2.2　地矿工程三维可视化

2.2.1　三维地理信息系统

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统[50，51]，是一门集地球科学、空间科学、环境科学、地理学、信息学和自动制图技术等最新成就的新兴边缘学科[52-56]。目前，著名的地理信息系统有SGI公司的Inventor和Performer、Paradiam公司的Vaga、ERDAS公司的Image Virtual GIS、MapInfo公司的桌面地图信息系统、ESRI公司的ArcGIS软件，国内有超图公司的SuperMap系统、中地数码集团的MAPGIS软件等。在此之上，国内外许多公司都研制了许多组件式地理信息系统平台，大多都具备了三维真实感地形生成的功能模块[57，58]。

但由于GIS是从早期计算机地图的绘制直接演进而来，决定了其系统多采用二维数据描述空间对象，导致了它在描述三维空间信息上的不足，限制了其系统在三维空间上的应用。而三维地理信息系统则是指在平面地理信息系统之上，融入相应的三维空间属性的地理信息系统，具有对空间数据进行获取、建模、组织、存储、管理、操作、分析和表现的功能，但由于三维空间数据描述的复杂性，使得大多数与三维GIS有关的研究成果都还立足于特定的有限领域，而且都还是分散的、不全面的。当前，三维GIS的应用功能还主要局限于三维可视化与逼真的视觉表达方面，而重要的三维分析和操作功能还很有限[59，60]。

三维地理信息系统是指能对空间地理现象进行真三维描述和分析的GIS系统。其研究对象是通过空间X、Y、Z轴进行定义，每一组（x，y，z）值表示一个空间位置，而不是二维GIS中的每一组（x，y）值表示一个空间位置。可以认为，二维GIS是三维GIS在空间上的简化，三维GIS是二维GIS在空间上的延伸。三维GIS的要求与二维GIS相似，但在数据采集、数据模型、空间操作及分析算法、系统维护、界面设计等诸多方面要比二维GIS复杂得多。从二维GIS到三维GIS，尽管只增加了一个空间维数，但它可以包容几乎所有的空间信息，突破常规二维表达的约束，为更好地观测和理解现实世界提供了多种选择[61，62]。其独特点体现在以下几个方面。

1）通过三维坐标定义空间对象。

2）借助专门的三维可视化理论、算法来表达三维的空间对象。

3）空间信息的数据库管理、空间分析的功能。

4）多数据源采集与集成的功能。

目前，三维可视化软件主要集中在两个方面：一是三维地形与三维城市可视化软件；二是三维地学模拟软件。

（1）三维地形与城市可视化软件。该方面已经有了比较成熟的研究成果。在国外比较典型的有ESRI公司的AreView 3D Analyst系统、MultiGen公司的Site Build 3D系统、GEONOVA公司的DILAS系统、ERDAS公司的IMAGING Virtual GIS软件、瑞士ETH Zurich大学开发的Cyber-City GIS软件等。在国内有适普软件公司的三维可视软件IMAGIS、吉奥信息工程技术有限公司研制的数码城市地理信息系统、北京灵图软件技术有限公司开发的三维地理信息系统软件系列产品等。

（2）三维地学模拟软件。在该方面，国内外的大学、公司和研究机构结合地质勘探与矿山开采需要开发一些具有三维地质建模与可视化功能的软件系统，比较有影响的有加拿大Kirkham Geosystems公司的MicroLYNX+、美国CTech开发公司的EVS、法国Nancy大学的GoCAD、Geo Visual System Limited的GeoCard、GeoQuest公司的地质模型可视化软件Framework3D、Property3D和FioGridSAND以及澳大利亚的MicroMine软件、美国地质调查局的Modflow建模软件、澳大利亚Encom公司的ModelVision、澳大利亚Maptek公司的Vulcan、中国地质大学的GeoView、中国矿业大学的GeoMo3D、北京理正设计研究所理正地质软件、东方泰坦科技有限公司研制的TitanT3M三维建模软件等。但大多数软件由于仅仅在二维空间信息的基础上，直接、简单地加入了三维信息，很难进行真三维数据的表达，并难以实现基于三维信息的分析功能。

在对以往文献的分析中，不难发现在交通、水利、电力、航空、地测和城市规划等方面，GIS已经有了较好的应用并收到了良好的效果，其众多的商业化软件和平台表明这门技术已日趋成熟，但基于三维表达方式的地理信息系统却方兴未艾。

2.2.2　地表地形三维可视化

三维真实感地表地形的仿真技术是一个在遥感技术、数字摄影测量技术、三维图形绘制技术、计算机仿真与虚拟现实技术等基础上发展起来的新生事物和边缘科学技术，其研究工作主要围绕数字地形模型、三维真实感地形生成、基于网络的三维地形生成等3个领域展开。

