并给出了基于通过添加控制线和辅助分支信息的解决算法。结合尖灭模 型构成了完整的实体建模算法解决方案。实验结果表明此方法具有很高的实用价值。 关键词三维地学建模；实体模型；可视化；轮廓线；数字矿山 中图分类号P 6 2 8文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 0 0 2 2 0 4 R e s e a r c ho n3D M o d e l i n go fC o m p l e xG e o l o g i cB o d i e s C A OG u o ．1 i n l ，M E N GY a o - w e i 2 1 ．D e s i g n ＆R e s e a r c hI n s t i t u t eC oL t d ，M a g a n gG r o u p ，M a ’a n s h a n2 4 3 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fC o m p u t e r S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X n c h a n gU n i v e r s i t y ，X u c h a n g4 6 1 0 0 0 ，H e n a n ，C h i n a A b s t r a c t A f t e ra ni n t r o d u c t i o no fp r o c e d u r e sa n df e a t u r eo fm o d e l i n g3 Dg e o l o g i cb o d i e s ，s o m ek e yp r o b l e m si n3 Dg e - d o g i eb o d i e sm o d e l i n g ，s u c ha sc o n t o u rc o r r e s p o n d e n c e ，t i l i n ga n db r a n c h i n g ，w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l s ．C o m b i n i n g w i t ht h es c a l ef a c t o r sf o rc u r v ea n dc o n t o u ro fw e i g h t e do r eg r a d eg r a v i t y ，t h ec a l c u l a t i o no fc o n t o u rc o r r e s p o n d e n c ew a g m a d eb a s e do nt h er e g i o no v e r l a pa l g o r i t h m ，t a k i n gi n t e g r a la n dl o c a lf a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o n ．A f t e rt h ed i s c u s s i o no n t h et i l i n ga n db r a n c h i n go fc o m p l e xc o n t o u rl i n e ，a l g o r i t h mb ya d d i n gc o n t r o ll i n ea n da u x i l i a r yi n f o r m a t i o no fb r a n c h i n g - m o d e l i n gw a 8p r o p o s e d ，a n dac o m p l e t es o l i dm o d e l i n gm e t h o dw a so b t a i n e db a s e do nt h ep i t c h i n go u tl i n e ，w h i c hW a s p r o v e nt ob eo fp r a c t i c a lv a l u eb yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ． K e yw o r d s 3 Dg e o s c i e n c e sm o d e l i n g ；s o l i dm o d e l i n g ；v i s u a l i z a t i o n ；c o n t o u r ；d i g i t a lm i n e 三维地质体建模，又称为三维地学建模，特别是针 对非层状矿体的三维建模，是当前矿山信息化的热点 和难点，是成功实施数字矿山的前提。