数字化矿山的建模ppt课件

CAD技术在矿山信息化中的应用,1,数字矿山的概念及框架 三维矿山建模方法 数字矿业软件的应用 二维矿图的绘制 设计案例展示及应用系统开发,2,一、数字矿山的概念及框架,1998年底，前美国副总统戈尔提出了数字地球（Digital Earth，DE）的概念，指出将各种与地球相关的信息集成起来，可实现对地球的数字化、可视化表达，以及多尺度、多分辨率动态交互。 矿山信息化基本现状：（1）空间基础信息不足：由于中国矿山资源赋存条件的复杂性、地质勘探程度的有限性、地质勘探手段的局限性，以及矿床资源与地质环境固有的不确定性影响，导致矿山可获得并有效利用的地质矿产资源信息不足，尤其是数字化、可视化的空间基础信息所占比例相当低。（2）信息孤岛现象严重：由于缺乏矿山空间数据集成与共享环境，导致包括地质、测量、传感在内的各类矿山静态、动态数据分别管理、相互孤立，不能或难以进行集成、融合与共享利用。面对众多的矿山信息孤岛，人们难以认识和发现不同数据之间的联系及其隐藏的有用信息。 数字矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域，它涵盖了矿山企业生产经营的全过程。所谓数字矿山是采用现代信息技术、数据库技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素实现采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS)、科学计算(SC)、可视化(VS)、办公自动化等多技术高度集成。从而将企业的安全生产与经营管理业务流程数字化并加工成新的信息资源，及时准确地提供给各层次的管理者及时掌握动态业务中的一切信息，以做出有利于生产要素组合优化的决策，使企业资源合理配置，从而使企业能够适应瞬息万变的市场经济竞争环境，求得最大的经济效益。,3,3.生产过程安全监控与预警系统,1.矿山海量、异质、时空数据库及分析系统,5.矿山ERP系统,数字矿山框架,4.信息快速 传输系统,2.生产过程的控制,4,数字矿山建设总体框架示意图,5,问题：如何绘制图样？如何建模？ 矿山数字化的主要图样包括：平面图、剖面图、地质地形图、矿岩体三维仿真图等 解决方法： 二维矿图的绘制：采掘工程平面图，地形图，矿区平面图等。可采用AutoCAD，专用矿图绘制软件完成 三维模型的绘制：地形，煤矿设备，房屋，人员等。可采用3DMax，Maya，Solidworks， 以及其他专门软件完成 矿山建模专用的有代表性的软件有： MapGis（武汉中地数码科技有限公司） 3DMine（北京三地曼公司） D-Mine（长沙迪迈信息科技有限公司）,6,二、三维矿山建模方法,矿山建模是数字矿山的重要组成部分，建模范围主要包括地表、地物、建筑、植被等。 三维矿山定义：三维矿山是在测量、地质、采矿、选矿、安全等各个专业知识和技术资料比较完备的基础上，结合相应软件建立起来的三维模拟图形，可以相当真实地立体展示地表形态和生产现场实际情况，模拟再现生产现场的调度指挥。 三维矿山系统建模关键技术：主要包括三维地形的建立、三维模型和三 维景观的制作、LOD 技术、虚拟现实技术、数据库建设与 三维管理软件开发等。 目前，矿山三维维建模及可视化的软件及方法很多，如何运用软件快速简便的进行建模，已成为我们亟待解决的问题。,7,（一）三维矿山建模技术流程,1. 地形图绘制 利用 GPS 等先进测绘手段绘制地形图，主要包括: 平面控制测量、GPS 控制网测量、高程控制测量、图根控制测量、全野外数据采集、地形图数据编辑、成果整理等。 2.三维地形的建立 利用高精度数字高程模型( DEM) 和数字正射模型( DOM) 或更先进的 三维建模模型建立三维地形，从而表达区域地形地貌。 3.三维模型和三维景观的制作 矿区工业区和生活区典型地物的三维建模，主要包括永久性建筑及其附属物; 三维景观包括地面管线设施、道路及其附属设施、植被、水系等。