第7期 李仲学等：矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 .653 相互作用关系具有复杂的不确定性·譬如，矿体与 通过研究井巷工程数据的处理方式，设计相应的数 地质构造的空间几何形态具有不规则性，矿岩组分 据结构，并运用三维绘制技术，实现在计算机上对三 及物理力学性能具有各向异性，井下气象参量诸如 维井下开挖及其空间位置与相互关系的直观显 气温、湿度、有害气体浓度、气悬颗粒浓度等具有分 示] 布不均匀性和动态性，再如，地矿工程对象具有大 还如，地矿体及井巷工程的集成模型则是对地 尺度、常以km计：地层为埋藏于地下的固气液多介 矿体与有关井巷工程或地下开挖之间关系的描述， 质，属性信息难于直接观测：人们对矿山复合场中有 利用集成模型可以直观地表达井巷工程间的位置关 关属性信息的认识一般只局限于有限的采样数据， 系，以及井巷工程在矿体中的布置情况[同.地矿体 因此，有效地量化不确定性信息便成为研究矿山复 及井巷工程的集成模型构成了矿山复合场模型研究 合场及其一体化数字模型的关键方法，克立格、人 的基础 工神经网络、支持向量机、粗糙集等理论、技术与方 同样，可以在地矿体及井巷工程集成模型基础 法是实现地矿的复合场不确定信息定量化的重要 上，进一步集成地表数字模型、地质构造模型、矿岩 途径 界面模型、矿体围岩及地层力学模型、井下空间气象 粗糙集(rough set)理论作为一种处理不确定信 量场模型等，形成矿山复合场的一体化数字模型，不 息的软计算(soft computing)数学理论，不需任何先 仅包括对矿体地质属性描述和井下开挖几何属性描 验信息，直接利用数据本身提供的信息，就能有效地 述，而且包括地表地形、固液气多相介质物理及力学 分析不精确、不一致、不完整等不确定因素③)，故可 属性、井下气象属性等量场的描述 以基于粗糙集理论进行地矿复合场不确定信息的量 矿山复合场的可视化仿真就是在相应领域的有 化处理.矿山复合场的量化步骤为：通过直接利用 关量场理论、模型和方法的支持下，通过研究复合场 矿山原始探矿资料及各种现场采样信息，获取影响 量数据的处理方式和结构方式，运用可视化技术和 地质构造、矿岩属性、空间场量的各种可能因素；经 分类分层表现技术，实现在计算机上对矿山复合场 知识约简剔除冗余信息，确定各可能因素中影响地 进行直观与逼真地体现，借以提高人们对矿山复合 质构造、矿岩属性、空间场量的关键因素；经规则抽 场及其间关系复杂性的认知能力， 取获得确定性规则和广义决策规则，来定量表达各 2.4基于WB的三维可视化技术 关键因素对地质构造、矿岩属性、空间场量的影响 传统的矿业应用软件特别是图形处理软件，主 效果 要考察单一量场的问题，且多基于单机或工作站环 2.3矿山复合场统一模型及其可视化仿真 境，互联网技术应用的普及和新一代互联网技术的 矿山复合场及其一体化数字模型是地表数字模 发展，使得人们可以跨越时空界限来研究和解决矿 型、矿化模型、地质构造模型、矿岩界面模型、井巷工 山的工程技术、生产运作、预测预警、监督管理等问 程模型、围岩力学模型、井下空间气象量场模型等的 题，因此，研究基于WEB的矿山复合场的一体化数 必然发展，是研究“数字矿山"技术及建立“数字矿 字模型与可视化技术及系统便成为有关学科交叉的 山”系统的基础 前沿，具有前瞻性 譬如，矿化模型可以看作是对矿体地质属性量 建立基于WEB的矿山复合场三维可视化系统 场的描述，包括矿体及地质构造空间数据的组织形 的技术途径和手段包括VRML、X3D及基于Java语 式及其数据结构形式，矿化模型需要定义矿体空间 言的Java3D和JOGL等，VRML、X3D均可用来产 实体、实体属性及其相互间关系，以及确定数据实体 生交互式的虚拟现实场景，但作为三维多媒体内容 及其关系，构建矿化模型，还需要考虑数据结构的 处理的手段，其文件格式在本质上仍然是传统的数 设计.矿化模型的三维可视化就是在建立三维矿化 据文件，缺乏对运用可视化技术和可视化算法的直 模型的数学表达和相应数据结构的基础上，通过三 接支持，基于Java的Java3D和JOGL不仅能够像 维绘制技术实现在计算机上对矿床及其属性的直观 VRML一样支持视景图形处理，而且能够支持高层 表现[4) 次实时模式的图形处理，尤其是JOGL还能够为采 再如，井巷工程或者井下开挖模型可以看作是 用Java开发的应用程序提供强大的3D图形硬件支 对井下开挖几何量场的描述，包括地矿工程空间实 持，并对几乎所有第三方开发商提供访问接口门. 体及其相互间联系，以及井巷工程数据的组织和井 本文的研究工作选择J0GL技术作为建立基于 巷工程数据库的设计，井巷工程模型的三维可视化 WEB的矿山复合场三维可视化仿真系统的实现相互作用关系具有复杂的不确定性．