从1 9 9 3 年加拿 大学者S i m o nWH o o u l d i n g 提出三维地质体建模以来， 已经探索出了基于不同数据结构的三维地质体建模方 法，如实体模型法、块体法、广义三棱柱法。1 等，这些 方法在不同的地质环境中均有成功的应用案例。基于 矿体平行轮廓线的三维地质体实体建模具有很好的直 观性，较容易与传统地学分析和储量计算方法相联系， 所以比其它方法更容易理解和接受。虽然目前一些软 件都提供了实体建模方案，但是普遍表现为建模效率 低下，有时对复杂地质环境下的地质体很难精确表达， 建模过程依据固定的算法构建，很难在建模过程中融 入人为分析的地学因素，对模型的后期修改困难。总 的来看，基于实体模型的三维地质体建模还有待完善。 本文针对复杂非层状矿体的三维实体建模的轮廓 对应、分枝和镶嵌问题，以人机交互的方法建立相应的 模型，提高了建模方法的灵活性，更加适应于复杂地质 构造的三维地质体建模。 1 三维地质体建模流程概述 基础地质勘查数据是三维地质体建模的根源，地 质勘查数据的数据库是建模的基础。三维可视化平台 是基本建模工具，它负责将不同的地质体元素三维的 展现给用户，对基础地质勘查数据的处理将包括表达、 加工、建模和分析几个阶段。对于地质体建模的交互， 可以分为方法的交互和流程的交互两种交互类型。方 法的交互主要体现为算法流程的交互性，可以根据用 户给定的参数来完成特定的需求，是算法的创新性应 用。流程的交互还体现为各个建模阶段可以向后回 ①收稿日期2 0 1 1 1 2 - 2 7 作者简介曹国林 1 9 6 5 一 ，黑龙江青冈人，高级工程师，主要从事矿业工程设计、咨询及管理工作。 万方数据 第3 期曹国林等复杂地质构造三维地质体建模方法研究 滚，各个建模阶段的功能和作用既具有继承性，又具有 相对独立性。本文所述的交互式解决复杂地质体三维 建模的流程如图1 所示。对于复杂的地质体建模，纯 粹的算法很难解决建模问题，所以交互有时是必然的。 基础地质勘查资料数据库 ● 地质元索的三维表达 ● 单工程矿体圈定 ● 勘探线剿卣连接 ● 轮廊线对应建立 ● 三维逮模 镶嵌、分支、拟合 ● 实体模型修正 ● l 实体模型分析及处理 ● 储量计算 图1交互式地质体建模流程 三维可视化技术是地质体建模的基础，可以通过 O p e ．G L 、D i r e c tX 三维图形函数库构建可视化平台，也 可以通过相关G I S 和C A D 平台的二次开发技术来实现 地质体的三维表达。本文的实现平台是基于A u t oC A D 的O b j e c tA R X 二次开发技术。一些开源三维可视化软 件也是比较理想的实验和开发平台，如B l e n d e r 、K - 3 D 等。单工程矿体圈定和勘探线剖面连接是基于钻孔线 段几何数据的运算，通过简单的三维操作即可实现。 基于实体模型的非层状三维地质体模型建模的难点是 轮廓线的对应、镶嵌和分枝，这也是本文讨论的重点。 2 复杂轮廓线对应关系计算 平行轮廓线之间的对应关系计算一般都采用区域 面积重合判断法H J ，如果地质勘探程度比较高且相邻 平行轮廓线层之间的距离比较近，该方法能够取得比 较好的效果。但是如果地质勘探程度比较低，轮廓线 层之间距离较大或轮廓线绘制区域偏差过大，该算法 的效率将大大降低。还有一种全局的方法∞。，它以椭 圆来近似代表轮廓．以广义柱体生长法来寻找轮廓间 对应关系，和区域面积重合判断法相比，能够较准确地 确定轮廓对应关系，但是判断比较复杂。本文提出了 一种综合以上两种方法特点的新方法，既考虑了局部 对应关系，又考虑了全局的对应关系，可以较好的解决 复杂轮廓线对应计算问题。 定义一个平行轮廓线层为P ； P f l ，P ■⋯， P ；8 ，f 代表该层的编号，P i l ，P f 2 ，⋯，P f “为该层所包含 的轮廓线，总计为n 个。此外，定义该层的各个轮廓线 的面积为s i l ，s ，2 ，⋯，s ；4 ，根据线品位计算出各个轮廓 线的加权平均品位为K 1 ，K 2 ，⋯，K “，各个轮廓线的重 心为G ■G ■⋯，G 。