基于Surpac的矿山计算机三维模型研究.doc

大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于Surpac的矿山计算机三维模型研究学生姓名：学 号：专 业：测绘工程班 级：指导教师：摘要数据模型是联结现实世界和计算机世界的桥梁，三维空间数据模型作为数字矿山的核心内容和基础，它反映了真实矿山中三维空间实体及其相互之间的联系，为三维空间数据组织和三维空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。矿山三维模型研究是“数字矿山”的核心组成部分，是现代矿山信息化研究的热点和重点。本文基于Surpac的矿山计算机三维模型研究的过程，实现了地质数据库的建立，实体模型、品位块体模型的创建等，重点探讨了建模过程中地质数据库的设计、地质解译、矿体储量估算的方法与技术，为矿区成矿规律的研究和成矿预测提供了有效的技术手段，大大提高了矿产勘查的效率，为促进我国矿山信息化的建设和发展提供了便捷的途径。关键词：三维模型；Surpac；矿山；钻孔数据AdstractData model is the bridge which connects real world and computer world,and as core content and basis of the digital mine，3D spatial data model reflects 3D spatial entities of real mine and relations among of them.And it provided the concepts and methods of ogranization of 3D spatialdata and design of 3D spatial data base schema.Three-dimensional model of mines is an important part of digitalmine, and it is also a hotspot on the research of modern mines informatization. Study on Computer three-dimensional model of mines of the process based on Surpac,which including establishment of geological database, creation of solid model and grade block model etc. some methods and techniques used in geological database design, geological interp retation and ore - body reserves estimation, were particular discussed. Finally, a kind of effective method and means is put forward formetallogenic study and prognosis in mines, which greatly improve the efficiency ofmineral exploration, and also promote the informatization construction in mine.Key words: three-dimensional model; Surpac; mine; borehole data目 录摘要IAdstractII第一章 绪论11.1研究背景11.2 SurpacVision软件简介11.3矿业软件的发展21.4研究的目的及意义31.4.1 研究目的31.4.2 研究的意义31.5研究的内容及思路41.5.1 研究的内容41.5.2 研究的思路4第二章 Surpac软件的功能52.1 Surpac软件的特点52.2 Surpac软件的功能72.3 Surpac的数据类型102.4 Surpac软件与GIS 软件的区别11第三章 数字矿山建模的理论与方法123.1 数字矿山研究意义123.2 数字矿山中研究三维模型的意义133.3 数字矿山三维数据模型的研究现状133.4 