（地质工程专业论文）基于tin的煤层三维建模与可视化方法研究.pdf

论文题目：基- 3 ：t i n 的煤层三维建模与可视化方法研究 专业：地质工程 硕士生：李金玲 ( 签名) 垄坌丝 指导老师：侯恩科( 签名) j 蒸：! 墅兮 摘要 三维建模与可视化是当前数字化矿山建设的重要内容，它具有形象、直观、准确、 动态、信息丰富等特点。我国很多煤矿矿床成矿构造复杂，矿体形态复杂多变，很难用 规则的几何体来描述，它需要一种灵活、简便、快速的方法来建立矿体的不规则几何模 型，1 1 n 模型正是基于这一需要提出来的。对矿体进行基于t i n 的三维建模与可视化方 法研究对促进我国煤矿企业数字化水平具有重要意义。 本文主要对煤矿区的煤层进行三维建模与可视化研究，重点讨论的内容有：建立煤 层三维模型所需要的二维数据信息的获取及存储管理方法；对三种数据模型( 面模型、 体模型和混合模型) 的优缺点进行了较为详细的分析和比较，选择基于面的t i n 模型来 构建煤层面；对生成面模型的d e l a u n y 三角网的生成算法进行了详细的描述，并提出了 处理包含断层、褶皱或煤层缺失等情况的处理方法；对于煤层体模型，本文采用煤层底 板t i n 和煤层厚度信息建立基于t i n 的五面体模型来表示三维煤层体；讨论了煤层三 维模型的可视化方法。 在以上研究的基础上，以v i s u a lc + + 语言为主要开发工具，借助数据库技术和 o p e n g l 可视化编程工具，开发了煤层三维建模与可视化实验系统，该系统的主要功能 有：多源数据灵活的管理功能；煤层底板等高线图空间信息的获取及对获取的空间 信息进行重新显示，并可以人工随意进行插值；可根据钻孔数据生成钻孔剖面图、勘 探线剖面图和钻孔柱状图；可由t i n 模型来生成煤层表面，由基于t i n 的五面体模 型来生成煤层体，并具有煤层面和煤层体的三维可视化功能；具有对煤层面和煤层体 的部分空间分析功能，如煤层面的面积、煤层体的表面积和体积计算及剖面切割等。 关键词：三维建模；数据模型；数据结构；t i n ；d e l a u n a y ：可视化 研究类型：应用基础研究 m o d e l i n ga n dv i s u a l i z i n gi nt h r e e d i m e n s i o n a lc o a lb e db a s e do nt i n s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e：l ij i n - l i n g i n s t r u c t o r ：h o ue n k e a b s t r a c t ( s i g n a t u 旧刍j i 超= 纽 ( s i g n a t 1 旧趔丝鱼丝 1 kt h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dv i s i b l ei si m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ec u r r e n td i g i 虹z e d m i n ec o n s t r u c t i o n , f o ri th a st h ec h a r a c t e ro fd i r e c tv i e w i n g , a c c u s a t i o n , t e n d e n c y , a n dt h e i n f o r m a t i o ni sr i c ha n ds oo i lb e c a u s eo ft h ec o m p l e t e do r ed e p o s i tm i n e r a l i z a t i o ns t r u c t u r e a n d b o d ys h a p e , s ot h e ya 糟v e r yd i f f i c u l td e s c r i b e db yt h er u l eg e o m e t r yb o d y , a n dn e e do n e k i n dn i m b l y , s i m p l e 。t h ef a s tm e t h o dt oe s t a b l i s ht h eo 舱b o d yt h ei r r e g u l a r g e o m e t r ym o d e l 1 1 坞nm o d e li sp r e c i s e l yb a s e do nt h i sn e e dt op r o p o s e c a r r i e so nt ot h eo r eb o d yb a s e d0 1 1 t h e 唧3 d m o d e l i n ga n dt h ev i s i b l em e t h o dr e s e a r c hh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c e t op r o m o t e s 0 1 1 