三维煤层模型的可视化研究与应用

摘要：地质三维建模是数字煤矿建设的重要内容，其中三维煤层可视化模型以煤层底板等高线、钻孔数据为主要源数据，采用克里格插值方法，获得相关煤层的规则网格数据，生成DEM。在VS2005的MFC开发平台下，运用Direct3D组件进行煤层的三维模型建立，并实现对煤层模型的放大、缩小、旋转、平移等操作，提高人们对井下构造的认知能力。

关键词：地质三维建模；煤层可视化模型；规则格网；DEM；Direct 3D

中图分类号：TP618.11 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-02

Research and Application in 3D Visualization of Coal Seam Model

Li Xinping,Hao Duohu,Zhang Guorui,Sheng Jialiang,He Quan,Lv Tieying

(China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:Geological 3D modeling is a principal element in digital construction of coal mines,3D Visualization of primarily based on contour line of coal seam floor and drill data,generated regular grid data and DEM of relevant coal seam using Kriging interpolation.Based on MFC development platform of VS2005,build 3D coal seam model using Direct3D module and achieve operation of zooming-in,zooming-out,rotating,and panning,improve the recognition ability of people in mine underground structures.

Keywords:Geological 3D modeling;3D Visualization of Coal Seam Model;Regular grid;DEM;Direct 3D

引言：地质三维建模是运用计算机技术，在三维环境下将空间数据管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质分析的技术[1]。三维模型具有可视化强，地质表达清晰，交互方便快捷等优点。三维可视化正逐步被引入到数字煤矿建设中，使得煤矿建设越来越科学化，越来越机器化，越来越安全化。目前常用的三维建模语言有OpenGL[2]、Direct3D[3]、Java3D[4]、VRML[5]等，随着Direct3D技术的快速发展与应用，Direct3D能够将海量数据进行快速建模和实时渲染，体现了其强大的建模优势，能够逼真的反应地下地质情况。

一、三维煤层模型的建立

（一）数据获取与整理

三维煤层模型的建立需要从地质资料中获取各煤层的顶、底板等高线图件、矿区煤层露头边界数据以及钻孔数据的坐标，包括X、Y、Z坐标以及煤层厚度等数据。由于钻孔的数量有限，将从底板等高线上采集离散点坐标，使得数据较为充实、准确。

将整理好的数据进行入库，建立空间数据库，空间数据模型是建立地质空间数据库的理论基础，其中数据库是整个可视化仿真系统的核心，只有正确、合理的数据才能反映最真实的地下空间结构。空间数据结构是空间数据模型的具体实现，是对客观对象进行可视化表现的基础。地质体三维空间数据结构是工程地质三维建模和可视化的基础，这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构，能够确保人机交互和查询的实现[6]。钻孔数据结构、煤层数据结构如表1、表2所示。

表1：钻孔数据结构 表2：煤层数据结构

字段名称 数据类型 字段说明

dh_ coordinate_ID int 钻孔编号

Partition _ID int 区域编号

coordinate_X double X 坐标

coordinate_Y double Y 坐标

coordinate_Z double Z 坐标

max_depth float 最大深度

字段名称 数据类型 字段说明

cs_ coordinate_ID int 煤层编号

Partition _ID int 区域编号

coordinate_X double X 坐标

coordinate_Y double Y 坐标

coordinate_Z double Z 坐标

cs_depth float 煤层厚度

（二）规则格网与DEM的建立

钻孔数据具有有限、离散、稀疏等特点，需要对数据进行插值分析，生成规则格网。规则格网通常是等间隔矩形网格，同一个轴向上格网线间隔值相同，不同轴向上的格网线间隔值可以不同[7]。常用的空间曲面插值方法有距离幂次反比法、克里金法和最小二乘拟合法等，各方法的优缺点比较如3[8]所示。

表3：3种插值方法比较

插值方法 优点 缺点

距离幂次反比法 方法简单，编程容易 权系数不尽合理，外推能力差

克里金法 充分考虑了区域化变量的空间变化特征，无偏最优 计算量大，程序复杂

最小二乘拟合法 方法简单，外推能力强 计算量大于距离幂次反比法

本文根据钻孔分布情况，煤层底板等高线图件等综合分析，选取克里金插值法。克里金插值法基本原理为假设x是研究区域内任一点，Z（x）是该点的测量值，该区域共有n个实测点，即x1，x2，…，xn，那么对于任意点或待估块段V得实测值Zv（x），总估计值Z*v（x）是通过该待估计点或待估块段影响范围内的n哥有效样本值Zv（xi）（i=1，2，…，n）的线性组合来表示，即

