矿山三维建模与分析方法

中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所工程培训班工程培训班––杭州班杭州班2008.09.222008.09.22吴立新（教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者）[e-mail]:010-62331012中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所个子系统：数据获取系统集成调度系统工程应用系统数据处理系统数据管理系统量测传感勘探通信MGISMCADMSECSVAIVM三维学模拟数据挖掘数据库模型库地中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所技术难题与方向中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所个基本问题•地理空间目标的扩展•三维的内涵•“三维”模型的分类•三维建模的目标层次矿山三维建模与分析方法矿山三维建模与分析方法中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所地理空间目标的扩展地理空间目标的扩展煤岩地层地表植被地表建筑物大气山川道路矿坑边坡以数字矿山为例，其空间对象上至大气环境、中至山川植被、道路建筑，下至矿坑边坡、井巷工程、煤岩地层等中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所•Geosciences的内涵:Geography,GeomorphyGeology,Geophysics,Geochemistry,Geo-engineering(suchastunnel,subwayandmineetc.)AnintegerofGeo-relatedsciencesandtechnology涉地科学与技术的整体广义地理系统Æ广义地理空间目标1.11.1地理空间目标的扩展地理空间目标的扩展中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所：地理空间目标的分类地上实体基础设施坝体、边坡、桥梁、管线、输电线塔等房屋建筑村庄民房、城市公寓、高楼大厦、会馆厂房、文物古塔、雕塑等自然地物古树、景观树、雪花、云雾、泥石流、熔岩流等地球表面地形特征土壤、山脉、丘壑等地貌特征河流湖泊、各类道路、植被耕地等地下实体地质体岩层、矿体、油气藏、断层、褶曲等地下自然空间暗河、岩溶洞等地下人工空间城市地下沟、地铁、防空洞，矿山井巷，隧道硐室，军事掩体等1.11.1地理空间目标的扩展地理空间目标的扩展中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所:line2D:face3D:bodyGeometry0D:point1D:line2D:face3D:bodyGISdatamodel2D:face:TIN,DEM3D:body:CSG,3DCM?colortexturefromoutdoortoindoororganicsection:compositionsattributestopologicalrelationsGISdatamodel2D:face:TIN,DEM3D:body:CSG,3DCM?colortexturefromoutdoortoindoororganicsection:compositionsattributestopologicalrelations1.21.2三维的内涵三维的内涵中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所:compositionsattributestopologicalrelations1.21.2三维的内涵三维的内涵中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所三维的内涵三维的内涵中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所空间模型的维数分析),(yxfF=),(yxfF=),(yxfZ=),,(izyxfF=),,(izyxfF=类别2D2.5D准3D真3D数学模型＋高程特征无高程信息高程作为点的属性一对（x,y）的z有多值一对（x,y）的z有多值属性特征平面抽象表面抽象无体内属性有体内属性构模方式2D矢量与栅格2D矢量与栅格面元构模3D矢量、体元构模典型实例电子地图DEM、DTM3D城市模型地下TEN、GTP模型等1.21.2三维的内涵三维的内涵中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所•人们对现有地理空间3D维数称谓尚不统一:2维半、2.75D假3D、伪3D、3D、真3D等，常造成混淆和概念模糊2.5D、2.75D一般也称为3D（TurnerK.,1991,1998）•建议定义：所谓三维空间模型，是以3D空间坐标（x,y,z）作为实体几何构模的基础，并进行基于三维坐标关联的属性数据管理，可实现空间目标的三维可视化表达与查询，并支持空间分析与应用的空间模型，其数学表示为：1.21.2三维的内涵三维的内涵)a,z,y,x(fFji=中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所(TP)Wireframework-BlockmixedNon-UniformRationalB-splines(NURBS)NeedleGeocellularOctree-TENmixedWireframeworkorLinkedslicesRegularblockIrregularblockSerialsectionsSolidSections-TIN3DVoronoivolumeMulti-DEMsATP,GTP1.31.3““三维三维””模型的分类模型的分类中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所（a）CSG（b）Voxel（c）Octree（d）Needle（e）RegularBlockRegularVolumetricModel1.31.3““三维三维””模型的分类模型的分类中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所（a）Tetrahedral（b）Pyramid（c）Tri-Prism（d）Geocellular（e）IrregularBlock（f）Solid（g）3DVoronoi（h）GTP1.31.3““三维三维””模型的分类模型的分类中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所““三维三维””模型的分类模型的分类（a）TIN-CSG（b）TIN-OctreeorHybird（c）BR-Block（h）Octree-TENMixed/IntegratedModel中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所单一构模混合构模集成构模面元模型体元模型混合模型集成模型规则体元非规则体元表面模型(Surface)不规则三角网模型（TIN）结构实体几何（CSG）四面体格网(TEN)TIN+GridTIN+CSG格网模型（Grid）体素（Voxel）金字塔（Pyramid）Section+TINTIN+Octree(Hybrid模型)边界表示模型（B-Rep）针体（Needle）三棱柱（TP）B-Rep+Block线框(WireFrame)或相连切片(LinkedSlices)八叉树（Octree）地质细胞(Geocellular)B-Rep+CSG断面（Section）规则块体（RegularBlock）非规则块体(IrregularBlock)Octree+TEN多层DEMs实体（Solid）3DVoronoi图广义三棱柱(GTP)注：斜体部分为栅格模型；多层DEMs当采用TIN构模时为矢量模型，若采用Grid构模，则为栅格模型；其它为矢量模型或矢栅混合、矢栅集成模型。1.31.3““三维三维””模型的分类模型的分类中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所三维地学空间构模的功能要求：2.5D2.75D3D3D静态动态准动态I：3D可视化II：3D查询III：3D分析IV：工程应用空间构模可视化空间构模可视化三维度量地学统计空间构模可视化三维度量拓扑分析工程设计拓扑分析地学统计空间构模可视化三维度量模型更新FEM模型1.41.4““三维三维””建模的目标层次建模的目标层次中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所个方面：•三维认知模型•空间模型的适应性•二维屏幕上的三维操纵•要素拓扑的完备性•三维实体拓扑模型•模型的局部更新矿山三维建模与分析方法矿山三维建模与分析方法中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所•三维地学空间构模难而复杂，许多理论、方法与技术问题（甚至是基本的）尚不清晰、不完整、不严密；•根据近年从事3DGIS与3DGMS理论、方法与技术研究的经验、心得和体会，就6个方面提出10个关键问题。矿山三维建模与分析方法矿山三维建模与分析方法中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所•地学目标的特殊性：不同于一般地理目标，高度复杂性和非线性，如固、液、气三相耦合、地上与地下耦合、自然体与人工体耦合等；此外，地学目标的空间分布可能不连续（如污染、矿体），地学目标的边界也可能不完整（如断层、地下水）。•传统认知模型的困惑：•问题1：是否需要一种新的认知模型？既描述地学目标的确定性与非确定性几何特征，又强调地学目标的整体性与个性，并便于复杂空间关系与逻辑的理解与表达。2.12.1三维认知模型三维认知模型中国矿大(北京)3S与沉陷工程研究所/东北大学3S与数字矿山研究所现有模型各有优缺点：1）面元模型虽然可以较方便地实现地层可视化和模型更新，却不是真3D的，也不描述3D拓扑关系，更无法进行开采