1 c o u n t r yc o a l m i n ee n t e r p r i 即d i g i t i z a t i o nl e v e l t l l i sa r t i c l em a i n l yo r r r i e so nt h e3 dm o d e l i n ga n dt h ev i s i b l er e s e a r c ht ot h ec o a l m i n i n ga r e ac o a lb e d , t h ek e yd i s c u s s i o nc o n t e n ti n c l u d e s ：t h em e t h o d st og a i nt w o d i m e n s i o n a ld a t am e s s a g ea n dm e m o r ym a n a g e m e n tf o re s t a b l i s h i n gt h ec o a lb e d3 d ，t o c a r r i e do nam o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o nt ot h eg o o da n db a d p o i n t so f t h et h r e e k i n do fd a t am o d e l s ( f a c em o d e l ，b o d ym o d e la n dm i xm o d e l ) ，a n dc h o o s et oc o n s t r u c tt h e c o a ls t r a t i f i c a t i o np l a n eb a s e do nt h es u r f a c et i nm o d e l ，a n dg i v et h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o nt o t h ep r o d u c t i o na l g o r i t h mo fp r o d u c e dt h ef a c em o l dd e l a u n yt r i a n g u l a rn e t , a n ds o m e p r o c e s s i n gm e t h o da r et ob ep r o p o s e di n c l u d i n gf a u l t , f o l do rc o a lb e df l a w f o rt h ec o a lb e d b o d ym o d e l ，c o a lb e dl e d g e rw a l lt i na n dt h ec o a lb e dt h i c k n e s si n f o r m a t i o nw h i c hb a s e do n t h et 矾p e n t a h e d r o nm o d e la r eu s e di nt h i sa r t i c l et oe x p r e s s e st h e3 dc o a lb e db o d y a n d d i s e u s st h ev i s i b l em e t h o do f t h ec o a lb e d3 dm o d e l i na b o v er e s e a r c h , t a k i n gv i s u a lc + + a st h em a i nd e v e l o p m e n tk i t , w i t ht h ea i do ft h e d a t ab a n kt e c h n o l o g ya n dt h eo p e n g lv i s i b l ep r o g r a m m i n gt o o l ，t od e v e l o pt h e3 dc o a lb e d m o d e l i n ga n dt h ev i s i b l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m , n l i ss y s t e mm a i nf u n c t i o ni n c l u d e s ：m e f u n c t i o no fm u l t i p l es o u l c ed a t a ；mc o a lb e dl e d g e rw a l lc o n t o u rm a ps p a c ei n f o r m a t i o n g a i na n dc a r r i e so nt ot h eg a i ns p a t i a li n f o r m a t i o nr e x l e m o n s t r a t e dt h a t , a n dm a ya r t i f i c i a l c a r r yo nt h ei n t e r p o l