数字矿山建模的理论153.5 数字矿山建模的方法16第四章 地质数据库的研究与建立184.1地质数据库简介184.2地质数据库的建立184.2.1 数据表的创建204.3地质数据的录入与管理22第五章 实体模型的研究与创建275.1实体模型简介275.2钻孔风格的设置及显示285.2.1 钻孔风格的设计285.2.2 显示钻孔295.3实体模型的创建305.3.1 圈定矿体305.3.2 连接实体31第六章 建立矿体品位模型336.1样品的组合336.2地质统计分析356.3对块体模型赋值406.4矿区储量的计算416.5计算矿体的体积45结论46参考文献：47附录A：英文翻译50致谢64第一章 绪论1.1研究背景20世纪90年代以来, 随着计算机硬件性能的提高及计算机图形学技术、三维GIS技术和数据库的迅猛发展和日渐成熟，在地质学领域，以平面图和剖面图为主的传统的地质信息的模拟与表达难以满足现代矿山信息化发展趋势的迫切需要，三维地质建模及可视化的研究已受到广泛重视。所谓三维地质建模(3D Geosciences Modeling)，就是指采用适当的数据结构，在三维环境下，综合运用现代空间信息理论和计算机技术，将空间信息管理、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，来研究地质体几何结构及其内部物理、化学属性等地质信息，并用于地质分析与资源储量估算的技术。它是由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科与技术交叉而形成的一门新兴技术。这一概念最早是由加拿大的SimonW Houlding于1993年提出相对于传统的二维地质数据表示方法，三维模型能够完整准确地表达各种地质现象，快速直观地再现地质单元的空间展布及其相互关系，挖掘隐含的地质信息，方便工程决策、地质分析和自动制图而钻孔又是获取三维地质信息的最直观、准确和详细的手段1。1.2 SurpacVision软件简介SurpacVision软件是由澳大利亚Surpac国际软件公司开发的矿山工程软件。该软件有着出色的3D图形功能、良好的图形用户界面、功能强大的图形绘制显示模块以及基于网络的客户服务器结构，适合于在地质、测量、采矿等相关行业推广应用。在建立矿床模型方面，SurpacVision软件基于地质数据库提供了功能强大的建模工具及模块，具备多种建模方式，实现了动态操作，模型具有良好的闭合空间结构，是矿山企业进行矿床建模较好的开发工具，目前全世界有90多个国家在使用。SurpacVision软件包含数十个可选的功能模块，涵盖一般资源项目的各个环节，主要有：软件体系结构模块、JAVA程序模块、钻孔数据库管理模块、图形用户界面模块、宏功能模块、绘图及可视化仿真模块、测量模块、地质统计学模块、矿产等级控制模块、结构设计模块等。软件的核心是一个完全集成的数据可视化和可编辑的、真正意义上的三维图形模块，采用三维图形可视化仿真、灯光投影、数据插值拟合、单元剖分和消隐等技术, 便于用户以最佳效果来观察图形。软件的编写语言是C /C+，用户界面使用和Java和TCL ( Tool Command Language) 语言。软件采用C /S结构，所有的数据和功能在处理过程中都存储在服务器中，图形引擎和用户界面则由客户端实现, 也可把图形引擎移动到服务器上，这样，所有的图形和数据可以适应Internet/ Intranet网络传输和管理。Surpac支持多种文件格式，可以输入GIS或其他图形软件(如AutoCAD) 的图形，并可以进行二次开发1。1.3矿业软件的发展随着计算机技术的迅猛发展，其在矿业中的应用日趋广泛，几乎涉及整个采矿工程领域，其中各种矿业软件的研发是计算机在矿业中应用的重要方面。近20年来，以矿床模型为基础的矿业仿真软件发展迅速，西方一些大的采矿软件公司相继推出了用于地质资料的处理、矿床建模、开采辅助设计以及管理信息系统等方面的矿用商品化软件。英国Datamine公司开发的Datamine采矿软件，包括地质信息处理、矿床模型构造、采矿设计、矿山调度与计划等模块。其最大特点是屏幕上作图功能，可将露天或地下矿山设计所需的各种图形，以三维和彩色的形式在计算机屏幕上显示出来。澳大利亚Maptek公司开发的Vulcan软件，将地质、矿床模型、采矿设计及进度计划编制融为一体，可利用地质统计学方法处理原始数据并预测品位变化，可进行露天或地下采矿设计和生产进度安排，可用于项目的可行性研究可用于矿山生产的日常管理，还可以进行采场的最优化设计2。