D0I:10.13374M.issn1001-053x.2012.07.007 第34卷第7期 北京科技大学学报 Vol.34 No.7 2012年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2012 地下矿复合场的一体化构模及三维可视化 李翠平李仲学四曹志国李鑫 北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zxli@usth.eu.cn 摘要从矿山工程数字化及可视化的角度，将地下矿山看作是一包含多种几何量、属性量、参数量和状态量的动态量场，称 之为地下矿复合场.通过分析各类空间场量的几何特性、分布特性、矢量特性和时空顺序特性，给出了各类空间场量及其相互 关系的表征方法，进而提出了基于体素的一体化数字模型.经空间场量体素化、定量化、场量化及一体化处理，形成了地下矿 复合场的一体化模型构建技术.以国内某典型矿山的实际数据为例，实现了地表地形、断层和井巷工程等几何特性、矿石品位 的空间分布特性、井下通风系统的矢量特性的三维可视化仿真及火灾蔓延的动态仿真，进而验证了地下矿复合场一体化模型 的可行性与有效性 关键词地下矿：建模：数据可视化：三维计算机图形 分类号TD672:TP391.9 Holistic modeling and three-dimensional visualization of complex fields for underground mines I Cui-ping,LI Zhong-xue☒，CA0Zhi-guo,lXin Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines (Ministry of Education of China),School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zxli@ustb.edu.cn ABSTRACT In terms of holistic digital modeling and three-dimensional (3D)visualization,an underground mine was treated as a dynamic field,named as the underground mine complex field,which includes various geometries,attributes,parameters,and states. By analyzing the geometric,distributive,directional,temporal and spatial characteristics of these field variables,this paper proposed a characterization method of these variables and their relations,and then built a holistic digital model of the complex field based voxeliza- tion.Specific techniques for building the holistic digital model were developed by voxelizing,quantifying,regionalizing,and integrating these field variables.A case study was used to implement the model and techniques.It is demonstrated that the holistic approach in the paper is effective for digital modeling and 3D visualization of the complex field,including geometric variables such as topography,faults and opennings,distributive variables such as ore grade,and directional variables such as air flows and mine fires. KEY WORDS underground mines:modeling:data visualization:three dimensional computer graphics 作为信息技术在地矿工程中的综合应用与发 及其行为、井下气象参数等量场、勘探工程与井巷工 展，数字矿山技术及系统正在成为地矿工程科学研 程等地下开挖的三维空间体系，构成一个复杂的多 究和学科发展的重要方向之一.从矿山工程数 属性、动态量场，称之为地下矿复合场☒ 字化及可视化的角度，可以将地下开采矿山看作是 地下矿复合场具有多维、动态复杂性，包括地矿 一个包括地表地形等表面形态、地层及矿岩等地质 体（如地层、矿岩和地质构造）的空间形态和井巷的 体、断层等地质构造、矿体上下盘等矿岩界面、矿岩 空间关系等几何场、地层与矿岩的物质组分及力学 组分及其性质等属性、固液气多相介质等力学结构 参数等属性场、井下空间的气象参量场（如井下温 收稿日期：20110704 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174032：51174260)：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-100225):中央高校基本 科研业务费专项(FRF-TPO9-001A)第 34 卷 第 7 期 2012 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 7 Jul． 2012 地下矿复合场的一体化构模及三维可视化 李翠平 李仲学 曹志国 李 鑫 北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: zxli@ustb． edu． cn 摘 要 从矿山工程数字化及可视化的角度，将地下矿山看作是一包含多种几何量、属性量、参数量和状态量的动态量场，称 之为地下矿复合场． 通过分析各类空间场量的几何特性、分布特性、矢量特性和时空顺序特性，给出了各类空间场量及其相互 关系的表征方法，进而提出了基于体素的一体化数字模型． 经空间场量体素化、定量化、场量化及一体化处理，形成了地下矿 复合场的一体化模型构建技术． 以国内某典型矿山的实际数据为例，实现了地表地形、断层和井巷工程等几何特性、矿石品位 的空间分布特性、井下通风系统的矢量特性的三维可视化仿真及火灾蔓延的动态仿真，进而验证了地下矿复合场一体化模型 的可行性与有效性． 关键词 地下矿; 建模; 数据可视化; 三维计算机图形 分类号 TD672; TP391. 9 Holistic modeling and three-dimensional visualization of complex fields for underground mines LI Cui-ping，LI Zhong-xue ，CAO Zhi-guo，LI Xin Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines ( Ministry of Education of China) ，School of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zxli@ustb． edu． cn ABSTRACT In terms of holistic digital modeling and three-dimensional ( 3D) visualization，an underground mine was treated as a dynamic field，named as the underground mine complex field，which includes various geometries，attributes，parameters，and states． By analyzing the geometric，distributive，directional，temporal and spatial characteristics of these field variables，this paper proposed a characterization method of these variables and their relations，and then built a holistic digital model of the complex field based voxeliza￾tion． Specific techniques for building the holistic digital model were developed by voxelizing，quantifying，regionalizing，and integrating these field variables． A case study was used to implement the model and techniques． It is demonstrated that the holistic approach in the paper is effective for digital modeling and 3D visualization of the complex field，including geometric variables such as topography，faults and opennings，distributive variables such as ore grade，and directional variables such as air flows and mine fires． KEY WORDS underground mines; modeling; data visualization; three dimensional computer graphics 收稿日期: 2011--07--04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174032; 51174260) ; 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET--10--0225) ; 中央高校基本 科研业务费专项( FRF--TP--09--001A) 作为信息技术在地矿工程中的综合应用与发 展，数字矿山技术及系统正在成为地矿工程科学研 究和学科发展的重要方向之一［1--11］． 从矿山工程数 字化及可视化的角度，可以将地下开采矿山看作是 一个包括地表地形等表面形态、地层及矿岩等地质 体、断层等地质构造、矿体上下盘等矿岩界面、矿岩 组分及其性质等属性、固液气多相介质等力学结构 及其行为、井下气象参数等量场、勘探工程与井巷工 程等地下开挖的三维空间体系，构成一个复杂的多 属性、动态量场，称之为地下矿复合场［12］． 地下矿复合场具有多维、动态复杂性，包括地矿 体( 如地层、矿岩和地质构造) 的空间形态和井巷的 空间关系等几何场、地层与矿岩的物质组分及力学 参数等属性场、井下空间的气象参量场( 如井下温 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.007