利用三维建模工具对以上地物进行基于地理信息和外业采集图片的三维立体建模，从而用三维图表达真实的地物外观和整体结构。 4.信息数据库建设 建立信息数据库，其包含重点地区的矢量信息、属性信息和地标信息等内容，用于与相关地物的关联，点击地物时可看到这些信息。 5.三维管理软件开发 进行三维软件的开发，包括创建和定制各种功能和菜单的界面。主要实现查询、量测、定位、规划、模拟现场、增减建筑物( 授权) 等功能，并实现对三维地图内容的任意比例尺、任意角度浏览和对现场的管理。技术流程如图 1 所示。,8,9,（二）三维建模基本步骤,纹理采集与信息采集：相机采集数码照片； 模型建立 工作流程首先对招标方提供的白模数据进行必要的处理，矢量数据生成统一格式( ARCGIS 的 shp 格式) ，地形数据( 等高线、高程点) 生成 DEM，正射影像( tif 格式) ; 然后分类型进行地形建模、建筑建模、植被建模等。 1）建模工具： 仿真建模工具Creator、SketchUp 辅助建模工具3DMAX; 数据转换工具Deep Exploration; 数据提取工具ArcInfo、AutoCAD 2) 地形建模 采用 专用设计软件，如Terra Vista 软件，导入建模区的 DEM，并导入对应区域的 DOM，以及河流道路等矢量数据，生成 3 维地形( 包括河流、道路等) ，格式为 open flight，采用 Deep Explo-ration 软件，将其转换为 3ds 格式。 3) 建筑建模 4) 植被及其他复杂建模 5) 模型贴图 纹理映射：,10,（三）矿体的三维建模方法,图3 数字高程模型DEM,11,数字高程模型DEM的表示和生成方法,数字地面模型（Digital Terrain Model, DTM）是地表形态等多种信息的一个数字表示，其中的属性包括地形（x, y, z）、地貌、地物、自然资源、环境、社会经济等等信息的定量或定性描述； 数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是表示区域上地形三维向量的有限序列Vi= (Xi, Yi, Zi) Xi, YiD是平面坐标，Zi是（Xi, Yi）对应的高程，对于规则格网Vi= Zi；也称DHM( Digital Height Model) 4D产品：数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(Digital Ortho image Map，DOM)、数字线划图(Digital Line Graphic, DLG) 和数字栅格地图(Digital Raster Graphic, DRG)等。前3D为国家空间数据基础设施（NSDI）的框架数据.,12,1. DEM的表示方法及数据来源和生成方法,数字地形的表达可分为：矢量(点、等高线）；三角网；栅格（连续栅格） （1）DEM的来源： GPS接收仪、普通测量设备（如经纬仪），用于小范围内各种大比例尺高精度的地形建模，这种数据获取方法的工作量很大，效率不高，费用高昂； 地形图：数字化或由等高线自动生成。对于经济发达地区，由于土地开发利用使得地形地貌变化剧烈而且迅速，既有地图往往也不宜作为DEM的数据源；但对于其他经济落后地区如山区，因地形变化小，既有地图无疑是物美价廉的数据源。 航空影像：航空影像测量方法可直接得到DEM。 航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获取的影像是高精度大范围DEM生产最有价值的数据源。利用该数据源，可以快速获取或更新大面积的DEM数据，从而满足对数据现实性的要求。 卫星扫描系统（如SPOT卫星1上的立体扫描仪）获取的图像也能提供DEM； SAR2：雷达干涉波可直接得到DEM；,13,（1）DEM的数据来源,遥感卫星： 机载激光扫描仪也可直接获取DEM；,经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。