基于三维可视化的矿区开采沉陷形变检测方法_丘永富.pdf

228管理及其他Management and other基于三维可视化的矿区开采沉陷形变检测方法丘永富摘要：矿产资源是十分珍贵的企业战略自然资源，在当前国民经济发展中具有巨大的意义。然而矿产资源的大量开发导致地表沉陷和环境问题日趋严重，在采矿领域形成巨大的生态环境隐患，增加生态环境负担。对矿山区域土壤地表变化监测能有效的为矿山安全开采以及矿区生态环境治理提供强有力的依据。中国矿产区地表变化观察技术，由于存在费时、费力、监测成本高等缺陷，已经无法满足当前社会发展的技术需求。因此，利用现有的地表形变监测新技术对矿产区进行沉降监测是一个值得深入探讨的方向。本文主要利用三维构造及可视化方法构建了顾及覆岩构造、采矿方法以及相关地质采矿环境的三维地层模型和可视化模型，并提出了矿区开采沉陷形变检测的三维可视化模型。通过此项工作大大提高了开采沉陷形变检测的效益，对开采沉陷防灾减灾项目的建设产生一定的实际意义。关键词：开采沉陷；形变监测；三维地层模型；可视化矿层中很多资源是中国的主要燃料来源，在一次性燃料结构中占有百分之七十以上。但由于中国经济社会高速发展，对燃料的需求量迅速上升，对地下资源的大量利用造成了土壤地表移动和变化，同时破坏了土壤地表建筑结构和其它基础设施，从而造成了土壤塌陷损害，土地品质降低，土地有效使用面积降低，还会造成地下水系和自然环境损害等问题。矿山开发沉陷退缩现象，是对地下水矿山资源开发所形成的环境地质问题。由于矿井开发沉陷退缩现象是一项巨大的环境地质灾害问题，要遏制并降低矿井资源开发的危害，就需要对它开展精细研究。传统开采沉陷模拟研究方法无法真实体现地表沉降盆地的动态发育过程、地表应力区域等灾害特性，极大影响了对地质空间信息的反馈与解析，并直接影响到对自然灾害预报和评价的真实性。三维地学模拟和地球科学计算可视化技术，能够结合物理仿真与数学模拟的优点，使二个方法在相同条件下同时发挥作用，利用计算机图形图像手段对地表下沉盆地、地表位移等变化的动力学过程和静态影响特点实现可视化仿真，并可以考虑到覆岩构造、采矿方式和其他特殊地质的采矿环境条件，为准确研究采矿沉陷收缩过程，降低采矿开发损失提出了可行的手段。所以，本文进行采矿沉陷收缩三维地学建模及可视化方法探讨并对地表沉陷收缩情况用三维空间可视化手段表达，对准确探索采矿沉陷变化规律以及避免矿业损坏有着重大价值。1 数据采集及预处理1.1数据采集数据采集主要包括：属性数据和空间数据的采集，是对要描述的实体必须进行量测点的信息获取，代表着现实中的实体在信息世界中的映射。空间数据是指地理实体所处的位置，由点的三维坐标进行描述，通过测量手段获取数据，属性数据是指地理实体所具有的专属特征，一般包括：名称、性质、质量、数量等，通常通过现场调查获取数据。进行原始数据采集具有重要意义，它是建立数字高程模型的必须基础。地形图上三维数据的描述主要通过孤立的高程点和等高线进行实现，独立高程点数据和特征线数据相对等高线数据具有更重要的意义，由于它们大都是必须量测的高程数据点，具有重要的控制作用，一般分布在地性线上，表示地形转折的重要信息，是数据获取的重要目标。如山顶点、山脚点、山谷点、山脊点、山谷线、山脊线、陡坎水边线等。1.1.1数据采集原则在进行数据采集时一般应该遵循如下原则：（1）在进行数据采集之前，应根据实际的需要进行数据采样精度的合理确定。（2）在数据采集过程中，应按照实际要求的精度条件设定适当的信息取样密度，在单调的地质条件下要实现信息点的平均采集，密度无需太高，对起伏比较明显的山地要增加采点的密度，地势拐角处的信息点应进行采样取点。（3）数据采集过程中不能出现较大的数据取点空白区，例如：对于较大范围的平坦区域应保证最低的数据采点密度。1.1.2矿区原始地形数据提取本次采集过程是通过CASS来完成的，而CASS是一种通过AutoCAD设计系统实现二次开发的数字地形地籍成图软件，目前已应用在地形地藉、工程勘测设计等方面。