8 ，各个轮廓线的总面积为s i ，该轮 廓线层的平均品位加权重心为 毪卷紫 如果一个勘探工程包含有Ⅳ个轮廓线层，那么由 各个层的品位加权重心Q ，，Q ，⋯，Q Ⅳ所构成的曲线 则代表了整个勘探工程矿石的核心走向。要计算层i 上的一条轮廓线和层．『上的轮廓线的重叠区域，可以 将其按照一定的方向投影到层，所在的平面上，然后 在同一个平面内计算各个轮廓线之间的重叠面。层i 、 ．『之间的区域重叠面积的计算应该按照向量 Q i ，Q i 方 向进行投影 如图2 所示 ，计算重叠面积。这样能够 保持与整体矿体走向的一致性。 圈2 新算法下的对应关系计算环境 其次，为了保证两个层之间轮廓线的良好过渡关 系，除了设置向量 Q ；，Q ， 方向进行投影保持整体的 走向外，还可以设置轮廓线投影时的放大及缩小系数， 来调整对应关系的计算。比如层i √轮廓线总面积分 别为S 。、s j ，则对于层i 上的一条轮廓线P 在进行重叠 投影时，投影方向为 Q ；，Q ， ，投影的缩放比例为 S ；／S 一这样可以更好的适应两个面积不同层之问的对 应，取得局部的适应性。 通过实验表明，在品位加权重心曲线的导向下，局 部参考缩放比例5 ；／ i 可以大幅度提高轮廓线对应计 算算法的效率。以马鞍山某铁矿为例，其对应关系计 算成功率可以从普通的区域面积重合判断法的 4 7 ．6 ％提高到8 9 ．1 ％，对应关系计算失败主要出现在 岩层夹石和断层处。该算法虽然大大减轻了人工寻找 对应关系的工作量，但还不足以适应复杂地质体环境， 对应关系需要人工检查并通过三维建模环境互动修改 直至达到最终要求。 3 三维地质建模 在取得正确的轮廓线对应关系以后，需要根据对 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 应关系构建地质体实体模型，这个过程面临的主要问 题是镶嵌、分枝和拟合∞。。 3 ．1 无分枝条件下的镶嵌 相似匹配算法解决的是如何在两条视觉上认为是 形状相似的曲线段之间的三角面镶嵌问题，它是本文 为了实现基于互动控制线建模而设计的算法。进行三 维建模的重要步骤是在两条轮廓线之间镶嵌三角面， 后面所述的导向建模是根据用户给定的引导线将两条 轮廓线分割成若干对可以认为是形状相似的曲线段 对，在不同的曲线段对之问进行相似匹配建模。对于 轮廓线的相似是根据建模操作者的视觉进行判断的。 相似匹配建模具体的算法流程为 1 获取两条曲线段各个坐标点数据S e g l [ ] ， s e 萨[ ] 。 2 判别两个曲线段方向的一致性和简单性，否则 将两个曲线调整为简单多边形或者调整方向为一致。 3 分别获取各个坐标点到起始点的长度占整个 曲线段长度的比例R a t e l [ ] ，R a t e 2 [ ] 。 4 连接两个曲线段的起始点为一条直线。 5 取距离起始点比例最小的点，这个点称之为给 定点，该多段线成为给定多段线。并按照比例在对应 的轮廓线上找到一点，这个点离其所在轮廓线的起始 点的距离占其总长的比例和给定点相同。这个点称之 为给定点的匹配点，其所在的多段线称之为匹配多段 线，连接匹配点和给定点。 6 搜寻下一个距离起始点比例最小的尚未获得 匹配点的给定点，并寻找其匹配点。直至寻找到最末 点，连接最末点为一条线段。 7 转换匹配多段线为起始多段线，转换起始多段 线为匹配多段线，按照以上流程，在新的匹配多段线上 为新起始多段线上的每一个点寻找对应点，连接匹配 点和给定点。 ． 8 在由各个匹配线段之间所构成的空间四边形 中添加～条对角线，使得每个空间四边形构建为两个 三角面。 相似配比算法计算流程示意见图3 。 曰一砰一曰 L 1L ]1 呷一哗一吻 图3 相似配比算法计算流程示意 基于控制线的放样建模是计算机三维建模中比较 常用的一种建模方法，是复杂平行轮廓线建模很好的 技术解决方案。利用人工添加的控制线可以将复杂的 轮廓线分割为若干对外形相似的曲线段对，能利用人 的视觉观察结果很好的控制模型的生成，整个实现流 程大致为 1 选中一对或多对轮廓线P i ，P ，。 2 在每对轮廓线之间添加控制线，将轮廓线只 和只之间的镶嵌问题转换为线段 S e g i l ’S e g , 1 ， S e g i 2 ，s e g ，2 ， S e g 。3 ，S e g j ’ ， S e g ‘4 ，S e g f 4 之间的镶 嵌问题，如图4 。 