a t i o na t w i l l ；m a yp r o d u c td r i l lh o l es e c t i o n a ld r a w i n g 、t h es e c t i o n a l d r a w i n ga n dt h ed r i l ll o ga c c o r d i n gt ot h ed r i l lh o l ed a t a ；廷) u s e sp r o d u c e st h ec o a l s t r a t i f i c a t i o np l a n eb yt h et i nm o d e l ，b yp r o d u c e st h ec o a lb e db o d yb a s e do nt h et i n p e n t a h e d r o n m o d e l ，a n dh a sr e a l i z e dt h ec o a ls t r a t i f i c a t i o np l a n ea n dt h ec o a lb e db o d yt h r e d i m e n s i o n a lv i s i b l e ； t h er e a l i z a t i o nt ot h ec o a lp l a n ea n dt h ec o a lb e db o d ys p a t i a la n a l y m s f u n c t i o n , l i k et h ec o a lp l a n ea r e a , t h ec o a lb e db o d ys u r f a c ea r e aa n dt h ev o l u m e t h ec o a lb e d b o d ys p a c ew i l l f u l l yc u t st h es e c t i o np l a n ea n ds o0 1 1 k e y w o r d ：t h e t h r e ed i m e n s i o n a lg e o l o # c mm o d e l i n g d a t am o d e l c o n s t r u c t i o no f d a t at i n d e l a u n a y t h es t r u c t e ro f d a t at i nm o d a lv i s i b l e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nr e s e a r c h 姿错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签磷它虢魄川，占- 7 p 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即；研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名苍包派 指导教师签名： j 、l 塾_ 套 山年月日 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 l 绪论 我国是一个采矿大国，地下矿产资源及其丰富，尤其是煤炭。煤矿床为一分布于三 维地理空间的地质实体【1 1 ，所以矿山的一切过程都与三维空间有关，从资源勘探到矿井 生产的主要图纸和技术数据都是为了确定煤矿床的正确空间位置和相应的参数。我国很 多矿山矿床成矿构造复杂，为了能够从三维角度研究地质构造与矿体的空间分布，地质 学家非常渴望能够建立三维空间地质模型，利用可视化手段再现三维地质体，以便能够 真实地重建地下各类空间对象的结构，描述各种资源的空间分布，模拟各类矿产资源在 开发过程中的各种参数变化趋势，分析地质对象现象的几何形态、相互关系以及分布。 因此进行煤矿煤层的三维建模与可视化显得尤为重要，它具有形象、直观、准确、动态、 信息丰富等特点 2 1 ，它可以有效地提高勘探信息的管理水平，大大提高劳动生产率，减 轻工作强度，有利于更准确地进行矿产资源的决策规划，减少矿产资源勘探风险，将产 生巨大的社会和经济效益。 传统的煤矿地质信息的模拟与表达主要靠二维制图及语言描述两种方法来实现，二 维制图的模拟与表达方式主要有两种【3 】：其一是用平面图和剖面图进行表达，如煤层底 板等高线图、采掘工程平面图、地质剖面图和钻孔剖面图等，其实质是将3 d 地质环境 中地层、矿体与地质现象投影到某一2 d 平面上进行表达；其二是采用透视投影或轴侧 投影原理，将3 d 地质环境中的地层、矿体及地质现象进行透视制图或投影到两个以上 的平面上进行表达，以增强3 d 视觉效果，提高人们对3 d 的理解水平。但是这种二维 地图所表示的三维现实世界的复杂物体之间有着不可逾越的鸿沟。地质学家在进行图件 制作或者地质现象的解译时，往往要借助于空间想象，即在自己的大脑中先生成一幅三 维地质体的图像，然而，这种只存在于大脑中的空间想象有很大的缺陷：首先，它只是 一种定性的、极不精确的表述，很难将各种数据结合起来进行定量的表达；其次不便于 进行交流。