在进行矿区地表高程点空间三维数据提取前，首先需要确定矿区地表沉陷的范围，即进行开采沉陷预计的矿区地表范围。用CASS开出了矿井的数据地形图后，在矿井的数据地形图上先完成理论开挖工作面的水平方位的描绘，之后再在矿井数据地形图上完成理论推算工作面（参考拐点偏距后的工作面）的水平方位的描绘。在理论估算作业表面规模的基础上，再乘229管理及其他Management and other以一点五倍采矿沉陷效应半径，完成采矿沉陷收缩影响范围的定义，即为完成了开采沉陷收缩预测的矿井地表规模，并使用CASS中“测绘复合线”函数，绘出开采沉陷收缩预测的矿井地表规模的闭合边界，利用这种方法绘制出的矿区地表预计范围的边界实际上要比真实的地表塌陷范围要稍微大一些，这样做的目的主要是为了主要是为了能够较多的提取矿区预计地表范围附近的地形数据，以保证一定的数据冗余量。然后使用CASS中的“工程应用/高程点生成数据文件”指令，进行对开采或沉陷时预计的在矿区地表范围内的高程点的空间三维数据进行获取，可以得到数据文档，所列要素均为（ID，X，Y，Z），其中X，Y，Z为预测点空间三维位置，而ID则为点号，如果开采沉陷预计的矿区地表范围内的还有等高线信息，可以利用CASS中的“工程应用/等高线生成数据”功能进行等高线上的空间三维数据的提取。对于其他地物类型的提取：矿区数字地形图经过多次的修改和添加等编辑操作后，可能导致地物图层中的类别格式不准确，例如：作为面文件格式的房屋图层中，可能会出现某些部分为线文件的情况，为保证文件格式的统一，必须对其中的不正确格式进行修正，将面文件格式中出现的部分线文件转换为对应的面文件，有时一些线文件可能出现中间不连续的情况，也要通过人工操作进行修改，使其成为连续的线文件。经过上述操作之后，就能够各自得到了独立的房屋数据、交通数据、河流数据等数据文件，并把得到的这些数据分别加以独立存储，格式为DXF文档。1.2数据预处理在地形数据获取的过程中，由于设备误差、人员操作误差等各方面的原因，利用CASS从数字地形图中获取的空间三维数据中可能含有粗差，粗差的存在会对建立的数字高程模型的质量产生较大的影响，因此，在数据预计处理过程中必须将其剔除。目前，常用的粗差剔除方法主要有以下几种：（1）人机交互方法。（2）反距离加权法。（3）基于点方式剔除粗差的方法。（4）基于线性回归剔除粗差的方法。（5）基于三维可视化剔除粗差的方法等。由于利用CASS生成数字化地形图时，空间数据在成图的过程中已经过了较过严格的质量检查，空间数据中含有的粗差一般都较少，并且从CASS地形图中提取空间数据的过程中并不会损失数据的精度，因此，在进行空间数据粗差的剔除方法的选择上，本文选用基于三维可视化的人机交互方式进行粗差的剔除。基于三维可视化的人机交互方式，就是利用已生成好的空间数据文件，基于已有的三维可视化软件（例如ArcScene软件）生成三维可视化图形，通过人眼识别的方式找出图形的奇异点（即高差异常点），并将该点对应的空间数据删除，从而获得高精度的空间数据。2 TIN的建立对于不规则分布的高程点，可以形式化地描述为平面的一个无序的点集P，点集中每个点P对应于它的高程值。将该点集转成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成TIN的关键是Delaunay三角网的产生算法，下面先对Delaunay三角网和它的偶图Voronoi图作简要的描述。Voronoi图，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。N个在平面上有明显区别的点，可以根据最近邻原则分成平面：每个点都和它的最近邻区域相关联。而Delaunay三角形，是由与邻近Voronoi多边形共享一个边的相关点所连结而成的三角形。Delaunay三角形的外接图圆圆心，是与三角形相应的Voronoi多边形的另一个顶点。因此Delaunay三角形也是Voronoi图的偶图。