澳大利亚surpac公司开发的surpac软件，具有地表测量数据处理、地质勘探数据分析和采矿设计生产计划和开采进度计划编制以及尾矿和复垦设计等功能，目前在全球90多个国家和地区拥有5000多个用户3。美国Intergraph公司开发的Intergraph交互式图形处理系统，用来管理复杂的动态矿床模型。该系统能够由钻孔数据直接生成三维实体矿化模型，并有模拟断层和快速进行与地质结构相关的采矿工程布置的设计与评价功能，在瑞典、加拿大、以及南非的一些矿山公司获得很好的经济效益4。加拿大Lynx公司开发的MINCAD系统，能用于露天和地下开采，用户可以通过人机交互设计不同的边界品位和边坡角下的露天矿开采境界，并做出生产进度计划；通过构造实体矿化模型，在二维或三维矿体视图上可以设计地下巷道和采场，并可考察各种开采方案的效果5。美国罗克韦尔（Rockwell）公司开发的Whittle Four-D是典型的露天矿优化设计软件。主要的输入数据是采剥废石的成本、含矿矿块的价值及边坡要素；主要计算结果包括三维境界和不同开采阶段的境界形态，该软件适用于多矿种、混合矿、多种选矿法、不同回收率和截止品位以及变化边坡角和回填方案的复杂露天矿的优化设计。此外，还有澳大利亚Micromine、Gemcom、Mincom、Minemap等公司开发的矿业软件系统，具备地质统计、矿体造型和采矿设计等功能，在很多国家中得到广泛的应用。1.4研究的目的及意义1.4.1 研究目的随着这几年中国矿业的快速发展，加快和促进数字化和信息化建设己经成为很多矿山企业的发展目标。在国外，很多矿业公司都是通过建立矿山的三维矿床模型、三维采矿工程模型来从事储量计算、资源评价、矿山规划、采矿设计和采矿方案优化。多少年来，地质、矿业界人士一直希望能够更直观更准确地圈定矿体边界、了解地下地质体(包括地层、断层、褶皱构造等)的三维形态、准确地解译和圈定地下地质体，以便指导矿业开发和深部找矿预测，这就是传统矿业向现代矿业的变革。本文旨在用Surpac矿业软件建立28个钻孔金矿矿体模型，并进行储量计算等基本分析6。1.4.2 研究的意义本文意在使用一种已在国内外矿山有成熟应用的三维可视化矿业软件系统，结合28个钻孔金矿的实际需求，通过深入分析研究软件的原理和功能，熟练掌握其建立三维矿山模型的方法，在此基础上建立金矿矿体三维模型。它可以非常快捷、方便地给地质学领域的工作人员提供大量可靠的地质信息，将地质工作者从繁重的地质信息获取和地质解释手工劳动中解放出来。三维数字化计算机软件的应用有助于实现矿山行业的数字化、信息化管理,为矿山生产做出更加科学的决策提供了一种便捷工具。另外，本论文对提高我国矿山技术管理水平、提高矿山经济效益以及开发我国自主的矿业软件，也具有一定的意义7。1.5研究的内容及思路1.5.1 研究的内容1、收集整理金矿数据资料，编辑成Surpac可应用的数据格式。2、录入钻孔数据，建立金矿地质数据库。3、分析实体模型的数据结构，根据建模的基本方法和数据特征，探讨建立合理、准确的实体模型。4、在金矿实体模型的基础上，研究和建立矿体的块模型，分析块模型的数据结构，继而通过模型的属性编辑和赋值功能建立品位模型。5、将矿体的体积、储量、及相关品位信息输出报告。1.5.2 研究的思路钻孔、岩性、化验、样品数据编辑为surpac数据库可接受的数据文件导入到surpac数据库中，生成输出图件、分析、提取数据组合样品、分析样品点的分布规律 在三维空间解译地质剖面根据研究的内容，对其生成矿体模型及品位组合的研究思路如图1.1所示。图1.1 研究思路图第二章 Surpac软件的功能Supac Vision 是一个大型软件平台，软件系统采用模块化集成。系统可控制项目运行周期的每一个阶段且保持各级数据库结构及数据的连续性、安全性。从项目初期的经济技术评估、前期勘探中数据的采集与分析、地面与地下结构的设计、施工管理与施工安全监测、工程运行计划与日常报表直至项目完成后的环境保护等。Surpac Vision 以其独创的数据库技术、功能强大的三维可视化图形工具、最新的网络技术以及基于JAVA 的图形用户界面等特点服务于资源开发项目的每一个环节。Surpac Vision 包含数十个可选的功能模块，涵盖一般资源项目的各个环节。