因此地图所固有的抽象的、平面的表达方式已经远远不能满足人们现实的需 要；另一方面，从形式上看，地图运用了一套专用的符号和文字来表示地质体，用这种 抽象的地图语言表示现实地质体，对于大多数不具备专业知识的使用者来说，是难以理 解和接受的。再者，这两种方法都存在空间信息损失与失真问题，而且制图过程繁杂， 信息更新困难等1 4 j 。 克服二维信息表达方面的缺陷的最有效的办法就是研究开发具有描述三维空间对 象能力的模拟系统，三维模拟与可视化系统正是针对传统的二维地质信息模拟与表达方 法的不足和缺陷，借助于计算机和科学计算可视化技术，利用计算机辅助管理三维地质 西安科技大学硕士学住论文 信息的采集、存储、管理、分析、制图以及建立三维地质体模型并进行相应的空间分析 来实现的，这是一种崭新的研究手段和方法，直接从3 d 空间的角度去理解和表达地质 体和地质环境【5 】，这样可以实现对三维空间地质学研究、工程决策、地质分析及其地质 特征的认识与理解都有非常重要的意义。通过这种方法可以在充分利用矿山大量原始数 据的前提下，可获得直观的地下地质体，提高矿体边界的圈定精度；定性和定量的获取 更为详尽的矿体空间展布规律，指导找矿、采矿预测，了解局部地区的地层结构，探明 矿藏位置及其分布，估计储藏量及勘探价值，生成具有高度真实感的三维模型，实现三 维煤层的逼真显示，这无疑是一项富有建设性和开创性的工作 6 1 ，越来越多的行业都在 朝着三维建模与可视化方向发展。现在三维建模理论研究与软件开发已成为国际g i s 领 域的热点，深入研究地质体三维建模与可视化技术就显得特别重要，把三维建模与可视 化技术用在煤层体方面无疑是一项富有建设性和开创性的工作，很有研究和开发的价值 【”。本文就是在现有的三维建模与可视化理论技术的基础上，有针对性的对煤层体三维 建模与可视化进行了研究，借助于计算机强大的计算和可视化技术，开发出了基于t i n 的煤层三维建模与可视化实验系统，利用本文所开发的实验系统可以实现地下煤层的三 维模型的建立和显示，生成具有高度真实感的三维煤层体模型，使人们可以直接从3 d 的角度去观视、去理解、去分析地下煤层体和煤层体的地质环境，这样可以帮助决策者 对煤层体信息做出正确的评估和决策。 1 2 研究现状 煤矿是一传统产业，在计算机技术引进煤矿生产之前，对所有煤矿空间信息( 如煤 层顶底板岩层、断层、煤层露头、煤层各种测量数据等) 的管理、分析和研究完全是人 工完成的【l 】。自8 0 年代初以来，随着计算机，特别是微型计算机的出现和成熟，煤炭部 提出了建设现代化矿井的战略决策，投入大量的人力、物力在很多方面开展了计算机的 应用研究及开发工作。在图形处理方面，开始大多借助于a u t o c a d 的开发和编辑环境， 它是一个计算机辅助设计系统，由于a u t o c a d 在数据库文件结构、空间信息操作、界 面设计方面与空间信息系统有很大的区别，无法满足矿山的情况，同时，无法建立拓扑 关系。随后又借助于m a p g i s ，它在管理煤矿空间信息方面和二维图件方面有很大的优 势，但对于复杂的三维可视化方面存在不足。近年来，国内外学者已在煤矿系统方面作 了一些有益的尝试，提出了一些模型和算法，为我们的研究开阔了思路闱。 三维模拟系统( 3 dm o d e l i n gs y s t e m ，简称3 d m s ) 就是在这些研究思路的基础上， 随着计算机科学、现代数学和计算图形学的发展而发展起来的。地质对象形状极为复杂， 变化多样，多分支、不连续、各向异性，这种复杂关系既有空间结构方面的，也有属性 量变方面的。目前复杂地质体三维模拟面临三大困难1 9 】：一是三维空间数据获取的艰难 性，三维复杂地质对象建模与可视化主要依赖于原始输入数据，然而，稀疏不充足采样 2 1 绪论 数据使模型的建立十分困难；二是地质体空间关系的复杂性，增加了数据结构、拓扑关 系以及相应算法的复杂程度，至今仍然缺乏成熟的解决方案；三是空间分析能力的局限 性，地质现象中存在的复杂性、不连续性及不确定性等客观因素以及三维建模的应用目 的的各异性等主观因素，使三维模型的建立缺乏统一而完备的理论技术【1 0 】【1 1 1 1 1 2 1 。综上 所述，三维建模研究的重点在于设计耦合多源地质数据的技术方法，使所有有效数据成 为实体建模系统可利用的、可靠的信息；实现能够准确反映地质体空间分布及特征的模 型表示方法；进行数据库、图形库、三维动态模拟的系统集成1 9 】。 国外三维建模与可视化发展较快，以美国、加拿大、澳大利亚、英国为代表的西方 主要国家推出多种代表性的建模与可视化软件。比如加拿大阿波罗科技集团t r d r k h a m g e o s y s t e m s ) 公司推出的m i c r o l y n x ：加拿大g e m c o ms o f t w a r ei n t e r n a t i o n a li n e 公司开发 的g e m c o m ；m a p t e k 公司的v u l c a n ：美国s u r p a c 公司的s u r p a c ；m i c r o m i n e 公司的 m i c r o m i n e 等等。