譬如‚矿体与 地质构造的空间几何形态具有不规则性‚矿岩组分 及物理力学性能具有各向异性‚井下气象参量诸如 气温、湿度、有害气体浓度、气悬颗粒浓度等具有分 布不均匀性和动态性．再如‚地矿工程对象具有大 尺度、常以 km 计；地层为埋藏于地下的固气液多介 质‚属性信息难于直接观测；人们对矿山复合场中有 关属性信息的认识一般只局限于有限的采样数据． 因此‚有效地量化不确定性信息便成为研究矿山复 合场及其一体化数字模型的关键方法．克立格、人 工神经网络、支持向量机、粗糙集等理论、技术与方 法是实现地矿的复合场不确定信息定量化的重要 途径． 粗糙集（rough set）理论作为一种处理不确定信 息的软计算（soft computing）数学理论‚不需任何先 验信息‚直接利用数据本身提供的信息‚就能有效地 分析不精确、不一致、不完整等不确定因素［3］‚故可 以基于粗糙集理论进行地矿复合场不确定信息的量 化处理．矿山复合场的量化步骤为：通过直接利用 矿山原始探矿资料及各种现场采样信息‚获取影响 地质构造、矿岩属性、空间场量的各种可能因素；经 知识约简剔除冗余信息‚确定各可能因素中影响地 质构造、矿岩属性、空间场量的关键因素；经规则抽 取获得确定性规则和广义决策规则‚来定量表达各 关键因素对地质构造、矿岩属性、空间场量的影响 效果． 2∙3 矿山复合场统一模型及其可视化仿真 矿山复合场及其一体化数字模型是地表数字模 型、矿化模型、地质构造模型、矿岩界面模型、井巷工 程模型、围岩力学模型、井下空间气象量场模型等的 必然发展‚是研究“数字矿山”技术及建立“数字矿 山”系统的基础． 譬如‚矿化模型可以看作是对矿体地质属性量 场的描述‚包括矿体及地质构造空间数据的组织形 式及其数据结构形式．矿化模型需要定义矿体空间 实体、实体属性及其相互间关系‚以及确定数据实体 及其关系．构建矿化模型‚还需要考虑数据结构的 设计．矿化模型的三维可视化就是在建立三维矿化 模型的数学表达和相应数据结构的基础上‚通过三 维绘制技术实现在计算机上对矿床及其属性的直观 表现［4］． 再如‚井巷工程或者井下开挖模型可以看作是 对井下开挖几何量场的描述‚包括地矿工程空间实 体及其相互间联系‚以及井巷工程数据的组织和井 巷工程数据库的设计．井巷工程模型的三维可视化 通过研究井巷工程数据的处理方式‚设计相应的数 据结构‚并运用三维绘制技术‚实现在计算机上对三 维井下开挖及其空间位置与相互关系的直观显 示［5］． 还如‚地矿体及井巷工程的集成模型则是对地 矿体与有关井巷工程或地下开挖之间关系的描述‚ 利用集成模型可以直观地表达井巷工程间的位置关 系‚以及井巷工程在矿体中的布置情况［6］．地矿体 及井巷工程的集成模型构成了矿山复合场模型研究 的基础． 同样‚可以在地矿体及井巷工程集成模型基础 上‚进一步集成地表数字模型、地质构造模型、矿岩 界面模型、矿体围岩及地层力学模型、井下空间气象 量场模型等‚形成矿山复合场的一体化数字模型‚不 仅包括对矿体地质属性描述和井下开挖几何属性描 述‚而且包括地表地形、固液气多相介质物理及力学 属性、井下气象属性等量场的描述． 矿山复合场的可视化仿真就是在相应领域的有 关量场理论、模型和方法的支持下‚通过研究复合场 量数据的处理方式和结构方式‚运用可视化技术和 分类分层表现技术‚实现在计算机上对矿山复合场 进行直观与逼真地体现‚借以提高人们对矿山复合 场及其间关系复杂性的认知能力． 2∙4 基于 WEB 的三维可视化技术 传统的矿业应用软件特别是图形处理软件‚主 要考察单一量场的问题‚且多基于单机或工作站环 境．互联网技术应用的普及和新一代互联网技术的 发展‚使得人们可以跨越时空界限来研究和解决矿 山的工程技术、生产运作、预测预警、监督管理等问 题．因此‚研究基于 WEB 的矿山复合场的一体化数 字模型与可视化技术及系统便成为有关学科交叉的 前沿‚具有前瞻性． 建立基于 WEB 的矿山复合场三维可视化系统 的技术途径和手段包括 VRML、X3D 及基于 Java 语 言的 Java3D 和 JOGL 等．VRML、X3D 均可用来产 生交互式的虚拟现实场景‚但作为三维多媒体内容 处理的手段‚其文件格式在本质上仍然是传统的数 据文件‚缺乏对运用可视化技术和可视化算法的直 接支持．基于 Java 的 Java3D 和 JOGL 不仅能够像 VRML 一样支持视景图形处理‚而且能够支持高层 次实时模式的图形处理‚尤其是 JOGL 还能够为采 用 Java 开发的应用程序提供强大的3D 图形硬件支 持‚并对几乎所有第三方开发商提供访问接口［7］． 本文的研究工作选择 JOGL 技术作为建立基于 WEB 的矿山复合场三维可视化仿真系统的实现 第7期 李仲学等： 矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 ·653·