主要有：软件体系结构模块、JAVA 程序模块、钻孔数据库管理模块、图形用户界面模块、宏功能模块、绘图及可视化仿真模块、测量模块、地质统计学模块、矿产等级控制模块、结构设计模块等8。2.1 Surpac软件的特点1、独特的客户服务器体系结构Surpac Vision 的客户服务器体系结构，将软件系统的核心模块如数据处理、中央数据库等驻留在服务器上，而图形用户界面、绘图及三维图形显示系统则驻留在客户端。这一技术更好地利用了网络( 指项目局域网) 资源，将复杂的数据处理和数据库管理任务置于性能更好、计算速度更快的服务器，计算结果的图形显示则由客户终端完成。2、采用最新的Internet技术和Internet浏览技术基于JAVA 语言的软件平台，局域网内每一个用户可以相互访问、交流，也可以进行“ 多对一”的访问，这就使得远程技术咨询或技术援助成为可能。技术人员、管理人员的这种适时快捷的交流，会极大地提高工作效率。Surpac Vision利用了网络最新技术同时结合本身体系结构特点，其意义在于：它为多用户铺就了一条从不同地点通过Internet 或Internet 访问单个用户的通道，这将有效地促进技术交流合作，特别是当终端用户需要外地技术专家的协助时，尤其如此。3、数据共享与数据安全许多矿山选择使用Surpac系统, 一个主要原因是该系统可以由系统分析人员参照技术规范定制标准化样式的数据库, 从而提高采矿场内的工作效率, 比如数据共享更加流畅, 中央数据库的集成,全套建模和设计工具的使用更加方便, 因为在项目周期的每一阶段、在企业内部的不同部门, 均采用统一的数据格式。Surpac Vision的这种独特技术的优点在于: 使数据共享, 无须格式转换, 更加顺畅、利于数据库分级授权, 确保数据安全。4、交互式的图形用户界面 Surpac Vision 具有良好的全Windows 风格用户界面。具有下拉式菜单、弹出式工具拦、数据拖放功能、数据库直接访问等特点。与众不同的是，Surpac Vision 核心程序采用C/C+ + 语言编写，用户界面则采用JAVA 和TCL语言。用JAVA 语言编写的用户界面具有最好的网络文件浏览器特征( 本地驱动器和网络驱动器)。TCL 语言以易学易用著称, 用户可以添加功能菜单和工具栏，菜单结构和界面样式可以依用户习惯修改定制。缺省安装的用户界面简单易学，容易熟悉。在线帮助功能方便灵活。5、简单易用可编译的宏语言功能一整套复杂的宏语言，构成了Surpac 系统的支柱和基石。通过界面工具条可以实现宏记录、宏播放等操作；激活宏将记录用户的所有操作指令，并可以文本方式编辑和重组指令序列以提高功效；运用TCL 脚本语言开发的宏工具，可以生成满足用户专门需求的功能模块；Surpac 将这些功能模块轻松地整合到用户界面的菜单体系中方便调用。6、强大的绘图及三维图形可视化仿真技术Surpac Vision 拥有功能强大的图形绘制显示模块；将工程设计、模型建立、数据库建构等完全图形化。包括了一整套三维立体的和块体的建模工具。通过激活自动绘图功能可以任意地在图形中创建图形，这种功能允许用户从有效的标题块中进行选择，并确定尺寸和栅格，图形可以三维方式产生，也可以从旋转的二维图形中得到。通过按住鼠标按钮并在屏拖动，就可以将图形在空间和平面上旋转，三维格栅和坐标轴也随之转动，用户可以直观地感知了解图形变化的方向。三维图形可视化仿真技术是Supac Vision 系统最具吸引力的功能。灯光投影技术、数据插值拟合技术、单元剖分和消隐技术等，让用户以最佳效果来观察由于数据分个的差异模型内外的变化趋势。7、测量软件包地面地形地物测量、地下开挖及结构控制测量、施工及运行监测等，Surpac Vision 系统利用测量数据库存储和管理这些数据。测量数据库支持多种数据输入方式，与本系统其它数据库一样，测量数据库支持开放式数据库连接( ODBC) 。不同专业的工程技术人员可以直接连接到这些基本数据库，并可根据授权级别对关联数据库进行数据处理或编辑、修改、添加等9。另外，还有可用来计算矿藏量、开挖方量和矿产品位等级的地质统计学( Geostat ist ics) 模块；可用于一般地下结构和环形结构的设计模块等。2.2 Surpac软件的功能在启动Surpac软件之后，可以看到整个Surpac的界面，左边的文件导航器中还会有一些数据文件。Surpac用户界面由10个部分组成：菜单、工具栏、文件导航器、预览窗口、图例面板、图形工作区、属性面板、图层面板、状态栏、消息窗口。 