在国内，近年来国家自然科学基金委员会大力支持地学可视化研究， 先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研究”、“油储地球物理理论与三维地质 图像成图方法”、“地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”等项目，软件方面有中 国地大的g c o e w ；中国矿大的g e o m 0 3 d ：北京理正设计研究所的理正地质软件；北 京龙软开发的地测空间管理信息系统软俐”】。 纵观国内外三维建模与可视化软件的研究与开发现状，它们为地质三维建模与可视 化打下了很好的技术基础，提供了很宝贵的开发经验。国外软件虽功能强大，但汉化产 品较少，操作使用复杂，要求使用者有较高的专业知识，并且价格昂贵，特别是我国和 国外的地质状况有很大的不同f l 】，煤在西方发达国家以露天煤矿为主，且基本没有断层 等突变因素的影响，软件的设计也很少考虑到这些复杂的情况，所以这些软件不太适合 于我国复杂的地质情况，不易直接引进使用。国内3 d 与可视化软件较少，而且大多不 是基于真3 d 的。因此开发出适合我国复杂地质状况的融合数据管理、三维信息可视化、 交互操作和空问分析为一体的三维建模与可视化软件将是十分必要的。 目前针对地质体三维建模与可视化方面，软件与开发仍然处于探索与实验阶段，还 有许多问题需要解决，关键的问题就是对三维数据模型的研究。目前，由于三维数据模 型理论和技术尚不成熟，国内外的学者对三维数据模型的研究远没有达成共识，这已经 成为影响和制约三维研究工作深入发展与应用的重要问题【1 4 】。有关三维数据模型方面， 在分析了国内外大量研究文献的基础上，归纳起来目前主要有三类：基于面的数据模型、 基于体的数据模型、混合数据模型。基于面模型的方法其建模简单、便于显示和更新等 优点，它侧重于3 d 空间实体的表面表示；基于体的数据模型侧重于3 d 空间的体元分 割和真3 d 实体表达，这种方法表达的是真三维模型，但其存储空间大、计算速度慢， 特别是三维表达较为复杂，三维拓扑关系难以建立等条件制约。混合数据模型是综合面 模型和体模型的优点，取长补短，把这两种模型加以混合利用来构建体模型。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 研究的主要内容 总结前人在三维建模与可视化方面所做的大量工作的基础上，结合自己的学科专业 知识及本文的研究目标，重点从三个方面对煤层体的三维建模与可视化进行了研究：( 1 ) 从钻孔信息、等高线图和剖面图中获取数据，并对这些数据进行数据预处理，形成建网 用的离散点数据。( 2 ) 采用t i n 三角网对分好区的离散数据点进行构网，形成煤层面模 型，并利用煤层面的t i n 网和煤层厚度信息，建立基于t i n 的五面体模型来近似地表 达煤层体模型。还可以利用煤层体的顶、底面t i n 网的上下缝合来近似表达煤层体模型。 ( 3 ) 采用o p e n g l 对所构建的煤层体模型型进行三维图形生成和显示。 概括起来，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 划分三种主要数据源( 实测钻孔数据、煤层等高线图数据和剖面图数据) 来 形成离散点数据，并设计管理这些数据的数据库。 ( 2 ) 详细描述从煤层底板等高线图上进行数据获取方法的具体方法，并开发屏幕 再现获取点和进行人工随意插值功能。 ( 3 ) 利用实测钻孔数据来实现生成钻孔剖面图、勘探线剖面图、钻孔柱状图等功 能，还设计开发绘制平面图功能。 ( 4 ) 研究包含复杂地质突变信息( 如断层、褶皱等) 的处理方法，并详细地介绍 不规则三角网( t i n ) 的生成算法。 ( 5 ) 提出两种建立煤层体的方法，其一是：根据建立的煤层面1 1 n 模型和煤层厚 度信息，利用基于t i n 的五面体模型来近似的表达煤层体模型；其二是根据煤层体底面 离散点信息和煤层厚度信息，分别建立煤层体的顶、底面t i n 网，再把煤层体的顶、底 面t i n 网上下缝合起来构成煤层体模型。 ( 6 ) 利用可视化工具o p e n g l 来完成煤层体的三维显示功能，实现三维建模、旋 转、平移、缩放等功能，可以从不同角度、不同方向对模型进行观测，并实现简单的空 问分析( 如表面积、投影面积、体积、任意剖面剖切等) 。 ( 7 ) 在理论研究的基础上，开发出一个煤层三维建模与可视化实验系统，并对此 实验系统进行测试。 4 2 数据信息的获取与存储管理 2 数据信息的获取与存储管理 以前国内外的三维建模软件产品大多采用钻孔岩芯数据建模【l 习，就是在一个开采区 内打很多的钻孔，然后根据钻孔的数据信息和地质工程师的经验对采区地层进行划分， 形成合理的层面，确定地层的空间分布，建立地质体的网格模型，然后通过对数据的插 值和对地层进行拟合得到地层的三维描述，从而实现地层的三维地质模拟。断层的数据 也是通过钻孔得到的，通过对钻孔数据的分析确定断层的性质、走向、倾角、落差等一 系列断层要点，从而构建断层模型，这就需要在区域内打很多的钻孔，这样以来就需要 耗费大量的人力、物力、财力，但是由于国内的条件还不成熟，不可能在一个区内打大 量的钻孔，甚至有的区内连钻孔都没有，所以这种方法在理论上是可行的，但对我国的 很多地区而言是行不通的。