第7期 李翠平等：地下矿复合场的一体化构模及三维可视化 ·745· 度、氧气及有害气体浓度、气悬颗粒浓度和突涌 围岩的物质组分及井下空间气象状态的分布特性、 水)，多种量场并存，参量相互影响，属性的空间分 通风系统的空气动力学的矢量特性和典型灾害发生 布与变化规律和系统的运动状态复杂，人们难以对 过程的动态时序特性等进行统一的描述. 其进行系统的数学或物理解析.但是，信息及计算 科学计算可视化尤其是体绘制技术为构建地下 技术的发展为研究地下矿复合场的一体化数字构模 矿复合场的一体化模型创造了条件3-W.体绘制 奠定了基础，三维可视化技术为地下矿复合场的动 技术是科学计算可视化的一个重要组成部分，它是 态仿真和属性关系的直观表达创造了条件. 在吸收图像处理、计算机视觉和计算机图形学等学 科有关知识的基础上发展起来的一种绘制技术.体 1地下矿复合场的场量表征 绘制技术以体素来描述研究对象，表达对象内外的 地下矿复合场场量主要包括：有关地表地形、地 全部信息. 矿体、地质构造、地质界面和井巷工程等的几何场 虽然地下矿复合场各空间场量涉及不同学科领 量；有关多介质地层体的属性场量，包括矿岩体的物 域，但在相应领域理论的支持下，这些场量均可在对 质组分、品位和力学性能等分布场量；有关井下气象 测定点数据预处理后，利用数据预处理、数值计算和 的参数场量，包括温度、湿度、有害气体及粉尘粒子 空间映射等技术，形成表征空间量场及内部特征的 浓度等参量及其分布等 三维空间离散点集，进而可以在此数据集合基础上 对于地下矿复合场的几何场量、属性场量和参 建立地下矿复合场的数字模型.在数据离散化和量 数场量，表现出以界线、界面和实体等空间形态信息 场数字模型建立的过程中，三维空间中的场量离散 为主的几何特性，以矿岩属性及三维空间分布信息 点与体视化技术中的体素得到统一，从而构成地下 为主的分布特性，以具有方向信息为主的矢量特性， 矿复合场的一体化数字模型及其三维可视化仿真技 以及随时间和空间而动态变化的时空顺序特征 术的共同基础 具有几何特性的空间场量包括矿区地理环境、 2.2一体化模型结构 地表地形、地质构造、地质界面、矿体形态、围岩形态 2.2.1模型要素 和井巷工程等，对于这些场量的几何特性需要进行 为表达地下矿复合场中的多种量场及其相互影 对象的三维空间位置、形态的描述 响，提出一体化模型的基本要素，包括区域、场量和 具有分布特性的空间场量包括矿石质量（如品 时效三类的.区域是以具有属性的体素表达三维 位、煤质等空间分布)、地层与围岩性质和井下气象 空间；场量是对地下矿复合场中几何特性、分布特性 参量的空间分布量，对于这些场量的分布特性除了 和矢量特性进行表征，其结构是一个三元组，包括场 需要空间位置关系的描述，还需进行分布密度的表 元、场强和场向三部分：时效反映地下矿复合场中时 达，如空间某一位置某种矿石品位值的大小. 序特性的描述，表示持续的时间. 具有矢量特性的空间场量包括矿岩力学性质、 场量的三元组各部分涵义如下：(1)场元是地 井下气象参量的动态变化量等，对于这些场量的矢 下矿复合场中几何特性的载体，表现为占据一定三 量特征除了需要空间位置和分布密度的描述，还需 维空间的不可压缩、不可再分的立方体，即体素，是 进行矢量方向的描述，如巷道中气体、水体的流动方 区域的基本组成单位；(2)场强是对场量的数值表 向，围岩压力与围岩变形发展. 示，是与时效相对应的数值集合：(3)场向是对场量 伴随矿山开采的进行，井下地矿体的空间形态、 的方向表示，是与时效相对应的方向集合 地下开挖的空间位置及衔接关系、围岩力学性质、水 一体化模型通过定义区域要素使地下矿复合场 文状况和井下气候等场量随之变化，表现出相应场 的空间范围得以界定，通过定义场量要素包括场元、 量的时序性变化.地下矿复合场是一个以时间和空 场强和场向使复合场中的空间几何特性、分布密度 间为序的动态系统 特性和矢量特性得以描述，通过系统时钟定义时效 2地下矿复合场的一体化模型 要素使各场量随时间的变化得以限定.故此，基于 区域、场量（场元、场强、场向）和时效三类要素，一 2.1场量与体素的统一 体化模型可对地下矿复合场中各种量场进行建模及 地下矿复合场是一个动态、多维的复杂系统，故 仿真 需要建立动态的、发展的空间模型，能够同时对地矿 2.2.2模型场量化 体的空间形态、井巷的空间关系等几何特性、矿体与 模型场量化是指将地下矿复合场中的空间场量第 7 期 李翠平等: 地下矿复合场的一体化构模及三维可视化 度、氧气及有害气体浓度、气悬颗粒浓度和突涌 水) ，多种量场并存，参量相互影响，属性的空间分 布与变化规律和系统的运动状态复杂，人们难以对 其进行系统的数学或物理解析． 