图4 控制线添加示意 3 利用相似匹配算法在线段 S e g f I ，S e g j l ， s e g f 2 ’S e 岛2 ， S e g ￡3 ，s e g f 3 ， s e g ；4 ，S e g j 4 之间镶嵌 三角面。 3 ．2 分枝处理 纯粹的依靠算法去解决分枝问题难度比较大， B P L I 算法旧1 在医学三维模型重建中取得了很好的效 果，但是在数据稀疏、轮廓线之间变形严重的情况下效 率低下，没有实用价值。所以，目前地质体三维重建中 大多还是采用人机互动的方式进行分枝处理。 在分枝处理中，复杂轮廓线条件往往是添加辅助 的分枝信息来完成，通常添加的分支信息包括分枝点、 分枝曲线和分枝轮廓。添加分枝点是添加分枝曲线信 息的一种特殊情况，下面以一对二的分枝来介绍一下 添加分枝轮廓线的算法处理流程，如图5 所示。 一一 图5 利用分枝曲线处理分枝问最 万方数据 第3 期曹国林等复杂地质构造三维地质体建模方法研究 1 在分枝轮廓线 P f l ，P 。2 一P ，1 中添加分枝辅 助曲线S e 黟。 2 人工确定Q 和G 点，并手动添加控制线f 。、Z ， 之后再手动添加四条控制线f 3 、f 4 、f 5 、f 6 。此过程的辅 助信息添加均基于人的判断。 3 将z 。、Z 和s e 彰连接为线段S e g c ，夹在f 3 、f 。、 f 5 、Z 。四条控制线之间的区域镶嵌则转换为 S e g a ， S e g c 与 S e g b ，S e g c 之间的线段之间的镶嵌，以相似 匹配法镶嵌三角面。 4 S e g a ，S e g c 与 S e g b ，S e g c 之外的区域镶嵌 也转换为线段之间的镶嵌，如果轮廓线比较复杂，则可 以再添加辅助线，然后用相似匹配法镶嵌三角面。 通过以上的算法构建的分支模型不会出现三角面 相交的情况，给后期模型分析和储量计算提供了良好 的模型拓扑结构。对于一对二以上的分枝关系，主要 体现为分枝曲线的不同，如三分枝的时候可以添a n - 扇叶结构的分枝曲线。一般地质体建模很少遇到一对 四及以上的分枝难题。 特别复杂的地质环境添加分支曲线无法达到控制 表面模型的效果，还需要添加辅助轮廓线。所谓添加 辅助轮廓线，就是在两个相邻的相似性很差的轮廓线 之间添加过渡轮廓线，用来控制轮廓线生产的外表面 模型，避免三角面相交。基于图像像素的过渡轮廓线 的生成有很多成熟的算法，如网格的变形技术和场变 形技术一。⋯。二维变形可实现一幅图像到另一幅图 像的光滑过渡，该技术首先通过交互确定一些相应的 特征点对或线段对来建立两幅图像像素之间的对应关 系 变形函数 ，中间画面则经插值对应像素对的颜色 和位置而得到，二维变形技术的研究主要集中在如何 建立映射函数上⋯』。要利用基于像素点的图像技术 实现矢量轮廓线的过渡生成需要经过以下步骤 1 建立标准坐标平面，并将轮廓线投影至该平 面上。 2 根据计算精度要求，建立平面上的二维网格点 坐标，并计算区分每个轮廓线内外的网格点，这两种类 型的网格点可以看作是一副图像上的像素点。 3 根据相应的过渡算法计算过渡图像。 4 根据过渡图像提取外围边界，即过渡轮廓线。 实验表明，基于图像的过渡算法可以较好的解决过 渡轮廓线生成问题，但是，由于过渡轮廓线的生成算法 是基于特定变形函数的，不一定符合地质工程的需求， 所以，一般最后生成的过渡轮廓线都得进行局部调整。 3 ．3 尖灭建模 各个平行轮廓线组连接完毕之后，起始组轮廓线 和末尾组轮廓线因为开始和结尾方向没有对应的轮廓 线组，所以无法构建成不透气的三角面空腔。另外，一 些单独轮廓线前后没有可对直的轮廓线，所以也需要 采取措施来完成不透气三角面空腔的构建。解决以上 问题的步骤就是尖灭建模。 在尖灭建模中主要有两种尖灭方式，即锥形尖灭 和楔形尖灭。锥形尖灭是指将一个轮廓线尖灭到一个 点上，一般是以轮廓线的质心作为起始点，沿用户给定 的方向向量和距离尖灭到指定的点上。锥形尖灭建模 的算法很简单，灵活地获取用户的参数和提供一个灵 活的可视化的操作是尖灭建模的要点。楔形尖灭是将 一个轮廓尖灭到一条曲线或者直线上，楔形尖灭有两 种方法。对于比较规整的曲线可以用程序自动搜索出 要尖灭的理想曲线，然后根据用户给定的轮廓线到尖 灭曲线的距离进行尖灭建模。对于比较复杂的轮廓线 应当由用户人工给定尖灭曲线，并给出引导曲线进行 建模。图6 为手工添加尖灭曲线的楔形尖灭流程图。 