Surpac软件有着出色的3D图形功能、良好的图形用户界面、功能强大的图形绘制显示模块以及基于网络的客户服务器结构, 适合于在地质、测量、采矿等相关行业推广应用。主要功能有以下几种：实体模型、测量、块体建模、爆破设计、露天采矿设计、中深孔爆破设计等10。实体模型：实体模型,通常也叫外框图,是一种通用的技术定义,广泛应用在地层带、矿体、煤层、采场设计中。实体模型中包括创建三角网、编辑体、编辑三角网、编辑三角形、显示、有效性验证、实体工具。图2.1为创建实体模型图框。图2.1实体模型图框测量：Surpac的测量部分主要应用在露天矿在剥离、采矿工作中，能及时地测量采、剥工作面的位置，验收采剥工作面规格质量，计算岩土的剥离量和矿物的采出量等测量工作。 Surpac软件界面下的测量图框包括测量数据库、测站、测量仪器、露天测量、井下测量、测站误差、报表，如图2.2所示。图2.2测量图框块体建模：块体模型是与地质统计学相结合，是应用数学方法对品位分布进行建模，由于品位分布是在资源中受地质因素控制而明显存在的，从而形成一定约束条件下的品位模型。块体模型的精度取决于块体模型的结构和属性。在资源储量估算中，利用块体模型可以准确地进行资源量和品级报告。块体模型图框包括以下几种功能：块体模型、属性、约束、显示、剖面等。如图2.3所示。图2.3块体模型图框爆破设计：爆破设计是应用计算机对爆破区矿岩可爆性差异进行自动优化爆破设计，运用合理的爆破参数计算出合适的装药量，对岩体进行爆破。其界面包括设计爆破模式、创建爆破数据库、沿直线的预裂孔设计、沿线段的预裂孔设计等如图2.4所示。图2.4爆破设计图框露天采矿设计：露天采矿界面是指露天矿开采终了时所形成的采场空间边界。它由露天采场的地表界面、底部界面和周围边坡组成。露天采矿设计就是要合理的确定露天矿的底部边界、最终边坡和开采深度。怎么控制和编辑线获得满足开采要求和设计要求的最终境界线文件，并根据这些线文件形成最终境界模型。提供了开采量，矿石量，剥采比等重要参数的计算和报告方法。界面包括露天采场设计、设计坡面角、创建公路、露天境界边坡后推等如图2.5所示。图2.5露天采场设计图框中深孔爆破设计：中深孔爆破设计是指在地下矿山采矿活动中为了落矿而在巷道中设计爆破的扇形炮孔。其界面包括开始中深孔爆破设计、编辑采场/掘进巷道、保存采场和巷道剖面文件、调入炮孔等。其界面如图2.6所示。图2.6中深孔爆破设计图框2.3 Surpac的数据类型Surpac的数据类型很多其中包括以下几种常用的数据类型。线文件：一个线文件中包含一系列三维坐标点，以及相应的一些属性。DTM：数字地形模型文件（DTM）是由.str线文件生成的，能够表示面与实体。一个DTM面是由一组三角形形成的面，用来表示地面或露天坑。一个实体是由一组三角形形成的空间的体，用来表示矿体或巷道。地质数据库：钻孔数据库文件（DDB）用来关联关系型钻孔数据库。这是一个文本文件，用来告诉Surpac从数据库读取哪些表和字段。测量数据库：测量数据库文件（SDB）用来关联关系型测量数据库。这是一个文本文件，用来告诉Surpac从数据库读取哪些表和字段。块体模型：块体模型是一种空间数据库，并且能够通过点和间隔型数据比如钻孔样品数据来建模。由稀疏的钻孔数据估计三维实体的体积、吨位、和平均品位。绘图文件：从绘图模块输出的是dwf格式的绘图文件。您可以在Surpac绘图窗口中打开并编辑它们，或者发送绘图设备如绘图仪打印出图。风格文件：Surpac的风格文件，包含线和DTM的绘制风格，颜色设置，以及默认的Surpac设置。2.4 Surpac软件与GIS 软件的区别地理信息系统( GIS) 是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层) 的与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。GIS 的基本功能可以概括为：1、准备：数据搜集、数字化、编辑；2、分析：检验数据，产生新数据，即产生信息；3、管理：永久性的文字、数字式数据、地理数据的管理；4、显示：各种图形、报告、报表的输出或屏幕显示。三维可视化矿山工程软件Surpac Vision不仅具有通用GIS 软件的基本功能，可以采集、存储、管理、分析和描述三维空间数据信息，而且还拥有许多针对矿山开采设计的实用性强的特殊功能，如钻孔和炮眼设计、矿坑设计、地下开采设计等功能模块。