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 ·747· 地表地形 断层 矿体 井巷工科 集合的建立，地下矿复合场中各仿真对象最终映射 为空间三维体素，其空间形态与相应特性也由体素 ⊙ U 进行了表达和承载 ⊙地形2⊙ 断层3⊙人 矿体3 U 竖井 地形地形匀晰层剽断层2矿体个体2水平巷道斜坡道 3 地下矿复合场的三维可视化 图2各仿真对象逻辑表达树的构建示意图 3.1一体化模型仿真 Fig.2 Building diagram of logic expression trees for simulation ob- 地下矿复合场中各种对象经逻辑结构和拓扑关 jects 系建模，几何特性、分布特性、矢量特性和时序特性 量按场元进行分割： 等在一体化模型中得以综合表达，为地下矿复合场 (2)属性定量化：将各空间场量的几何特性、分 三维可视化仿真奠定了基础. 布特性、矢量特性等属性离散化和规则化处理，并将 (1)对于几何特性的仿真.在一体化模型的场 不确定信息量化处理； 量中提取相关特性的场元集合，这些场元按逻辑树 (3)属性量场化：按定量化后的各离散点的空 运算后，通过在三维空间内组织与绘制体元，实现其 间位置进行几何特性、分布特性、矢量特性和时空顺 仿真对象的空间位置、空间关系和几何形状的描述 序特性等映射，计算区域内各场量的场元、场强及 (2)对于分布特性的仿真.在一体化模型的场 场向： 量中提取相关特性的场元集合以及场强，并以这些 (4)仿真对象单元化与系统化：建立各对象单 体元所载场强进行三维空间上的密度、强度、组分和 元与系统的逻辑结构和拓扑关系，标识对象单元所 岩性等分布属性量的描述 涉及的场元，构造一体化模型，从而统一构造地下矿 (3)对于矢量特性的仿真.在一体化模型的场 复合场单元对象和系统对象。即根据地表地形、矿 量中提取相关特性的场元集合以及场向，并以这些 体、断层和井巷工程等量场的组织结构，建立其一体 体元的单位向量进行井下风流方向、岩体应力方向 化模型的逻辑结构和拓扑关系，形成各仿真对象的 和水体流动方向等多维矢量的描述. 最终体素集合.其中包括：①地表地形体素集合的 (4)对于时空顺序特性的仿真.以一体化模型 建立.一体化模型中地表地形的体素集合由多个地 的时效为序，在系统时钟作用下，将各场量中场强集 表地形的体素集合直接求并形成，即其仅包括地形 合和场向集合进行顺次描绘，形成对象的动态仿真， 数据所映射的体素.在算法上通过对各地表地形体 如巷道掘进过程是部分地下矿岩体被巷道空间逐步 素遍历，统一进行地表地形标识，形成最终的地表地 替代的过程，从一体化模型的角度看，则是同一个区 形体素集合：②矿体体素集合的建立.一体化模型 域内的矿岩体场元集合被巷道开挖空间场元替代的 中矿体体素集合是由多个原始矿体集合对一体化模 过程 型断层集合和井巷集合求差后形成.在算法上，需 3.2地下矿复合场可视化 先对矿体的体素集合进行求并运算，形成矿体体素 基于构建的地下矿复合场一体化模型，本文以 集合，然后遍历矿体体素集合，分别将与断层体素集 国内某典型矿山的实际数据为例，实现了其地表 合重合的体素和井巷体素集合所重叠的体素剔除， 地形、断层和井巷工程等几何特性的三维可视化仿 并标识之，形成一体化矿体体素集合：③断层体素集 真、矿体的空间分布特性的三维可视化仿真、井下通 合的建立，一体化模型中断层体素集合是由多个原 风系统的矢量特性的三维可视化仿真和火灾灾害蔓 始断层的体素集合和一体化井巷模型集合求差运算 延过程的时空动态仿真，其仿真效果分别如图3~ 后形成.在算法上，需先对多个断层的体素集合进 图6所示.从仿真实现效果上看，构建的复合场一 行求并运算，形成断层体素集合，然后在集合中遍历 体化模型，对于地下矿复合场的各种场量（包括几 所有体素，剔除井巷映射到的体素，并标识之，形成 何场量、属性场量和参数场量)以及各个场量表现 一体化断层体素集合：④井巷工程体素集合的建立， 的各种特性（包括几何特性、分布特性、矢量特性和 一体化模型中井巷体素集合是由多个井巷的体素集 时空顺序特征)均可实现集成绘制和特定仿真对象 合直接求并形成，即仅包括井巷数据所映射的体素. 的绘制，克服了传统地矿工程建模中多种模型混合 在算法上，与地表地形体素集合建立过程相似 并用的问题，体现了复合场一体化模型对于地矿工 通过对地表地形、矿体、断层和井巷工程等体素 程的三维建模具有很好的适普性.