基于体视化技术的地下采矿方法设计系统研究.pdf

S e r i a l No ． 4 4 0 F e b r u a r y ． 2 0 0 6 矿 业快报 EXP RES S I NF ORM AT1 0N OF M I NI NG I NDUS TRY 总 第 4 4 0 期 2 0 0 6 年 2月第2期 基于体视化技术的地下采矿方法设计系统研究 刘 晨 杨 鹏 吕文生 北京科技大学 摘要 从体视化技 术的 内容、 原理、 过程等相关技术 出发， 结合地下矿 山采矿 方法设计 的概 念、 研究内容和方法， 提 出了整个系统的设计思想和实现技 术， 并对三维地学模拟的体视化方法、 显 示算法等关键技术进行 了研究。 关键词 体视化技术； 地下采矿方法 ； 算法； Op e n GI 中图分类号 TD 8 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 5 6 8 3 2 0 0 6 0 2 0 0 1 0 0 3 Re s e a r c h o n Und e r g r ou nd M i n i n g M e t h od De s i gn S y s t e m Ba s e d o n Vol u m e Vi s u al i z a t i on Te c h ni qu e Li u Ch e n Ya n g P e n g Lv W e n s h e n g S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h Ef f i c i e n t M i n i n g a n d S a f e t y o f M e t a l M i n e s Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，t h e M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n Ab s t r a c t B a s e d o n t h e c o n t e n t ，p r i n c i p l e a n d p r o c e d u r e o f t h e v o l u me v i s u a l i z a t i o n t e c h n i q u e ，a n d c o mb i n i n g wi t h t h e c o n c e p t ，s t u d y i n g c o n c e p t a n d me t h o d o f t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g me t h o d d e s i g n，t h e d e s i g n t h o u g h t a n d r e a l i z i n g t e c h n i q u e s o f t h e wh o l e s y s t e m a r e p u t f o r wa r d ． I n a d d i t i o n，t h e k e y t e c h n i q u e s o f 3 D g e o s c i e n c e s i mu l a t i n g s u c h a s v o l u me v i s u a l i z a t i o n me t h o d a n d d i s p l a y a l g o r i t h m a r e s t u d i e d ． Ke y wo r d s Vo l u me v i s u a l i z a t i o n t e c h n i q u e； Un d e r g r o u n d mi n i n g me t h o d； a l g o r i t h m ； C ’ p e n GL 体视化技术是当今表达和分析复杂数据的有力 工具， 将体视化技术引入到地质采矿领域， 可以实现 三维工程布置和三维矿体 的生成和仿真 ， 有助于更 好地理解矿体的空间信息及矿体与工程布置之间的 空间位置关系， 提高空间分析功能 。 目前体视化技术 在矿业 中的应用 ， 主要集 中在矿体的真三维显示 、 矿 体品位的空间插值以及采矿工程体的三维显示等。 体视化是科学可视化的一个重要组成部 分， 它是在 吸收图像处理 、 计算机视觉和计算机图形学等学科 有关知识的基础上发展起来的。文 中主要论述将体 视化技术引入到地下采矿方法设计系统中， 通过三 * 国家 自然科学基金项 目 编号 5 0 2 7 4 0 0 9 刘晨 1 9 8 1 一 ． 男 ． 汉族 ． 