如此以来，单单依靠打钻孔己无法满足三维建模的数据方面 的需要，并且为了更方便、更准确的把三维模型建立起来，这就需要寻求其它数据源， 寻找数据获取的其他方法，从而来弥补单一的依赖钻孔数据建模的不足。 在构造三维地质模型的过程中，地质信息数据的获取来源主要有两种方式【1 6 】：第一 种方式是直接将原始资料数据录入；第二种方式是图件数据提取。第二种方式的图件虽 是由第一种方式下的原始数据生成的，但它是在我国地质工作者与专家的参与下完成 的，当中加入了很多与实际相吻合的信息来生成的，图上包含了丰富的复杂地质信息， 这对建立复杂三维模型来说具有极大的优点，因此，这种方法被广泛的采用。 2 1 数据来源 每种数据都有自己的特色，但同时又存在着各自的局限性。使用时要根据建模的要 求和具体情况加以综合利用，要向综合化、集成化方向发展。本文中用到的数据有三种： 实测数据、煤层等高线图纸扫描矢量化数据、剖面图数据。对这部分数据的采集与存储 管理在整个实验系统建模与可视化中占有很大的工作量，它们对模型建立与可视化起着 举足轻重的作用，是建模的基础。如果数据采集满足精度要求，由此所建立的模型就比 较与地质体的实际形态相符，如果数据精度不高，那么由这些数据所建立的模型就会与 地质体的实际形态有很大的偏差，就会影响模型效果，得不出正确的煤层体模型，近而 又影响模型的空间分析，所以说数据是模型建立的关键。 2 1 1 实测数据 实测数据就是实际测量到的数据，也叫基础数据，这种数据精确度非常高。实测基 础地质数据包含的种类很多，如钻孔数据、探井数据等。煤矿的生产是一个动态的过程， 在生产中还会揭露大量的实测资料，用基础地质数据库来存储管理实测数据可以实现动 5 西安科技大学硕士学位论文 态修改和更新，保证数据的实时性，这些资料对模型的建立起到了不可忽视的作用。实 测基础地质数据中最重要的还是钻孔数据，钻孔数据是地质矿产勘查和开采中形成的一 种重要的基础地质数据，它记录了大量地质实体单元的原始信息，其获取成本相当高。 基础地质数据库是建模与可视化系统运行的基础，建模所需要的所有原始数据几乎均来 源于该基础数据库。 2 1 2 煤层等高线图数据 从图纸上获取数据是目前应用最广泛的一种方法，这是因为采用这种方法所需的原 始数据源( 图纸) 容易获取，对采集作业所需的一切设备和作业人员的要求不太高，采 集数据也比较快，易于进行大批量作业，对于测绘部门，还可以利用分版图，分版采集 各类要素，提高作业效率。从地图上获取数据的方法通常有两种：手扶跟踪方法和地图 扫描矢量化方法。 手扶跟踪方法：工作底图为图纸或聚脂薄膜图。利用手扶跟踪数字化器在图上沿等 高线，按等时间间隔或等距离间隔的数据流模式记录平面坐标( x ，y ) ，或由人工按键控 制平面坐标的记录，并赋予属性编码( z 或d ) ，其作业流程如图2 1 所示： 广l 广1 广 广 i 地图扫描f 2 刽地图数字化f = 2 刽地图数字化数据预处理( 误差校正) f 2 刮地图数据存储i i j i _ ji _ ji - - - - - - - - - - - - - - - j 图2 1 手扶跟踪扫瞄工作流程图 地图扫描矢量化方法：随着高性能计算机的发展、扫描技术的成熟以及数字图像处 理技术的不断发展和应用，利用地图扫描后的数字图像进行数据获取的技术已基本成 熟，相应的软件也不断涌现。目前它已逐渐取代传统的手扶跟踪数字化方式成为数据采 集的主导方法，它的工作底图为纸质图或聚脂薄膜图，利用扫描仪分辨率进行图形数据 扫描得到栅格数据，然后用栅格数据矢量化软件( 如a r c s c a n 、g e o s c a n 等) 进行矢量化 跟踪、编辑处理后，获得图幅矢量化数据i l ”。 一般情况下，利用数字化仪对图纸的数字化和简单的处理，就可以得到图纸数据。 本文要用到的图纸主要是煤层底板等高线图，对它进行处理之后就可以得到煤层底板等 高线图上的离散点空间信息。等高线图是描述地层形态的重要形式，是地质人员对地下 情况认识的一种重要表达方式，等高线图是建立三维模型的一种重要的依据。我国地质 工作者已经进行了大量的工作，对矿区的煤层底板等高线图进行了大范围的绘制，每个 矿区都有详细的煤层底板等高线图和文字资料，它在煤矿的总体规划等多方面起着非常 重要的作用。基于等高线图纸的采样数据不仅能保证一定的几何精度，还包含有丰富的 几何形态特征。等高线图的断层线描述了煤层被断裂的空间展布，每个断层线是一个点 序列，可以通过建立断层线表来记录断层迹线信息。对煤层底板等高线图上的点采样取 值，我们借助于a u t o c a d 进行【i5 。，利用a u t o c a d 中的数字矢量化功能对等高线图进 6 2 数据信息的获取与存储管理 行结点信息的获取。然后可以利用v i s u a lc + + 编程工具编写程序具体实现采样点数据的 存储管理、采样点图形显示以及采样点插值处理功能，并且插值点信息会保存到采样点 数据文件中，实现图形和数据库交互访问、修改等功能。