闭 合 线 图6 楔形尖灭流程 3 ．4 实验研究 应用以上算法原理和解决办法，基于A u t oC A D 的O b j e c tA R X 二次开发工具，结合O r a c l e 数据库开发 了一套地质体建模综合G I S 系统，结合具体地质勘探 数据进行了地质体建模实验，结果表明能够建立起比 较理想的地质体三维模型。经过相关单位的测试试 用，得到了专业人士的一致认可。图7 所示为某矿山 的最终三维实体模型。 图7 某矿山三维实体模型 4 结语 数字矿山是一个庞大的系统工程，地质体三维模 下转第2 9 页 万方数据 第3 期 刘林林等乳化炸药地下装药车液压系统过热问题的研究 ， ．／ ．／ ．／ ／ 。一／ 图3 原液压系统温度装药量曲线 一／■1 ．／ ．／ y 。 一‘ 装药时问／m i n 图4 改进后液压系统温度- 装药量曲线 试验对比发现，改进后的液压系统油温得到改善。 经过大量试验表明，改善冷却系统后，该地下装药车的 液压性能比之前稳定得多，连续工作2h 后未出现因 油温过高而导致整车停机的现象。试验表明，通过引 入变频散热系统后，液压系统油液温度能保持在P L C 设定的范围内运行，从而很好的解决了因油液温度过 高而带来的一系列不利影响。 4 结语 通过在油箱中增设温度传感器，采用闭式控制系 统，在传统的液压冷却系统中引入变频技术，成功解决 了长期以来液压系统存在的高温问题。在结构上不作 大的调整的前提下，仅对冷却系统的控制方式进行局 部改进就可达到良好效果，且改进后的系统可以根据 现场油液温度进行自适应调整，达到了实时控制和节 能要求。全自动地下装药车的研究在我国目前还处于 初级阶段，虽然液压系统高温问题得到了很好解决，但 为了尽早把全自动化地下装药车投入矿山使用，还需 要在以下几个方面进一步改进①提高底盘、装药系 统和对孔装置三者的匹配性；②提高装药效率装药精 度；③改善控制形式；④解决乳胶基质敏化后在小直 径软管内的长距离输送；⑤快速准确实现炮孔自动定 位；⑥控制返药。 参考文献 [ 1 ] 张东升．伟博．治明，等．井下装药车及其应用前景[ J ] ．机 械管理开发．2 0 0 6 ，1 2 6 5 7 ． 【2 ] 汪旭光．乳化炸药 第二版 【M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 ． [ 3 ] 王文深．液压与气压传动技术[ M ] ．长春吉林科学技术出版社， 1 9 9 0 ． [ 4 ]宋庆松，陈燕．液压系统油温过高分析与控制研究[ J 】．现代 机械．2 0 1 0 2 l t 一1 5 ． [ 5 ]陈欠根，蒋丛华，郝鹏，等．挖掘机冷却系统的结构布置对改善 热平衡的影响fJ 1 ．工程机械，2 0 0 7 1 0 3 3 3 5 ． 上接第2 5 页 型是其核心的环节，而在三维地质体建模中，算法又是 核心环节中的核心。不断的改进三维地质体建模算法 和方法，有助于提高相关建模平台的易用性，加快矿山 信息化进程。地质构造的复杂性、地质勘探数据的稀 疏性及不确定性使得三维地质体建模有其特殊的难 题，就目前的算法水平来看还离不开交互式的建模方 法，对算法和方法的改进应该更多的降低人工参与的 工作量，提供界面更加友好、操作更加简单的交互建模 过程，这是本文建议的关于交互式三维地质体建模问 题的研究方向。 参考文献 [ 1 ] S i m o nW ．H o u l d i n g ．3 DG e o S c i e n e eM o d e l i n g [ M ] ．H o n gK o n g S p r i n g e r ，1 9 9 4 ． [ 2 ]侯恩科，吴立新．面向地质建模的三维体元拓扑数据模型研究 [ J ] ．武汉大学学报 信息科学版 ．2 0 0 2 ，2 7 5 4 6 7 4 7 2 ． [ ，]程朋根，龚健雅，史文中，等．基于似三棱柱体的地质体三维建 模与应用研究[ J ] ．武汉大学学报 信息科学版 。2 0 0 4 ，2 9 7 6 0 2 6 0 7 ． [ 4 ] O l i v aJM ，P e r r i nM 。c o q I | i l l 蚰s ．3 Dr e c o n s t n _ l c t i a no fc o m p l e xP 0 l - 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