（1）数字地形模型。对于数字地形模型[63，64]的研究，前期主要是对模型插值和采样算法的探讨，如Schut提出的移动曲面拟合法，Arthur、Hardy提出的函数内插法，Kraus和Mikhail提出的最小二乘法内插法及Ebner等提出的有限元内插法，Makarovic提出的渐近采样及混合采样等；后期主要着眼于数字地形系统展开研究，主要包括数字地形模型的精度、分类、数据采集模式、粗差探测、质量控制、数据压缩和实际应用等方面。目前，国际上比较著名的数字地形模型软件包有德国Stuttgart大学研制的SCOP程序、Munich大学研制的HIFI程序、Hannover大学研制的TASH程序、奥地利Vienna工业大学研制的SORA程序及瑞士Zurich工业大学研制的CIP程序。这些程序都拥有广泛的应用模块，如等值线图、立体透视图、坡度图及土方的计算等。

（2）三维真实感地形生成。对于三维真实感地形的生成，主要利用计算机的实时绘制技术将地形模型在计算机屏幕上逼真地显示。目前，主要包括两个方面：一是对三维图形软件标准库的研究为主，如OpenGL、Direct3D等[65，66]；二是对绘制算法的研究，目前以体视化为理论基础的绘制方法成为近年三维真实感图形生成领域研究的热点[67，68]。

（3）基于网络的三维地形生成。基于网络三维地形仿真技术是三维真实感地形可视化研究的另一主要研究领域，是在网络上实现三维地形的多角度、多层次、实时的生成、显示、分析和漫游，从而使用户沉浸在虚拟地形环境中。由于受到网络传输速度、图形技术和虚拟现实技术等因素的限制，基于网络的三维地形仿真技术尚处于一个刚发展起来的全新阶段[69-71]。

2.2.3　地质体三维可视化

随着计算机技术的飞速发展和计算机图形学理论的日渐完善，对于三维地质体的研究已成为当前数学地质、采矿工程、石油勘探、岩土工程与科学计算可视化领域的研究与应用热点之一。这里所谈的地质体主要包括断层、褶皱、节理等复杂地质构造，其三维建模和可视化这一概念最早是由加拿大Simon W.Houlding提出的，其目的是满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计的需要。

随着计算机运算速度的提高和网络技术的发展，所开发的系统运行环境已从原来基于UNIX操作系统和工作站环境发展到Windows操作系统和微机环境，并出现了一批基于Windows NT环境和支持网络共享的系统。例如，N.M.Sirakov等开发的三维地下目标重构与可视化系统，Alan Witten利用Matlab开发了一个用于地质数据显示的三维浏览器，美国阿拉巴马州大学信息技术和系统中心[72]基于XML语言开发了一种地球科学标识语言ESML，为地球科学家提供了一种更便捷的数据分析和可视化工具。还有，Masahiro Takatsuka等提出了一种可视化的编程环境GeoVISTA Studio，R.Marschallinger利用IDL开发了地质数据三维重构和可视化程序等。

在国内，中国科学院武汉岩土力学研究所开发了三维地层信息系统，建立了数字化地图，采用DEM建立了三维层状地层模型，并采用柱体构模方法建立了基于三棱柱体体元的层状地层模型[73-75]；北京航空航天大学提出由缝合相邻地层层面、相邻断线分别形成的地质体边界面和断层三角形环状曲面以及顶地层三角网格层面，共同围成三维地质立体模型[76]；四川大学采用三维拟合的方法实现岩体结构及结构面的三维可视化[77，78]；中国矿业大学提出了一种GTP体元模型，是专门针对实际地质钻孔出现偏斜而提出的一种可以不受三棱柱棱边平行限制的体元构模方法，把地质构造三维可视化模型的典型方法概括为三维规则网格法、不规则三角网（Triangulated Irregular Networks，TIN）表面法、四面体法及综合法，并针对地质构造模型中断层处理的特殊性，提出了基于TIN表面法和局部法两种处理技术[79-81]；武汉大学采用了相邻钻孔分层数据构成不规则五面体模型的方法[82]。

事实上，国内外在地质体三维可视化方面的研究十分广泛，主要集中在三维地质模型的数据模型研究、可视化处理研究、三维拓扑关系研究等方面。三维地质模型的数据模型是研究三维地质模型可视化的基础和核心，虽然许多专家在这方面己经进行了大量的研究，但其理论与技术还不成熟，仍然需要在实践中不断地探索。

2.2.4　矿体三维可视化

矿体是地矿工程所面向的主要对象之一，是一类特殊的地质体。采矿技术人员对它的关注并不仅仅停留在一般地质体的空间属性，还需了解其内部的化学成分、物理性质以及矿岩属性等情况。根据所关心矿体的侧重点不同，矿体仿真模型可分为数字化模型、几何模型和体矿化模型等3类。

（1）数字化模型。包括块段模型[83-86]、网格模型[87，88]和断面模型[89，90]等，之所以称其为数字化模型，是因为研究这些模型的出发点在于使其作为载体，用于地质统计方法的品位估值，因而也称为地质统计学模型。

（2）几何模型。包括线框模型[91-93]、表面模型[94，95]和实体模型[96，97]等，人们采用计算机几何造型技术构造矿体模型，从而解决数字化模型难以表示矿体的空间形状问题。