煤层等高线图形信息与数据库 信息的交换管理界面如下图2 2 所示： 图2 2 等高线图信息与数据库信息交换对话框 在图2 2 对话框中有三个功能按钮：分别为访问数据库、打开图形和显示采样点信 息，它们分别控制不同的模块。“访问数据库”可实现创建一个采样点文件，根据不同 需要，这个文件可由a c c e s s 数据库文件来实现，也可由自定义文件来实现，它们的数 据结构如下表2 1 ，这个文件主要用来存储从等高线图上进行扫瞄矢量化后获得的结点 信息。 表2 1 等高线结点信息表 在图2 2 中如果选择“打开图形”按钮，程序会自动实现了与a u t o c a d 的链接， 即在本实验系统窗口内打开a u t o c a d ，就像把a u t o c a d 作为本实验系统的一个组件或 一个内嵌模块一样，可以随意的打开调用和关闭它，可以像单独打开a u t o c a d 一样来 使用a u t o c a d 的各项种功能。在v c + + 中，如果要实现上面所说的那样使用a u t o c a d ， 就需要在v c + + 中实现调用其他应用程序的功能，由下面的这个函数来实现【l 柳： s h e l l e x e c u t e ( t h i s - mh w n d , ”o p e n , w m p l a y e r e x e ”, n u l l , n u l l s w _ s h o w ) ，它的第一 个参数是要打开调用程序的窗口指针，第二个参数是打开调用程序，第三个参数是要调 用的程序执行文件名，第四、五个参数是回参，第六个参数是显示调用程序窗口，紧接 着就可以在当前打开的a u t o c a d 中打开等高线图并对它进行矢量化结点取值。 在图2 2 中如果选择“显示”按钮，就可可以把刚才扫描矢量化等高线图所获取的 结点信息以图形形式显示出来，如下图2 - 3 ，在采样点图形显示界面上还可以进行人工 插值处理，插值点的空间信息也会存入当前结点信息文件中。 7 西安科技大学硕士学位论文 图2 3 显示等高线数据点界面 使用煤层底板等高线图来获取空间数据信息，而不是直接使用地震、测井等其它数 据，这就大大减轻了数据采集过程的工作量，简化了复杂程度，但并不影响建模质量， 这是因为煤层底板等高线图本来就是地质专家们在原始测井等数据的基础上综合了专 家经验知识后得到的结果。 2 1 3 剖面图数据 对于剖面图而言，本文中用到的是由已知钻孔数据生成的地质剖面图。地质剖面图 反映了在剖面上地层、断层的展布。剖面图上包含以下信息：剖面的定位信息和剖面上 的地层线( 包括地表) 与断层界线信息。为了能够确定剖面上每个点在三维空间的实际 位置和深度，需要知道剖面在水平面上投影线以及剖面图所使用的坐标系。通常，剖面 线是一条直线或折线，剖面图的原点在投影线的起点，剖面图的x 轴表示沿着投影线的 距离，y 轴表示高程或者深度。剖面上的地层界线或者断层线由名称和点串组成，根据 地层构造的复杂程度，可以从剖面图上随意选取任何离散点，此点的x 、y 坐标值可以 由左右钻孔的坐标值来计算获得，z 值可以直接获得。它保存到剖面图采样点表中，剖 面图采样点表结构如下表2 2 所示。 表2 2 翻面图获取点信息结构表 8 2 数据信息的获取与存储管理 2 2 数据存储管理 2 2 1 数据存储管理方法 数据存储管理目前主要有三种方法： ( 1 ) 文件管理方案：就是将数据存放于一个或多个文件中。采用文件管理方案的 优点是灵活，各种用户厂商可以任意定义自己的文件格式来管理各种数据，并且在存储 非结构化的、不定长记录项时是有帮助的。文件管理的缺点就是不利于实现数据的查询 和共享。目前，在很多地方都采用文本文件进行数据存储，其目的是实现数据的转入和 转出，实现与其他应用系统的数据交换，因为很多软件都支持文本文件转换功能。 ( 2 ) 数据库管理方案：采用这种管理方案，可以认为一个对象对应于数据表中的 一个记录，这样带来的最直接的好处是避免了对“连接关系”的设置。目前，数据库无 论是其理论上还是工具上都已经比较成熟，它们提供了一致的访问接口( s q l ) 以操作 分布的海量数据，并且支持用户并发访问、安全性控制和一致性检查，数据库存储管理 功能极强，所有字段全由用户自己定义，很容易进行数据的增、删、改及查询等操作。 此外，通用的访问接口也便于实现数据共享，目前这种管理方案被广泛的用于各个领域。 ( 3 ) 文件结合数据库管理方案：这是目前大多数g i s 软件采用的数据管理方案。 考虑到三维空间数据是非结构化的、不定长的，这就可以利用文件存储空间数据，而借 助于数据库管理属性数据，每条记录都有一个确定的统一的标识码，它们之间可以通过 这个唯一的标识码来建立连接，从而来确定它们之间的一一对应关系，这种管理方案的 优点是对不同的数据根据其特点可以分别选择其合适的管理方式，便于数据的管理和使 用，其缺点是使查询和各种运算的速度减慢。 本实验系统采用的是第三种管理方法，对于基础数据采用数据库来管理，因为随着 煤矿生产过程的推进，煤矿地质资料的积累也会逐步丰富。