这些功能模块都是根据实际用户的需要，结合专业特点设计的，在矿山开采和工程设计中发挥更大的作用，更加易于为专业人士所接受。SSI公司将Surpac Vision 定位为矿山工程软件，而不是通用GIS 软件，就是基于专业人士的需要而设计的。最新的用户调查表明，Surpac Vision的用户主要是工程师、地质学家和测量专家，三者比例大致相当。第三章 数字矿山建模的理论与方法数字矿山是真实矿山整体及其生产经营过程的全面数字化、信息化和可视化，是存储于计算机网络上的、能供多用户访问和应用的一种虚拟矿山。数字矿山作为数字地球、数字中国的一个重要组成部分，也在中国的采矿业中发挥着越来越大的作用。三维空间数据模型是数字矿山研究的一个热点，也是复杂地质体和矿山三维地质建模的关键。三维空间数据模型是数字矿山及其应用的研究基础，它研究地球三维地理空间中的地下内容，包括地层、土质、岩石、地下水、石油、矿藏等为对象，对这些对象相应在三维地理空间上采用适当的三维空间数据模型，以便充分利用此来促进和改进矿藏开采、减灾防灾等“数字矿山”各领域的深入发展与应用。3.1 数字矿山研究意义我国是一个采矿大国近年来由于市场竞争资金投入资源浪费和环境压力等原因，中国矿山企业在经济上和生产管理方面陷入困境，一些诸如矿山塌冒、瓦斯爆炸等矿山事故频频发生，许多矿工也因此丧失了宝贵的生命。为了应对当前的面临的困境和响应党中央的“坚持以人为本，努力构建社会主义和谐社会”的口号，中国矿山企业只有抓住矿山信息化的机遇，积极面对挑战，果断地开展数字矿山(DigiatlMine，简称DM)建设，从而推动采矿企业的技术发展与创新，进而合理协调矿产资源开发与环境及资源保护之间和矿山生产与矿山安全管理之间的矛盾，积极地改善矿山安全生产的状况，建立科学、合理、高效、低污染、安全的矿业生产新局面。实施数字矿山战略是矿山企业在经济上走出困境，在安全生产上坚持“以人为本”，走可持续发展之路的必须与大势所趋。通过数字矿山建设至少可以在以下几个方面给矿山企业带来好处：1、拓展矿山企业的生存与发展空间；2、促进矿山企业组织结构的优化；3、加强矿山的安全管理，积极的预防矿难事故；4、降低决策的风险性，提高企业快速反应能力。从而使矿山企业在现代企业竞争中取胜，并更好地与矿区资源、环境和社会经济发展相协调，使矿山逐步走向可持续发展道路。3.2 数字矿山中研究三维模型的意义三维空间数据模型是以一定的方式组织起来的，具有足够的抽象性和概括性的，对客观世界中事物及其联系的在三维空间中描述，这种描述包括对数据内容的描述和各类实体数据之间联系的描述，为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法。随着数字矿山应用的不断深入，涉及到三维的自然和人为现象也越来越多，传统用二维空间数据结构描述的数据模型，已经不能适应三维空间数据表达和处理的需要，研究三维空间数据模型显得越来越重要。真实矿山中的自然地质实体与采矿工程实体，都是三维空间实体，并且所有的矿山生产与组织活动均是在真三维地质环境中进行的。因此，真正实用的数字矿山系统，都应是真三维的，它离不开对三维空间数据模型的基础研究。数字矿山作为一种复杂的三维空间信息系统，不仅能够存储、分析和表达真实矿山中各种空间实体对象的属性信息，而且涉及大量复杂的空间定位特征及可能的拓扑关系的组织和管理。数字矿山的三维空间数据模型则在空间语义和属性语义方面更加完整地模拟和抽象客观矿山空间世界。因而，数字矿山的三维空间数据模型是联结真实矿山世界和计算机中抽象的矿山世界的桥梁。三维空间数据模型作为数字矿山的核心内容和基础，它不仅反映了真实矿山中三维空间实体及其相互之间的联系，而且为数字矿山中的三维空间数据组织和三维空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。因此，在数字矿山中开展三维空间数据模型的基础研究，是开展数字矿山三维地质模拟的研究以及开发数字矿山软件系统的基础，也是矿山企业进行IT改造及信息化建设，以及提高企业的信息管理水平，增强企业的竞争实力的保障11。3.3 数字矿山三维数据模型的研究现状三维空间数据模型是开展数字矿山研究的核心内容和基础，也是三维空间信息系统、计算机图形学、虚拟现实以及科学可视化等领域的研究基础。三维空间数据模型的研究从20世纪60年代国外学者提出的块段模型开始，到目前为止，经历了四十多年，国内外学者己经提出了二十多种三维空间数据模型，其中包括TIN、GRID、边界表示模型、CSG、八叉树等模型。