,电子经纬仪,光学经纬仪,14,人工网格法： 将地形图蒙上格网，逐格读取中心或交叉点的高程值、构成数字高程模型。 摄影测量法： 利用遥感立体像对1，根据视差模型，通过选配左右影像的同名点，可建立数字高程模型。 等值线插值 根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。等值线插值法是比较常用的方法，输入等值线后，可在矢量格式的等值线数据基础上进行，插值效果较好。 高程点插值方法 以不规则点图元组织的Z变量的数据，并不适合于图形显示，也不适于进行分析。高级曲面分析要求将Z值转换成一个规则间距空间格网【2】，或者转换成不规则三角形网（TIN）【3】。栅格法可用来将不规则的空间数据转化为规则格网的空间模式。 栅格法 以一系列不规则分布的点图元为基础，它涉及某个有效范围内任意点Z值的内插，这个生成的点通常在在格网垂直线与水平线的交叉处。 三角网转换法：,（2）DEM的生成方法,15,空间插值,定义：根据一组已知的离散数据或分区数据，按照某种数学关系推求出其他未知点或未知区域的数据的数学过程。 分类：根据使用已知采样点范围分：整体拟合和局部拟合；从内插的具体内容分：点的内插和区域内插。,16,等高线插值算法生成DEM的方法,采用移动拟合加权平均插值方法。设A点为待内插的点，从A点按45的方位间隔引出八条搜索射线，八条射线与A点相邻等高线的交点为C1，C2Ci，其高程分别为Z1，Z2Zi，它们到P点的距离设为d1，d2di，则P点的插值高程Zp为,17,DEM生成方法：三角网转换法,对有限个离散点，每三个邻近点联接成三角形，构成三角网。每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面的拟合方程，可计算各格网点高程，生成DEM。,18,1）TIN的生成方法,首先取其中任一点P，在其余各点中寻找与此点距离最近的点P1，连接P和P1构成三角形的第一边，然后在其余所有点中寻找与这条边最近的点P2 ，找到后即构成第一个三角形，再以这个三角形新生成的两边为底边分别寻找距它们最近的点构成第二个、第三个三角形，依此类推，直到把所有的点全部连入三角网中。,19,（2）三角网的插值：双线性方法,目标：求落在各个三角形内的网络点高程值（包括落在三角形边上的点） 方法：待求点落在三角形ABC内，先用线性插值的方法，求D，E两点的值。设A，B，C，D，E，P处的值分别为VA、VB、VC、VD、VE，其中VA、VB、VC为已知，在DEM中实质上为高程值，则D、E两点处的插值为,则P点的插值为：,20,DEM生成方法小结,DEM数据采集的几点结论 摄影测量是DEM的重要数据源，是进行数据库更新的最有效方法之一； 现有地形图是DEM的另一重要数据源，从等高线生产DEM的方法已经完全成熟，被广泛地用于生产； 使用GPS、激光扫描、干涉雷达等新型技术进行DEM数据采集是很有发展前景的方法； 利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据建模和栅格转换，是快速可靠地生产高精度DEM的切实可行方案； 无论哪种方法，最大限度地采集重要的地形特征点是保证DEM质量和提高作业效率的基本前提；,21,ARCMap软件主要界面,22,（4）巷道的三维建模,基本方法,23,24,Why三维建模？,看图！,07:55,24,煤矿巷道三维可视化问题,巷道多：近400条 空间关系复杂：不同高度处理 接头与交叉多 巷道颜色：蓝色煤巷，黄色岩巷 如何解决？,25,25,煤矿巷道三维可视化流程,26,26,27,国投登封教学三矿立体图,07:55,27,28,基于引擎模式构建的三维巷道截图,29,基于引擎模式构建的三维巷道截图,基于引擎模式构建的三维巷道截图,30,三、数字矿业软件的实际应用,（一）绘制地质剖面 地质技术人员用钻孔（坐标、测斜、品位表）数据导入数据库，然后将数据库在矿业软件中生成钻孔轨迹图。根据钻孔见矿信息，圈出矿体边界。