但是，信息及计算 技术的发展为研究地下矿复合场的一体化数字构模 奠定了基础，三维可视化技术为地下矿复合场的动 态仿真和属性关系的直观表达创造了条件． 1 地下矿复合场的场量表征 地下矿复合场场量主要包括: 有关地表地形、地 矿体、地质构造、地质界面和井巷工程等的几何场 量; 有关多介质地层体的属性场量，包括矿岩体的物 质组分、品位和力学性能等分布场量; 有关井下气象 的参数场量，包括温度、湿度、有害气体及粉尘粒子 浓度等参量及其分布等． 对于地下矿复合场的几何场量、属性场量和参 数场量，表现出以界线、界面和实体等空间形态信息 为主的几何特性，以矿岩属性及三维空间分布信息 为主的分布特性，以具有方向信息为主的矢量特性， 以及随时间和空间而动态变化的时空顺序特征． 具有几何特性的空间场量包括矿区地理环境、 地表地形、地质构造、地质界面、矿体形态、围岩形态 和井巷工程等，对于这些场量的几何特性需要进行 对象的三维空间位置、形态的描述． 具有分布特性的空间场量包括矿石质量( 如品 位、煤质等空间分布) 、地层与围岩性质和井下气象 参量的空间分布量，对于这些场量的分布特性除了 需要空间位置关系的描述，还需进行分布密度的表 达，如空间某一位置某种矿石品位值的大小． 具有矢量特性的空间场量包括矿岩力学性质、 井下气象参量的动态变化量等，对于这些场量的矢 量特征除了需要空间位置和分布密度的描述，还需 进行矢量方向的描述，如巷道中气体、水体的流动方 向，围岩压力与围岩变形发展． 伴随矿山开采的进行，井下地矿体的空间形态、 地下开挖的空间位置及衔接关系、围岩力学性质、水 文状况和井下气候等场量随之变化，表现出相应场 量的时序性变化． 地下矿复合场是一个以时间和空 间为序的动态系统． 2 地下矿复合场的一体化模型 2. 1 场量与体素的统一 地下矿复合场是一个动态、多维的复杂系统，故 需要建立动态的、发展的空间模型，能够同时对地矿 体的空间形态、井巷的空间关系等几何特性、矿体与 围岩的物质组分及井下空间气象状态的分布特性、 通风系统的空气动力学的矢量特性和典型灾害发生 过程的动态时序特性等进行统一的描述． 科学计算可视化尤其是体绘制技术为构建地下 矿复合场的一体化模型创造了条件［13--14］． 体绘制 技术是科学计算可视化的一个重要组成部分，它是 在吸收图像处理、计算机视觉和计算机图形学等学 科有关知识的基础上发展起来的一种绘制技术． 体 绘制技术以体素来描述研究对象，表达对象内外的 全部信息． 虽然地下矿复合场各空间场量涉及不同学科领 域，但在相应领域理论的支持下，这些场量均可在对 测定点数据预处理后，利用数据预处理、数值计算和 空间映射等技术，形成表征空间量场及内部特征的 三维空间离散点集，进而可以在此数据集合基础上 建立地下矿复合场的数字模型． 在数据离散化和量 场数字模型建立的过程中，三维空间中的场量离散 点与体视化技术中的体素得到统一，从而构成地下 矿复合场的一体化数字模型及其三维可视化仿真技 术的共同基础． 2. 2 一体化模型结构 2. 2. 1 模型要素 为表达地下矿复合场中的多种量场及其相互影 响，提出一体化模型的基本要素，包括区域、场量和 时效三类［15］． 区域是以具有属性的体素表达三维 空间; 场量是对地下矿复合场中几何特性、分布特性 和矢量特性进行表征，其结构是一个三元组，包括场 元、场强和场向三部分; 时效反映地下矿复合场中时 序特性的描述，表示持续的时间． 场量的三元组各部分涵义如下: ( 1) 场元是地 下矿复合场中几何特性的载体，表现为占据一定三 维空间的不可压缩、不可再分的立方体，即体素，是 区域的基本组成单位; ( 2) 场强是对场量的数值表 示，是与时效相对应的数值集合; ( 3) 场向是对场量 的方向表示，是与时效相对应的方向集合． 一体化模型通过定义区域要素使地下矿复合场 的空间范围得以界定，通过定义场量要素包括场元、 场强和场向使复合场中的空间几何特性、分布密度 特性和矢量特性得以描述，通过系统时钟定义时效 要素使各场量随时间的变化得以限定． 故此，基于 区域、场量( 场元、场强、场向) 和时效三类要素，一 体化模型可对地下矿复合场中各种量场进行建模及 仿真． 2. 2. 2 模型场量化 模型场量化是指将地下矿复合场中的空间场量 ·745·