吴立新等(2005)将这些三维空间数据模型归纳为单一构模法、混合构模法和集成构模法。其中单一构模法主要指采取单一的面元模型或体元模型表达三维空间实体；混合建模法指采用两种或两种以上的单一模型来对同一三维空间对象进行几何描述和建模；集成建模法是指采用了两种或两种不同模型分别对系统中不同的三维空间对象进行几何描述和三维建模。王继周等(2003)将现有的三维空间数据模型分为基于栅格结构的数据模型(体结构模型)、基于矢量结构的数据模型(面结构模型)和混合结构数据模型。其中，基于栅格结构的数据模型是二维栅格模型在三维空间的扩展，它将三维空间划分为一系列连通但不重叠的几何体素；基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述空间实体；混合结构数据模型是为了集成栅格模型和矢量模型的优点，将两种或两种以上的数据模型加以综合，形成具有一体化结构的模型。其中，与基于面向对象的集成三维空间数据模型近似或相关的研究工作主要有：Smino.H.(1994)采用体元的集合来表达任意一个三维空间地质实体。体元时构成实体基本单元，它由定义在局部坐标系下的前、中、后三个剖面上的实体轮廓线对应连接而成。这种建模方法使得体元与任意平面及体元之间的相交变得简单，但依赖于人工交互，难以进行空间分析。Cherry.T. A.etal.(1996)先以六棱柱体段对井孔和隧道进行建模，然后按Delunaya法则四面体化嵌入到底层四面体格网中，从而实现一体化建模。龚健雅等(1997)以矿山为研究背景提出了一种矢栅集成模型，该模型将空间对象定义0维到3维及复杂对象，并将数字表面模型、像元和体元、柱状实体等引入到模型中处理复杂三维空间问题。该集成模型在实际应用中根据不同的需求选择不同的数据模型或结构对空间对象进行表达。程朋根等(2001)以地勘工程的各种三维空间对象为研究背景，提出适合地勘工程的矢栅集成数据模型，其实质是对上诉模型的集成和发展，该建模方法以复杂体、体、面、线、点对象之间的逻辑关系来建立空间对象之间的拓扑关系。侯恩科(2002)提出了适用于三维地质模拟的集成数据模型，该模型中涉及多种空间对象类，所包括的数据模型主要有孤立点、钻孔、地质图纸、GRID、TIN、线框、不规则体元、三维规则块体、八叉树、四面体模型等。该集成数据模型对各种地质数据和现象描述比较全面，能够满足大部分地质模拟任务；但由于涉及模型较多，距实际应用还有一定距离。李清泉等(2003)根据对三维空间数据目标类型的分析，提出了一个矢量栅格集成的三维空间数据模型。该集成模型的栅格模型中包括四叉树和八叉树，在矢量模型中包括TIN、TNE、Grid、CSG和Brep。在实际应用中，根据不同的应用需求选择一个或多个合适的数据模型对目标进行描述，从而实现对目标的几何和拓扑的完整表示。陈学习(2005)通过对GTP模型进行扩展与修正，提出基于扩展GTP的地质体与开挖体三维集成数据模型。该模型在地学层面上将地下三维空间的地质体和开挖体从地质元素上划分为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体，其中体状实体又进一步分为简单体、复杂体和复合体三类；在几何层面上，抽象出结点、边、弧、三角形、超面、GTP、四面体和超体八类；在拓扑层面上，由几何层面抽象出的八类几何元素、采用面向对象的方法，通过构模元素之间的拓扑关系实现对地下三维空间的点、线、面、体的拓扑描述。该模型考虑到了开挖体模型与地质体模型之间的相互联系，能够较好的从地学、几何和拓扑等不同的层次对地质体和开挖体进行抽象和表达。以上的三维空间数据模型都是针对特定的研究对象所建立的三维空间数据模型，在应用的过程中具有一定的局限性，虽然它们己经初步的涉及到了面向对象的概念，但是它们最终没有完全采用面向对象的方法来建立三维空间数据模型，因此也就无法充分利用到面向对象的方法诸如集成、多态、易于扩展等优点12。3.4 数字矿山建模的理论数字矿山中空间数据模型是对真实矿山的抽象，它是由一系列支持矿山空间实体显示、查询、编辑和分析的数据对象组成的。按照王家耀(2001)的地理抽象层次模式，空间数据模型是数字矿山系统抽象的中间层，即逻辑数据模型，称之为数字矿山的空间数据模型。