目前普遍接受和采用的算法主要有三种：分割归并法、三角形生长法和逐点插入法。下面主要介绍一下三角形生长法的算法。这种方法的基本思路是：首先找到一个中间点将最近二点连接成一条边，然后根据狄洛尼三角网构成理论找到了第三点，再把这三个连接成初始三角形，然后以新三角形的每一个边的督脉扩展连接其他离散点，从而构成新三角形，把初始三角形的三边处理后，再以新三角形的边界联系其他离散点，直至把所有的离散点都覆盖在新三角网上。下面给出该算法的一般步骤：（1）在域内每个离散点上，查找图左下角的一个点为初始三角形上的第一个节点。（2）找出离第一顶点最近的一点，成为初始三角形的第二顶点，这两点相交形成了初始基线。（3）找出距离初始基线中点最近且不和己有两点在一条直线上的点作为初始三角形的第三个顶点，三点连接成三角形。（4）以三角形的两条新边作为新的基线。（5）重复步骤（3），（4）直到所有基线处理完毕。（6）该算法的时间复杂度在一般情况下为。最坏情况下达到，但占用内存空间较小。3 开采区地物模型生成3.1建筑物模型的建立建立建筑物的模型的基本流程如下：通过对建筑物每个230管理及其他Management and other倾斜点的相对位置从DEM得到一个高度数值，把该数值再加上地基高程H1，作为该倾斜点的实际高度，每个倾斜点的相对高度为应大致相似，但我们一般采用取平均值或取最低值的方式确定某个值为该建筑物的基准位置，用以确定建筑物模型的顶面高度与位置；根据所有建筑物的层数之和所确定的楼层高度确定了建筑物的标高H2型，再乘以基础高度后即得到模型顶面的高度H3。目视环境下，房屋呈现为与自身相同，且基础高度随地势而起伏。解决了房屋与地形匹配的方法有两种：3.1.1改变房屋模型在与地貌的结合中，要找到房屋所覆盖的地形面片中的最高点与最低点，然后把模型的水平基础面置于顶点，并且在房屋基础面以下的地方。这些模型可以应用在比较分散的点状特征体的地形匹配上。3.1.2改变地形模型若大片的居民区，其水平基准面面积相同，即可通过对地形模型的修改实现。可将多边形内的网格点高程置平后，将整个多边形剖分，或将多边形内经过的网格重新进行剖分。3.2道路模型的建立地形图信息中包括了多个不同层次的道路数据，信息的详尽程度也不尽相同，例如道路的等级、宽度以及路面材料等。如果是双线路面，首先需要对路面多边形加以封闭。但若是城市道路的中心线，则首先必须以该线为核心，再按照城市道路的等级将二端扩展为双线数据，然后再将其闭合成多边形。路面模型可通过高出于地表与贴近地表的二种方式进行建立，再根据其等级、长度等实际情况进行决定，最后将每个路面数封闭成多边形之后，便能够简单的创建模型了。对靠近地表的路面，可通过和植被、绿化地一样的搭建方式完成建模制作。假设已知道路中心线，道路宽度为W，其算法过程如下：（1）求出道路左、右边线的三维坐标值。（2）对道路面实施大三角面剖分。（3）循环求出道路左右侧边线与DEM所有交点的空间三维坐标，并将求得的交点加入到DEM中。（4）道路的简单剖分再加上DEM中数据的剖分，即可创建与地形匹配在一起的道路三维模型。3.3植被、绿化地、水系模型的建立中小比例尺地貌图上的外植被、大比例尺地貌图上的内绿化地都有明显的分隔线，且由于它们都紧贴在土壤地表上，其模型的基本构造也都比较为简单。首先，在通过DEM确定了其平面图形的边界节点尺寸之后，便可以建立在其范围内的土壤双曲面模型。水库、湖泊、塘等地下水体系均是具有明确边界的面形元素，由于其表面近乎于平面、范围又极小，因此可通过将平面多边形中的三角形剖分完成三角形网格的形成，同时通过DEM上得到其边际高程值并完成模型的建立。而对于线状河系元素，可直接通过从DEM上得到曲线中各点的高度值，并加以形象描述。3.4地形可视化的分层着色模式分层着色是指按照当前点的相对位置经由一个颜色映射方式，对三角形节点进行染色。在渲染场景时可以针对栅格点的高度位置进行区域分割，并按照区域顺序进行着色，其实现方法就和使用DEM高程值生成相同的纹理图像