三维可视化技术在矿山地质勘查中的应用

张文强

（山东省华鲁工程总公司，山东 济宁 272100）

到目前为止，社会已经步入了一个新的发展阶段，对于各类能源的消耗量不断增加，因而造成对于各类能源资源的需要量大幅度增加。我国幅员辽阔，各类资源储量较为丰富，但是由于地形与地势条件较为复杂，加大了各项资源尤其是矿产资源的开发难度，所以导致我国矿山勘察与开采难度加大[1]。当前我国矿山地质勘查技术还不够成熟，还是无法准确掌握矿产资源分布规律，导致我国能源供给出现问题，严重制约了我国社会经济发展，所以利用先进的科学技术进行矿山地质勘查具有非常重要的研究意义[2]。

随着科学技术的飞速发展，三维可视化技术逐步优化并完善，且应用至地质勘察领域，所以利用三维可视化技术进行矿山地质勘查已经具备了非常好的理论基础以及可行性，所以本文研究了一种基于三维可视化技术的矿山地质勘查新方法，以期降低矿山地质勘查难度，促进国民经济的又快又好发展。

1 矿区地质三维模型构建

构建矿区地质三维模型是矿山地质三维可视化的重要基础，此过程是根据矿山的相关资料，对于矿山资源储备、成矿规律以及矿体形态等信息进行分析，并将这些信息利用三维可视化技术在计算机中展示出来，有利于对于矿产储量以及分布规律进行分析，以便后续矿山开采工作的顺利进行，所以本文对于矿区地质三维模型构建过程进行了深入分析，具体实现步骤如下[3]。

1.1 矿山地质数据处理

在建立矿区地质三维模型过程中最难解决的问题就是如何利用一个数学模型来深刻展示矿区地质拓扑、几何形态和关键属性，为了使构建的模型可以充分反映实际情况，需要以海量的地质数据作为研究基础。由于地质信息来源广泛且类别众多，所以需要以统一的地质数据库作为基础，利用数据库中的数据与实际测量结果，获取多样化矿山地质数据，主要包括基础地理数据、实际测量数据以及样品分析数据等，并将这些数据分类存储至数据库中，以此构建地质数据库，以此实现对于矿山地质数据的统一存储和管理，为后续的矿区地质三维模型构建提供重要的数据基础[4]。

1.2 轮廓线生成

以地质数据库中的矿山地质数据为基础，通过分析岩石、矿体以及储量等具有代表性的地质条件的边界线，生成具体的矿山地质轮廓线。轮廓线生成主要是利用已有的原始地质工程数据或是钻孔数据，结合已有的地质剖面图，将所有信息导入至三维建模软件中，利用该软件的相关功能完成轮廓线提取工作，为了进一步降低此项工作的难度，提升轮廓线生成效率，需要以精准地勘探线、钻孔等信息作为研究基础，以此提升轮廓线提取与生成的精准度。

1.3 三维实体模型构建

一般情况下，矿区地质三维模型大多都是线框模型，这种模型的构建主要是以轮廓线分析结果为基础，利用轮廓线对于已有的地质剖面图进行重构，并利用重构后的地质剖面图中的矿体截面形态构建矿体表面的三维模型。该线性模型的构建过程为：将二维空间内相邻特征点利用直线进行连接，以此得到多个多边形，在此基础上将多个多边形进行组合与三维化处理，最终得到一个三维的多边形网格，以此来显示地质与开挖边界信息，这些模型可以为用户提供三维地质模型的编辑与优化功能，也能够为用户提供多个矿山地质模型空间的几何剖分方案。

本文主要是以野外测量、航测、地图数字化等方式得到的地形信息为基础，利用计算机对其进行处理后得到三维实体模型，在多边形网格中按照一定比例对第i个多边形网格进行拉伸，得出三维模型。

1.4 块体模型构建

由于上述三维实体模型只能够体现矿山地质形状，相关细节缺乏，所以需要在上述基础上构建块体模型，以便展示更多的矿岩质量信息。块体建模方法最早出现在20 世纪60 年代，而后该技术不断发展完善，一直沿用至今。块体建模主要是对矿区地质三维建模空间进行分割，获取多个三维的立方体网格，每一个立方体网格就是一个块体或是块单元，而网格的变化可以充分表达矿山地质内部变化规律，所以说不同的块体单元对应了不同的矿床位置，该块体模型如图1 所示。