随着采集的数据越来越多， 采用文件方式来管理数据难以满足煤矿现代化生产与技术管理的需要，尤其是为了准确 预防和快速处理矿井重大灾害事故，及时提供采矿设计和经营决策的基础数据和数据查 询，因此，就有必要利用计算机数据库的强大功能技术来实现煤矿地质数据的自动化存 储管理、地质专业各种基础图件的自动生成以及对井下突发事件的快速、准确地进行分 析与决策。而对于等高线图数据、剖面图数据或其它有用的数据可以根据实际情况任意 设定文件来管理。 2 2 2 数据存储模型 目前，数据库领域中常用的数据模型有4 种，它们分别为层次模型、网状模型、关 系模型和面向对象模型。网状模型和层次模型属于第一代数据库，而关系模型和面向对 9 西安科技大学硕士学位论文 象模型则属于第二代数据库，在数据库产品中占主导地位的数据模型是关系模型。关系 数据库系统采用关系模型作为数据的存储方式，在关系模型中，实体以及实体间的联系 都是用关系来表示的，在一个给定的现实世界领域中，所有的实体及实体之间联系关系 的集合构成了一个关系数据库。面向对象模型提供了对于各种数据的一致访问接口以及 部分空阃模型服务，不仅实现了数据共享，而且空阋模型服务也可以共享，不过，目前 面向对象模型远未成熟，许多技术问题仍需要进步研究解决，所以目前很少被使用f 1 9 1 。 目前煤矿所采用的数据库大多是关系型数据库，其作用主要表现在四个方面：其一 是满足用户录入、查询、修改、统计分析及编制报表的需要：其二要为专业制图系统准 备必要的基础数据，以完成煤矿常用基础图件的计算机绘制；其三是可以实现信息的永 久保存和共享；其四是对现有资料的深层次利用，这样以来即可以提高资料利用的深度 和广度，通过改进现有方法与手段，开发新的方法和手段，提高资料自身的利用水平， 挖掘其潜在的信息资源，又可以综合利用，将多源信息组合、叠加以获取薪的信息。 根据煤层体只能靠离散点控制的特点，由于地质数据控制点较少，推断点较多，而 且随着生产的进行，精确的控制点不断增加，应建立一种动态的图形绘制方法。建立动 态的数据库技术，利用数据库技术动态管理图形控制点。自动从数据库中读取数据构建 模型，建立数据库与图形的有效连接，使图形能根据数据库数据的变化更新而自动更新 的功能。 本文开发的实验系统使用的数据库是a c c e s s 关系模型数据库，数据库的接口用 o d b c 技术来实现，通过o d b c 接口编程人员可以方便有效地管理与操纵数据库。建 立数据库的连接管理的步骤如下1 2 0 ：( 1 ) 建立新的数据库，这个功能由函数 s q l c o n l i g d a t a s o u r c e 0 来实现。( 2 ) 数据库源建好之后可以由e x e e u t e s q l ( c r e a t e t a b l e ，) 来创建具体的数据表，使用o p e n e x 0 来打开数据库。首先设计一个数据接口 基类( c d a t a b a s e 类) ，在该类中定义了一些虚函数作为接口规范，还定义了一些其他类 来管理数据库中的具体数据记录。针对每个具体的数据库，可以从数据库接1 2 1 基类中派 生一个具体的数据库访问接口类【1 9 1 ，具体实现每种数据的访问功能，系统中各个子系统 在访问基础数据库时，都通过基础接口类来访问数据库。( 3 ) 对数据表的各项查询操作由 s q l 来实现。( 4 ) 对数据库操作完之后，不使用时应该关闭，以免误操作数据库，关闭 数据库用函数c l o s e 0 来实现。 1 0 3 基于1 1 【n 的煤层三维建模与可视化方法研究 3 基于t i n 的煤层三维建模与可视化方法研究 所谓的建模就是对一个现实世界的特定对象，根据对象的内在规律，在分析一些必 要的、合理的简化假设后，运用适当的数学工具得到一个数学结构来表达实际问题的相 互关系。建模的过程一般分为：( 1 ) 问题的分析：设法用数学的语言来表达实际现象；( 2 ) 合理的简化与假设：实际问题往往比较复杂，无从下手，要对它简化，抓住主要因素， 舍弃次要因素，并用精确的语言做出假设；( 3 ) 建立模型：根据假设分析相关变量之间的 关系，寻求等量、不等量关系、或其它关系建立模型；( 4 ) 求解模型；( 5 ) 模型分析、检 验、修改。所谓的三维建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、 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三维空 间。 在地学领域，应用3 d 建模技术和空间可视化技术对目标地质体进行三维显示及各 种操作已经成为地学发展的趋势和必然，许多专家学者在此领域做了有益的探索。目前 三维建模及可视化技术成了地学发展的重要方面，也是地质结构和地质属性分析的一种 重要方法和途径，对于政府部门宏观把握地球资源和协调资源的可持续发展，以及产业 部门系统评价和预测各种固体矿产、能源矿产也是一种非常直观和有效的工具。因此， 如何利用三维建模和可视化来表征地质模型是地学各学科的当务之急。对煤层的三维建 模与可视化的研究可以实现矿区煤层的三维实体形态，人们可以更加深刻地了解实际矿 业工作环境，对煤矿安全生产、矿井优化设计和计算结果的可视化具有重要意义。 3 1 数据模型及数据结构 目前三维建模与可视化需要解决的问题有很多，主要表现在三维空间数据模型和数 据结构、三维数据获取方