陕西汉 中人 ， 在读硕士研 究生 ， 主要 从事矿业系统仿真及体视化方面的研究， 1 0 0 0 8 3 北京市海淀医学院 路3 0 号北京科技大学土木与环境工程学院3 6 5 信箱。 杨鹏， 男， 教授． 博士生导师， 研究方向 采矿计算机仿真、 矿床 体视化技术。 吕文生 ， 男 ， 副教授 。 博士 生， 研究 方向 采矿计算机仿真、 矿床体 视化技术 。 维图形 的形式展示地下矿的采矿设计方案， 可使采 矿工程人员大大提高采矿设计的速度和质量。 1 体视化技术简介 体视化 Vo l u me Vi s u a l i z a t i o n 是 2 O世纪8 O年 代后期兴起的一项非常弓 1 人 注 目的新技术 ， 它是在 吸收计算机图形学、 计算机视觉和图像处理等学科 相关知识 的基础上发展起来的一门交叉学科。作为 科学可视化的主要组成部分之一 ， 体视化研究的是 体数据 Vo l u me Da t a 在计算机 中的表示、 变换、 操 作和显示等问题 ， 其 目的是探查体数据 中所蕴含的 物体， 对蕴藏在体数据 之中的物体或者 自然现象进 行处理、 分析和显示 。 这无疑会帮助人们更好地认识 所研究对象的内部结构、 属性和内在规律 ， 能够看到 物体 内部原本不可见的复杂结构。体视化的主要过 程见图 1 。 体视化技术研究包含物体 内部信息体数据的表 示、 处理分析、 操作、 物体重建和显示等内容 。 它的任 务就是要揭示物体内部的复杂结构 。它与传统计算 机图形学的主要差异在于 ， 前者是有 限个离散采样 ， 】】 维普资讯 总第 4 4 0期 矿业快报 2 0 0 6 年 2月第 2期 后者是连续 的几何描述 ，由此导致对物体 的处 理、 操作、 变换 、 分析和显示方法 的截然不同。传统计算 机图形学以面和边等边界基元来 描述物体 ， 不包含 任何内部信息； 而三维体视化则是以三维基元 体 素 来描述整个物体 ， 它包含物体内外的全部信息。 采样数据 I 三维体数据 二二二二 基于体素显示 显示图像 函数表达 计算模型 ／几何模 型 基于表l曲显示 图 1体 视 化 的 主要 过 程 在地学领域的研究 中， 地质 、 矿山、 海洋 、 气象 、 地下水等均是真三维动态地理／ 地质环境现象 ， 而体 数据是 对有 限空间的一组离散采样 ， 每个 采样点上 的采样 值都可 以是一 种或多种 ， 代表该点上的一个 或 多 个 物 理 属 性 值 ， 例 如 位 于 地 下 某 一 位 置 ， Y， 的岩层属性 、 孔 隙度、 渗透率 、 流速与 流向 等属性 。因此 ， 体数据是真正的三维实体 ， 它含有物 体 的内部信息 ， 适合表示具有真三维特征的地学现 象或其它现象 。所以 ， 在三维地学模拟 中可利用雷 达、 遥感 、 钻井等手段获得的各种地学信息 ， 通过体 视化技术建立三维空间地学模型 ， 进行地学模拟 ， 并 以图形图像方式再现三维地学实体 ， 从而改善勘探 地质信息质量 ， 深入研究和分析地 学问题 的内在规 律， 提高工程决策水平和科学性。 利用三维可视化技术 ， 建立包含地下巷道 、 采空 区、 矿体及地质钻孔的三维立体模型 ， 能够从任何角 度 、 任何位置 、 以及任意比例直观地展示地下巷道间 的关系、 巷道与矿体 的关 系， 以及矿体属性分 布等， 越来越受到广大地矿工程与研究工作者的重视 。 2 体视化算法分类 人们在地质、 地理 、 医学 、 生物 、 流体力学等领域 经常遇到大量 的三维空间体数据 ， 如何进行三维体 视化是科学计算可视化 中最重要 的一个研究 方 向。 早期 的体视化方法是从体数据 中提取 曲线、 曲面信 息 ， 如轮廓线、 等值线 、 等值面等 ， 再利用传统的显示 方法加 以显示 ， 即通过几何单元 拼接拟合物体表面 来描述物体三维结构 ， 这种体数据绘制方法通常称 为表面绘制方法 。但这种方法只能表达物体的外轮 廓， 不能深入表达物体内部组成和结构， 整体信息损 失得 比较多。移动立方体 Ma r c h i n g C u b e r MC 算 法是面绘制算法的典型代表 。 另一类体可视化方法则是依据视觉原理， 将三 维体元的采样数据直接投影到二维显示平面上 。它 ]2 不会 丢失每个体元数据所包含的信息 ， 使得人们可 以从一幅二维图像中感受到体数据的整体信息， 故 通常称其 为体绘制方法 ， 又称赢接绘制方法。 但是这 种绘制算法有一个致命 的缺点阻碍了它 的发展， 这 就是 由于体可视化一般处理的是大规模 的体数据， 从而导致 了体可视化方法计算速度 比较慢、 计算花 费 比较高。 因此 ， 若要交互地显示体数据就需要有很 强 的计算能力和很大 的存储空间 ， 而且它还不能用 现成的三维硬件 ， 必须开发专 门用于体可视化 的硬 件 。体 绘制 算 法 的典 型代 表 是光 线 投射 法 Ra y C a s t i n g 和足迹表示法 F o o t p r i n g或 S p l a t t i n g ， 见 图 2 。 