图1 块体模型

为了进一步确定矿山地质内部变化规律的更多细节，所以需要对该模型进行局部细化处理，具体的细化处理方法就是对边界区域进行局部的单元细化，该过程如图2所示。

图2 块体模型的局部细化处理

将三维实体模型与块体模型进行组合处理，即可得到可以反映更多矿区地质细节信息的三维模型，以此为后续的矿山地质勘查奠定坚实的基础。

2 矿山地质三维可视化

由于计算机本身的智能化程度较低，所以只能处理数字，因此在矿山地质三维可视化过程中需要对于矿山地质三维模型进行进一步处理。在此过程中，需要定义一个空间坐标系，这个坐标系的长度单位和坐标轴的方向都要求所构建的模型相匹配，在此基础上需要对于数字化的矿山地质信息进行进一步加工处理。为了可以快速、精准地展示图像信息，所以需要搭建一个屏幕坐标系，其坐标轴的方向需要与屏幕的边缘保持平行，而其单位长度需要与图像像素具有一致性。为了使这两个坐标系可以精准地将所有的矿山地质信息在计算机中展示处理，需要对其做进一步处理。所以具体的矿山地质三维可视化步骤如下。

2.1 视点变换

视点变换这一处理过程主要是在视点坐标系中实现的。视点坐标系与一般的世界坐标系存在一定的区别，该坐标系的构建主要遵循了左手法则，主要是将左手大拇指方向当作是Z轴，在此基础上将剩余四个手指并拢，使这四个手指与大拇指垂直，将这四个手指方向作为X轴，将这四个手指弯曲90°，并将其方向作为Y轴。在此基础上对于视点变换矩阵进行初始化处理，然后利用该矩阵进行矿山地质三维模型视点变换。其过程为：将矿山地质三维模型放置于视点坐标系中，并将该模型沿着Z负轴方向移动，分析该模型的初始方向是否发生改变，若是所有视点均发生变化，则需要结合视点变换矩阵对于该模型进行视点调整，若是没有发生改变，则表示该模型视点为正确的，不需要对其进行调整。在视点变换矩阵中分别以0、1及X/Y/Z三个坐标轴数据，表示矩阵中视点的实际位置。

2.2 模型变换

在上述处理完成基础上，需要根据右手法则构建世界坐标系，在该坐标系中，可以对矿山地质三维模型进行平移、旋转、缩放处理。具体的处理过程为：根据世界坐标系各轴位置，设计与各轴方向一致的比例变换系数，结合比例变换系数对其进行矿山地质三维模型变换处理。而当矿山地质三维模型没有发生变化的情况下，该比例变换系数的取值为1。

2.3 投影变换

设置一个透视投影函数，以此实现对于矿山地质三维模型进行投影变换处理，其主要过程为：对于透视投影函数进行初始化处理，并构建该函数的一个重要组成部分——投影矩阵，视域体中的点的X坐标范围用(r,l)表示，视域体中的点的Y坐标范围用(t,b)表示，视域体中的点的Z坐标范围用(n,f)表示。

在此基础上通过确定窗口的纵横比以及眼睛睁开的角度等参数，以此完成对于投影函数参数的设置，利用调整好的投影函数对于矿山地质三维模型进行处理，以此保证该矿山地质三维模型中的实景内部部分可见，利用该过程达到了矿山地质三维模型的裁剪的重要目标，以便可以更好地展示模型的细节信息。

2.4 视口变换

视口变换可以保证矿山地质三维模型中的物体在二维视口平面上进行展示，这个过程与模型的细节部分缩放操作具有相似性，但是这一过程需要保证所有矿山地质三维模型中的细节信息不会失真，其具体处理过程为：以上述的视点变换矩阵为基础，对矿山地质三维模型中的每一个物体顶点参数进行逐步变换，当这个顶点位于视景外部的情况下，需要对其进行裁剪处理，对于位于视景内部的顶点，则主要根据比例变换系数对其进行缩放处理，然后将其映射到视口区域内，以便在计算机屏幕中显示，以0、1 及X/Y/Z三个坐标轴数据，表示缩放矩阵中的视点位置。

3 实验测试

为了验证基于三维可视化技术的矿山地质勘查方法的实际应用效果，需要进行实验测试，本文主要是以某一大型矿山进行研究对象，将三维可视化技术应用至该矿山地质勘查过程中，以检验该方法的可靠性与科学性。

具体的实验环境如表1所示。

表1 实验环境

具体的实验结果如表2所示。

分析表2可知，基于三维可视化技术的矿山地质勘查方法具有较高的测量精度以及较短的测量时间，验证了该方法的优越性。

表2 实验结果

4 结束语

到目前为止，矿产已经成为人们赖以生存的资源，也是一个国家或是地区社会经济发展的基本保障，所以在目前矿产资源消耗量与需求量不断增加的情况下，以满足社会各个行业的基本运转为目标，因此本文提出了一种新的基于三维可视化技术的矿山地质勘查方法，该方法由于应用了三维可视化技术，所以可以将该技术应用至实际中，可以有效提升矿山地质勘查工作的质量与效率，降低矿山开采的难度，促进我国矿业的进一步工发展。