（1）

式中， 为权重系数，是各已知样本Z（xi）在Z*v（x）时影响大小的系数。

将煤层数据生成100*100规则格网数据，最终建立DEM模型。DEM是一定范围内规则栅格网点x，y，z的数据集，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。

用函数形式表示为

v i=（x i，y i，z i）（i=1，2，3，，n） （2）

式中：xi、yi为平面坐标；zi为（xi，yi）对应的高程。

（三）三维煤层模型可视化

煤层建模基本过程流程图如下图1：通过查询空间数据库，读取相应煤层的空间坐标，提取出各煤层空间离散数据，应用克里金插值方法对离散数据进行插值，获得规则格网数据。由于所获取坐标为国家标准坐标系数据，为了最终生成的模型能够在大地中心，在程序中统一为所有数据减去一个自定义基准值，然后生成各煤层DEM模型，利用煤层露头边界数据生成煤层的包裹面，对DEM模型进行裁剪。最后在MFC平台下，结合D irect3D技术，选择左手系来构建煤形数据，以x轴为横坐标，z轴为纵坐标，y轴为高程坐标。对煤层模型进行观察视角、颜色、纹理、灯光、缓冲区的设置和渲染操作。

图1：煤层建模流程图

二、系统界面与功能操作

在系统的设计与实现的过程中采用了C++编程语言，充分体现了其面向对象的特点，使得人机交互操作更加的方便与灵活。利用Direct3D技术对三维煤层进行仿真优化，使得其能充分准确的反应其地下煤层起伏变化情况，并对煤层进行光照、纹理的设置与其材质、颜色的选择。整个系统的界面为天空白云的再现，较真实的反应地上地下的构造。图2为该系统的初始界面，图3为部分煤层的三维模型展现。

图2三维煤矿系统初始界面

图3三维煤层模型界面

系统功能主要为三维煤层模型的显示，可单独和整体显示煤层，并对煤层进行颜色、透明度等选项进行选择。如有新开采煤层，可以通过其界面的数据库操作进行添加钻孔、底板控制点数据等操作，重新绘制显示新开采煤层。系统可以方便的对煤层模型进行整体放大、缩小、旋转、复位等操作，可以通过选择各煤层之间的纵向延伸系数，按照该系数比例扩大其煤层间的间距，更有利于对各煤层进行单独研究。该系统的实现可以直观的将地下煤层构造真实的呈现在用户面前。

三、结论

结合地学统计学、计算机科学、地理信息系统、地质学等相关原理与知识，对钻孔、煤层数据进行统计，构建空间数据库，利用克里金插值方法对提取空间数据库的数据进行规则格网的建立，生成DEM模型。利用MFC开发平台与Direct3D技术对其三维模型进行可视化显示，充分发挥了其Direct3D技术强大的数据处理和渲染等特点。该系统在设计时压缩其图像纹理等，从而减小其数据量，减少内存的使用和浪费，使得运行速度较快。三维可视化设计使得教复杂难懂的地质现象较为直观的展现出来，便于人们对地下构造的认识与研究，提高数字矿山的建设。

参考文献：

[1]路桂景,刘鸿福,张敏.ArcGIS环境下利用浅层地震探测资料构建三维地层模型的新方法[J].工程地质计算机应用,2008,2:9-12

[2]邓寅生,曲鹏举,庞玉娟.基于OpenGL的地质体三维可视化系统开发[J].微计算机息,2007,23(3):225-26

[3]韩振东,张军,蒋涛.基于Direct3D多分辨率地形建模方法的研究[J].测绘科学,2006,31(6):143-45

[4]李翔,李成名,王继周.基于Java3D的地形3维可视化技术[J].测绘通报,2003,10:19-1

[5]芮小平,张彦敏,董鹏等.基于VRML的三维地质体可视化研究[J].计算机工程与应用,2003,6:44-5

[6]程良勇,增明,永杰等.基于工程钻孔数据的三维地层可视化的研究与应用[J].勘察工程,2010,1:701-05

[7]宋金星,刘玉芳,文广超.VTK在三维地层可视化中的应用研究[J].测绘科学,2010,35(4):214-16

[8]魏永勇.多层DEM建模及其在地层可视化中的应用研究[J].工矿自动化,2010,1:9-2

[基金项目]全国矿产资源潜力评价资助项目（1212030713203）

[作者简介]李新萍（1986-），女，黑龙江佳木斯人，硕士，主要研究方向为遥感与地理信息系统在矿井地质领域中的应用。