数字矿山的空间数据模型是关于真实矿山中空间实体及其相互间联系的概念，是建立在对真实矿山空间的充分认识与完整抽象的矿山空间认知模型(或概念模型)的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述真实矿山空间实体、空间地理现象及其相互关系，是真实矿山到数字矿山的直接映射。它为描述矿山空间数据的组织和设计矿山空间数据库模式提供着基本方法，是数字矿山空间数据模型的基础。因此，对数字矿山空间数据模型的认识和研究在设计数字矿山空间数据库和发展新一代数字矿山系统的过程中起着举足轻重的作用。数字矿山的空间数据模型的发展是与数据库技术的发展密切相关的。第一代层次与网状数据库带动了层次模型和网络数据模型的发展；第二代关系数据库带动了关系型数据模型的发展和成熟。而面向对象的数据模型技术对数据库技术的发展产生了深远影响，成为第三代数据库系统的主要标志，进而也促进了数字矿山的面向对象数据模型的发展13。一般而言，空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个有机联系的层次所组成。其中概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型是表达概念数据模型中数据实体(或记录)及其间关系，而物理数据模型则是描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构。1、空间概念数据模型由于职业、专业等的不同，人们所关心的问题、研究对象、期望的结果等方面存在着差异，因而对现实世界的描述和抽象也是不同的，形成了不同的用户视图，称之为外模式。数字矿山中空间数据模型的概念模型是考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图。2、空间逻辑数据模型逻辑数据模型是根据前述的概念数据模型确定的空间数据库信息内容(空间实体及相互关系)，具体地表达数据项、一记录等之间的关系，因而可以有若干不同的实现方法。一般来说，可将空间逻辑数据模型分为采用结构化模型和面向操作的模型两大类。3、物理数据模型逻辑数据模型并不涉及最底层的物理实现细节，但计算机处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型，即要设计空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。3.5 数字矿山建模的方法三维空间数据模型是数字矿山研究的核心和基础，从六十年代初到现在，国内外的学者共提出了20多种三维空间数据模型。可以归纳为单一模型、混合模型和集成模型的三大类14。1、单一模型单一模型是指采用单一的面元模型或体元模型来表达三维空间实体。(1)面元模型基于面元模型的建模方法主要侧重于三维空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物(建筑物)及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可使非封闭的。(2)体元模型基于体元(Voxe1S)模型的构模方法是指将三维连续空间离散化，以一系列连通但不重叠的体元组成。体元模型是基于三维空间的体元分割和真三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行三维空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体(Tetarlldearl)、六面体(HXehaedral)、棱柱体(prismatic)和多面体(polyhedral)共4种类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和非规则体元两个大类。2、混合模型混合模型是指采用两种或两种以上的表面或体元模型同时对同一三维空间对象进行几何描述和三维建模。典型的有Ocrtee与TNE、Brep与CSG、TIN与Sections、Wire Frame与Block、Brep即与TEN等混合模型。3、集成模型集成模型是指采用两种或两种以上的不同模型分别对系统中的不同三维空间对象进行几何描述和三维建模。代表性的集成模型有TIN与CSG、TIN与Ocrtee和TIN与GTP，此外还有面向对象的矢栅集成，用于三维地质模型的集成方法等。第四章 地质数据库的研究与建立4.1地质数据库简介Su