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 图 2 各仿真对象逻辑表达树的构建示意图 Fig． 2 Building diagram of logic expression trees for simulation ob￾jects 量按场元进行分割; ( 2) 属性定量化: 将各空间场量的几何特性、分 布特性、矢量特性等属性离散化和规则化处理，并将 不确定信息量化处理; ( 3) 属性量场化: 按定量化后的各离散点的空 间位置进行几何特性、分布特性、矢量特性和时空顺 序特性等映射，计算区域内各场量的场元、场强及 场向; ( 4) 仿真对象单元化与系统化: 建立各对象单 元与系统的逻辑结构和拓扑关系，标识对象单元所 涉及的场元，构造一体化模型，从而统一构造地下矿 复合场单元对象和系统对象． 即根据地表地形、矿 体、断层和井巷工程等量场的组织结构，建立其一体 化模型的逻辑结构和拓扑关系，形成各仿真对象的 最终体素集合． 其中包括: ①地表地形体素集合的 建立． 一体化模型中地表地形的体素集合由多个地 表地形的体素集合直接求并形成，即其仅包括地形 数据所映射的体素． 在算法上通过对各地表地形体 素遍历，统一进行地表地形标识，形成最终的地表地 形体素集合; ②矿体体素集合的建立． 一体化模型 中矿体体素集合是由多个原始矿体集合对一体化模 型断层集合和井巷集合求差后形成． 在算法上，需 先对矿体的体素集合进行求并运算，形成矿体体素 集合，然后遍历矿体体素集合，分别将与断层体素集 合重合的体素和井巷体素集合所重叠的体素剔除， 并标识之，形成一体化矿体体素集合; ③断层体素集 合的建立，一体化模型中断层体素集合是由多个原 始断层的体素集合和一体化井巷模型集合求差运算 后形成． 在算法上，需先对多个断层的体素集合进 行求并运算，形成断层体素集合，然后在集合中遍历 所有体素，剔除井巷映射到的体素，并标识之，形成 一体化断层体素集合; ④井巷工程体素集合的建立， 一体化模型中井巷体素集合是由多个井巷的体素集 合直接求并形成，即仅包括井巷数据所映射的体素． 在算法上，与地表地形体素集合建立过程相似． 通过对地表地形、矿体、断层和井巷工程等体素 集合的建立，地下矿复合场中各仿真对象最终映射 为空间三维体素，其空间形态与相应特性也由体素 进行了表达和承载． 3 地下矿复合场的三维可视化 3. 1 一体化模型仿真 地下矿复合场中各种对象经逻辑结构和拓扑关 系建模，几何特性、分布特性、矢量特性和时序特性 等在一体化模型中得以综合表达，为地下矿复合场 三维可视化仿真奠定了基础． ( 1) 对于几何特性的仿真． 在一体化模型的场 量中提取相关特性的场元集合，这些场元按逻辑树 运算后，通过在三维空间内组织与绘制体元，实现其 仿真对象的空间位置、空间关系和几何形状的描述． ( 2) 对于分布特性的仿真． 在一体化模型的场 量中提取相关特性的场元集合以及场强，并以这些 体元所载场强进行三维空间上的密度、强度、组分和 岩性等分布属性量的描述． ( 3) 对于矢量特性的仿真． 在一体化模型的场 量中提取相关特性的场元集合以及场向，并以这些 体元的单位向量进行井下风流方向、岩体应力方向 和水体流动方向等多维矢量的描述． ( 4) 对于时空顺序特性的仿真． 以一体化模型 的时效为序，在系统时钟作用下，将各场量中场强集 合和场向集合进行顺次描绘，形成对象的动态仿真， 如巷道掘进过程是部分地下矿岩体被巷道空间逐步 替代的过程，从一体化模型的角度看，则是同一个区 域内的矿岩体场元集合被巷道开挖空间场元替代的 过程． 3. 2 地下矿复合场可视化 基于构建的地下矿复合场一体化模型，本文以 国内某典型矿山的实际数据为例［16］，实现了其地表 地形、断层和井巷工程等几何特性的三维可视化仿 真、矿体的空间分布特性的三维可视化仿真、井下通 风系统的矢量特性的三维可视化仿真和火灾灾害蔓 延过程的时空动态仿真，其仿真效果分别如图 3 ～ 图 6 所示． 从仿真实现效果上看，构建的复合场一 体化模型，对于地下矿复合场的各种场量( 包括几 何场量、属性场量和参数场量) 以及各个场量表现 的各种特性( 包括几何特性、分布特性、矢量特性和 时空顺序特征) 均可实现集成绘制和特定仿真对象 的绘制，克服了传统地矿工程建模中多种模型混合 并用的问题，体现了复合场一体化模型对于地矿工 程的三维建模具有很好的适普性． ·747·