,31,三、数字矿业软件的实际应用,（二）实体模型建模 1、什么是实体模型 实体模型是一个三维的数据三角网，是用来描述三维空间的物体，是三维模型的基础。实体是一个封闭的面，不同于DTM(数字地形模型)，它有内外之分。,矿体实体模型,DTM表面模型,32,三、数字矿业软件的实际应用,实体模型是由一系列在线上的点连成内外不透气的三角网，三角网由一系列相邻的三角面构成，由这些三角面包裹成内外不透气的实体。这些三角网在平面视图上肯定有交叠，但在三维空间中，任何两个三角面之间不能有交叉，重叠，任何一个三角面的边必须有相邻的三角面，任何三角面的三个顶点必须依附在有效的点上，否则实体是开放的或无效的。,三角网算法：用一系列的点和线，三个点之间连成面，所有面的集合来反映物体的轮廓，采用什么样的算法使得三角面的集合最能反映物体的轮廓，这就是三角网算法解决的问题，传统的TIN生成算法主要有边扩展法，点插入法，递归分割法等,33,三、数字矿业软件的实际应用,（三）块体模型 块体模型概念是在空间上，在一定的范围内，确定一定尺寸的空间块体，相对应的块体都有一个质心点，这样，在质心点上可以存储所有属性；同时，引进次级模块的概念，则是保证矿体边缘的块体尽可能地与矿体界线（曲面）相一致，从而得到准确的报告值。 块体模型的重要特点之一：与地质统计学相结合，应用数学方法对品位分布进行估值，从而形成一定约束条件下的品位模型。原因：品位分布在资源中受地质因素控制而明显存在。 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。,34,三、数字矿业软件的实际应用,块体模型实例,35,三、数字矿业软件的实际应用,在创建块体模型时需要明确的几个概念： 1.块体空间范围 尽可能建立的块体模型能够包含所有矿体以及采掘的岩石范围，以便可以计算出矿岩量，而不仅仅是矿体范围。 2.块体尺寸 通常情况下，块体尺寸的大小取决于矿体的类型、规模和采掘方式，例如，脉状金矿或铜矿与层状铁矿的块体尺寸是不同的，并且露天开采与地下开采方式的不同，定义的块体尺寸也是不同的。 3.次级模块 每个一定体积的长方体叠加构成了块体模型，然而，在矿体边缘（曲面），需要对边缘块体进行分割成更次一级的子块，以期使得矿体边缘的块体更接近于矿体，从而保证了计算的误差在许可范围之内。次级模块的分割是几何级数进行，也不能太小。,36,三、数字矿业软件的实际应用,4.估值方法 通常根据矿床类型和样品数量来选择不同的估值方法。 对于详查或勘探级别的矿山而言，数据量往往不多，一般采用距离幂次反比或最近距离法（ Inverse Distance Squared,）是一种权重平均插值法。其基本原理是:假定样点间的信息是相关的,且依样点距离间隔的变化相似。 对于详细勘探和生产矿山来讲，样品量比较大，可以选用克里格法（Kriging method,将矿化现象视为与空间位置相关的随机变量（即区域化变量），用变异函数作工具，能进行无偏估计且提供估计误差的储量计算方法。），但需要对数据进行分析后才能使用。,钻孔取样点： 如：ZK40,块体大小 X=10.00 Y=10.00 Z=5.00 TFe = 27.50 类型 = 铁矿 比重 = 3.17,估值点： 块体大小 X=10.00 Y=10.00 Z=5.00 TFe = 26.70 类型 = 铁矿 比重 = 3.17,37,三、数字矿业软件的实际应用,5.储量计算方法 通过对每个块体进行赋值，每个块体都有一个品位值、比重、体积。 单个块体金属量等于品位值*比重*体积。 矿体金属量,结论： 根据三角网建模技术，对任意形态的物体都可以通过一系列的散点或剖面创建地质模型，如矿体模型、夹石模型、区域地层模型、构造断层和破碎带模型、以及其他任意实体模型。,38,数字矿山与三维矿业软件,可视化整体开采模型,39,数字矿山与三维矿业软件,工业区虚拟现实,40,41,42,43,44,45,46,47,CAD应用案例展示,液压支架的建模与仿真 煤矿巷道的三维可视化 矿山井架CAD 井架基础CAD,48,