（3）体矿化模型。李翠平[98]提出的一种基于体视化理论的实体模型，通过混合几何模型和数字模型来实现矿体空间几何形态的描述和矿体品位、储量的估值。

矿体三维仿真是指基于各种矿化模型，通过计算机的三维图形绘制技术，实现对矿体及其内部属性的直观表现，从而指导矿山企业生产的进行。

2.2.5　井巷工程三维可视化

井巷工程可视化仿真主要是指巷道空间位置工程、相互关系及分布情况等的三维仿真，主要的研究方向可以分为以CAD技术为核心的仿真技术和以虚拟现实技术为核心的仿真技术[99]。

采矿工程CAD技术的发展较早，几乎与计算机图形处理技术同步发展，早在20世纪80年代初，就出现了一些功能比较齐全的采矿CAD系统，如D.Hartly[100]等研制的地下采矿设计软件，建立了采矿工程图形库，根据需要组合这些图形完成设计工作，并给出设计结果的立体图和投影图。澳大利亚MINCOM公司开发的Minescape[101]，是一个基于三维CAD的采矿辅助设计软件系统，它提供了地质钻孔信息处理、地质模型建立、新旧矿井设计、现场设计与管理、生产进度计划模拟，支持采矿设计与生产管理。但该软件是基于UNIX系统，它的应用在我国受到一定的限制。法国的ENSG公司开发的GOCAD系统[102]，可建立由点数据组成的图形数据库，由这些数据可生成复杂地质特征（如断层、褶皱）的三维立体模型，并完成储量计算、作业计划、开拓布置等功能。从历届APCOM会议资料报道来看，国外研制和开发了10多个关于地质储量计算和矿床开采辅助设计方面的商品化软件[103]，如MINEX3D、Surpac、Mintec、Geostat System等。

我国CAD研究时间上较为滞后，尤其是地下矿的研究应用较少。从20世纪80年代中期开始，我国在地质、测量、采矿等各专业方面开发了一些以解决具体专业问题为主的CAD软件，并投入了实际应用。许德明[104]等专门针对无底柱分段崩落法进行了计算机辅助设计系统的研制，该系统主要由3部分组成：一是地测图件处理；二是阶段平面开拓设计；三是矿块结构与回采设计。汪家琪等[105]针对煤矿生产建设的需要研制了井巷三维立体图自动绘制系统。鞍山冶金设计研究院的陈光富[106]用Quick Basic语言编制了井巷工程透视投影图软件，包括原始数据输入、三维模型建立和消隐三部分。许新启等[107]结合AutoCAD 2000，采用其嵌入的Visual Basic进行二次开发，形成矿山井巷工程绘图软件。邢玉忠[108]基于AutoCAD进行了矿井通风系统立体图软件的开发，该软件绘出的立体图具有立体感强、绘图速度快、易于修改等特点，其绘图所用数据皆来自于巷道原始参数，为进一步实现由矿井采掘工程平面图及矿井通风系统图到矿井通风立体图的自动转化打下了基础。中南工业大学开发出了DM&MCAD软件系统[109，110]。它完成了由地质钻孔资料、地形图开始到辅助设计的微机化，能绘制各种地质平面图、剖面图和采矿工程图，可在微机上实现采矿设计。苏州非金属矿工业设计研究院在AutoCAD基础上开发了一套井巷工程计算机辅助设计软件系统SCAD，它主要用于设计各种平巷、竖井、斜井、天井、溜井、各种车场等，能绘制井巷施工图。此外，侯运炳[90]采用三维设计方法，利用几何造型技术，建立了新城金矿采矿工程巷道基本部件的三维集合模型库，由基本部件几何模型拼接采场的采矿工程结构，并构造标准采矿方法参数几何模型和采场组合模型优选采矿工程布置方案。

综合所查阅的相关文献资料，采矿CAD辅助设计中井巷工程的三维可视化部分多数建立在第三方软件之上，如AutoCAD等。另外，其系统性和集成性不强，研制的软件系统只针对某个侧面的具体问题而开发，一般只解决局部问题。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，又称为灵境技术，是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术[111，112]。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，提供给用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。它同时具有沉浸性、交互性和构想性，使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。沉浸性是指用户对虚拟世界中的真实感，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中；交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作性；构想性是指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。

在矿业领域，国外的VR技术研究起步较早，出现了一些2.5维的矿山VR系统[113，117]，如美国宾夕法尼亚大学开发出VR矿工培训系统、德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG、英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（AIMS）开发研制的房柱式开采模拟VR-MINE系统等。在国内，近些年，山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作，基于GIS技术研制出数字化矿井系统，实现了基于地质测量的基础数据生产图形的一体化管理[118]；北京科技大学进行了巷道的三维绘制技术研究[119]，中南大学对地下矿山开拓运输VR仿真系统进行了研究[120]，以及山东工商学院[121]研究了基于VR仿真技术的矿山安全培训系统的设计与实现。