三维地学建模在数字矿山建设中的重要作用

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【摘 要】随着信息时代的到来，矿山企业信息化势在必行。同时，数字矿山的构建也必将成为实现矿山企业高产、高效、安全开采的有效途径。三维地学建模是数字矿山建设的关键技术之一，也是数字矿山实施的基础。本文阐述了三维地学建模在矿山建设中的重要作用以及当前三维地学建模的主要技术方法。最后对我国未来数字矿山的建设做了展望。

【关键词】数字矿山；关键技术；三维地学建模

0 引言

1998年1月31日，前美国总统戈尔提出“数字地球”（Digital Earth，简称DE）概念，引起了全世界学术界的热烈关注。许多学者在这基础上根据自己国家的实际情况开展了多方面的研究工作。1998年10月，在接见两院院士时，提出了构建数字中国（Digital China，简称DC）的战略构想，并与各位院士研讨实施DC的行动计划。

根据国家“十五”计划对企业信息化的要求，利用信息化带动矿山等传统企业。合理地开发矿业资源，维护矿区经济、社会和环境保护的协调，必须有赖于信息系统技术。现在，各行各业要发展“数字化”技术已成为必然，矿业也不例外，“数字矿山”（Digital Mine）必将成为“数字中国（Digital China）”的主要部分之一。

1 数字矿山关键技术

1.1 我国构建数字矿山存在的问题

近年来，中国矿山行业的信息化建设虽然取得了较大发展，但总体状况仍然很不乐观。中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域，与发达采矿国家的差距越来越大。遥控采矿、无人工作面甚至无人矿井等已在加拿大、美国、德国、澳大利亚等国成为现实。加拿大从20世纪90年代初就开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作，现已研制出样机系统，并在INCO公司的几个地下镍矿试用。目前我国矿山行业信息化程度差、信息基础设施落后、信息化管理决策水平低，是矿山企业安全形势得不到有效改善的根本原因。构建数字矿山，以信息化、自动化和智能化带动采矿业的改造与发展，开创安全、高效、高产、绿色和可持续的矿业发展新模式，是中国矿业生存与发展的必由之路。

1.2 三维地学建模

在整个“数字矿山”的庞大信息系统中，三维地学建模是系统的核心组成部分，技术最为复杂。中国矿业大学的吴立新教授曾做出如下的定义：三维地学建模是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化等学科交叉而形成的一门新型学科。由此可见，三维地学建模不但有着很强的地学专业背景，而且也是多学科交叉的边缘学科问题。

1.2.1 三维地学建模的特征

从计算机图形学的角度来说，三维地学建模既不属于原始设计模式的建模，也不是严格的逆向工程建模，这主要是由三维地学建模的建模数据来源所造成的。本文总结了地学建模的数据来源有三个特征。

（1）稀疏性。地学建模的数据来源目前主要是靠钻孔数据、勘测数据以及矿山开拓工程数据。在前期的地质勘探过程中，地学的建模基本是完全依靠钻孔获得建模原始数据，成本非常高，不可能大量的采集数据。所以，实际工程中只能采集非常稀疏的、离散的且分布不规则采样数据，而矿山地质空间数据往往又是连续、复杂多变的，这给建模工作带来了很大的困难。

（2）不确定性。由于数据的稀疏性的因素，为了获得满足三维建模需要的数据量，必须依据现有的勘测数据进行空间插值。目前常用的这些方法仅仅是对矿体形貌的一个“较为可靠”的估计，在这个“较为可靠”的估计下面有很大的不确定性。

（3）地质构造的复杂性。由于断层、褶皱、岩石夹层等复杂地质构造的存在，这些复杂的和无规律的因素使得地学建模的复杂度大大增加，也使得地学的建模复杂性远远大于其他的类似的建模应用。像基于CT扫描数据的建模等领域，现实生活中是可以找到参考模型作为引导，有一定的规律可循，而矿体模型几乎没有任何规律可循。

1.2.2 地学建模的主要方法

在过去的十几年中，国内外众多学者对于三维地学建模这个难题从理论上进行了较深入的研究，提出了多种三维地学空间模型或建模方法。其中不少方法已经在商品化的数字矿山软件中得到实现和应用。从三维建模方法的基本元素来看，可以分为基于面表示的模型、基于体元的模型和混合数据模型。由于三维地学建模需要对矿体的属性的品位等信息进行详细的描述，所以三维地学建模须采用体元模型法建模，也可以由表面模型栅格化为体元模型。

地学（空间）数据模型的研究能为地质科学数据的共同理解提供基础。在己有数据模型或建模中，由于侧重于项目需求的建模，加上受于个人数据库技术的限制，使领域内的数据建模在数据（实体）、数据（实体）之间的联系以及有关语义约束规则的形式化描述，数据模型规定数据的内容、结构、行为和语义方面缺乏一致性描述，这在一定程度上影响了为地质科学数据的共同理解基础，而且使基础数据模型可以被设计成能够适合各种数据结构数据的结构能力也相当有限。因此根据目前数据模型技术发展趋势，需要建立地质调查领域的领域数据模型来满足需求。

三维地质建模要求对大量地球空间信息进行三维描述，主要任务是用一定的三维数据结构来有效地描述和表达地质体本身以及地质体间复杂的关系，提供丰富的地层、断层、构造等三维建模方法，可自定义模型，扩展多种模型，提供模型库管理。3DGIS数据结构可以很好地满足这些要求。利用三维GIS可以将一维、二维地质体置于三维立体空间中考虑，区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。3DGIS的首要特色是能对2.5维、三维对象进行可视化表现，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系， 3DGIS结合可视化技术、虚拟现实技术、网络技术和高分辨率卫星影象等技术，专家们提出了第四代GIS的新概念，即以三维数据为研究和应用对象，在网络环境下实现GIS系统数据的调用和交流。新一代的地理信息系统（GIS）不仅具备极强的海量地质空间数据管理功能，还具有较强的数据优化建模、数据自动获取和修改、数据查询和分析、图形图像可视化（GIS）等功能，是地质空间信息可视化的最佳环境。3DGIS的开发应用充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高，以便受益于现代地质数据获取方法的进步。3DGIS研究计算机技术与空间地理分布数据的结合，通过一系列空间操作和分析方法，为地球科学提供有用信息。

2 结束语

三维地学建模技术是数字矿山的核心技术之一。随着数字矿山技术的日趋成熟，数字矿山的建设已经从概念走到了现实世界中。并且，伴随着非可再生资源的日益紧张，资源价格日益上涨，我国的矿山开采企业的经济效益也得到了很大的改善，对数字矿山的建设提供了很好的经济基础。同时，矿山开采企业在朝着集约化、规模化的道路发展，对信息化管理的手段需求日益迫切。国家也在一直提倡用信息化改造传统工业，提升传统工业的发展水平和信息化水平。数字化信息化的进程将使得矿山开采企业从中获益，能够显著提高企业生产效率和降低人力成本。可以用“五有”来概括上面的话――有技术、有财力、有需求、有政策、有效益。总之，数字矿山的建设可谓是正逢其时，改善我国的数字矿山建设的落后局面显得异常迫切。

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