三维空间离散数掘场 f i ，J ，k 篓 翟 瘙 曷 学 1一体浓淡处理L _ ]一 l f 物 体 空 问 序 一 脚 印 法 I l 混 合 空 间 序 一 剪 节 形 变 法 算 法 分 类 1 体 绘 制 { Ⅵ 甩 工 一 p 形 佶 L混合绘制 l变换域 { 警i兰篓霉誊i 维普资讯 刘 晨杨鹏等 基于体视化技术的地下采矿方法设计 系统研究 2 0 0 6年 2月第2期 面 ， 例如常用的移动立方体算法 ， 然后利用常规的多 边形生成技术来绘制多边形模型。整个过程需要进 行二值确定 ， 即整个立方体需被分成等值面 内和等 值面外两种情形。 但是， 如果体元包含模糊的或云雾 般的数据体 ， 则多边形 的拟合结果就比较差 。相反 ， 体绘制方法不需要 明确的检测表面 ， 这样体绘制方 法不仅可以很好地处理边界 明确的数据 ， 而且还可 处理边界模糊 的数据体 。 3 采矿方法设计描述 地下矿山采矿方法设计就是根据矿体的自然形 态选择合适的采矿方法 ， 合理布置采矿工程 ， 对矿体 进行控制， 以最少的投入尽量多地回收矿产资源。 对 于生产矿山， 开采矿体所采用 的采矿方法类型是基 本确定 的， 矿山设计部 门的 日常工作就是进行采矿 方法设计 ， 即 在地质剖 面图上初步布置采准、 切割 工程 ， 根据工程布置的需要补充若干地质平面图及 剖面图 ， 并分别在这些图上详细布置采切工程 ， 最后 计算各项技术经济指标 采矿设计是对采矿工程进行有机组合的过程 ， 各种采矿方法均是以基本采矿工程 的不同布置方式 而形成的。不同的采矿方法具有其特定的采矿工程 类型 、 工程布置方式和指标计算方法 ， 并且基本采矿 工程的规格参数是可变动的。 采矿设计 包括 ①方案设计 ，如开拓 方案 不 属于采矿方法设计范畴 设计 ， 方案设计图的绘制特 点是在基础原图上布置方案 ， 并在方案 图上分析比 较确定； ②专业性设计 ， 如通风系统、 运输 、 机电等设 计等 ， 这类设计除了选 型计算外 ， 需要在矿井基本图 纸的基础上绘制专业 内容形成专用的图纸； ③工程 设计 ， 如车场、 巷道断面、 交叉点、 硐室施工设计等 ， 这类设计需要按尺寸精确地绘制成规则的施工图。 4用Vi s u a l C作为开发平台设计 系统 Vi s u a l C是一 种可视化程序 开发平 台， 它是 基于数据流模型， 程序描述的是模块间的数据依赖 关 系， 支持模块级的编程 ； 用它编制的程序 ， 用户无 需涉及程序代码 。 因而 ， 它可以提供 良好的可视化应 用 开发环境 ， 并且与 O p e n GL图形开发库的接 口也 易于实现。 通过调用克立格组件[ 8 ] 对钻孔数据进空间插值 计算 ， 就可以得到矿床任意点的三维体数据 。 然后系 统 调用 Op e n G L图形库 ， 使矿床 以三维形式显示 出 来 ， 然后就在所得到三维矿床的基础上进行采矿工 程布置 ， 进而就可以完成特定的采矿方法设计 。 通过 交互式的可视化采矿设计 ， 可以将采矿工艺 的各个 环节 ， 编制成界面友好、 交互性强的可视化采矿设计 系统， 将地质资料处理与管理、 岩石力学、 矿化模型、 设备选择、 采矿设计、 经济评价等模块有机地结合在 一 起， 可以方便地分析和考虑方方面面的因素， 提高 采矿设计的速度和质量 ， 见图4 。 图4系统逻辑 结构图 5 结 论 根据地下矿采矿 方法设计 系统 研究工作 的需 要 ， 提 出将体视化技术应用到地下采矿设计系统的 开发工作 中。 通过体数据信息 ， 使采矿工作者能查看 到矿体内部结构及属性 ， 展现矿体的位置特征、 属性 特征以及空间关系特征 ， 这与传统 的二维 图形 相比 有了很大的提高。通过矿体与采矿工程体的集成显 示 ， 使工程技术人员能够直 观及时 的了解采矿工程 的布置情况 ， 辅助工程技术人员进行采矿方法 的选 择以及采掘进度计划的安排。 随着体视化技术 的深入发展 ， 体视化应用 到矿 业领域的范围将会越来越广泛。采矿方法设计系统 也将随着新技术的发展进入到智能化、 自动化 ， 传统 的人工劳动和操作 的方法将会被取代 ， 人类将会更 高效 、 更 自由地开采矿物资源。 参考 文 献 [ 1 ] 管伟 光 ．体视 化技 术及其应 用[ M] ． 北 京 电子工 业 出版 社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 李仲学， 牵翠平， 矿床仿真及体视化技术[ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 0。 9 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