岳 俊

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引 言

在煤礦開采過程中，精準(zhǔn)掌握地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)的三維透明化，是煤礦建設(shè)智能化的基本支撐條件。只有實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)保障透明化，才能確保采掘條件的可視、可預(yù)和可控[1-3]。

瓦斯地質(zhì)作為地質(zhì)安全保障的重要一環(huán)，影響著突出礦井和高瓦斯礦井的安全生產(chǎn)。目前，瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析及表達(dá)普遍通過二維地圖表現(xiàn)，存在可視性差、缺乏立體感、精確程度低等缺點(diǎn)。為了改進(jìn)現(xiàn)有基于二維的瓦斯地質(zhì)技術(shù)的不足，有必要研究三維瓦斯地質(zhì)建模及分析技術(shù)，開發(fā)三維透明瓦斯地質(zhì)軟件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)二維瓦斯地質(zhì)向三維瓦斯地質(zhì)的飛躍和提升[4-6]。

從二維到三維，必然要求更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)、更精細(xì)的模型構(gòu)建和更立體的空間展示，這個(gè)過程就是對客觀地質(zhì)條件研究逐步深入的過程。所謂的透明化，就是對客觀事物的了解從黑到灰再到白的過程。三維瓦斯地質(zhì)對瓦斯地質(zhì)賦存特征掌握提升了一個(gè)維度，融入了更豐富的信息，不僅符合透明化的理念，而且是實(shí)現(xiàn)透明化的必要手段和必經(jīng)之路[7-9]。

三維透明瓦斯地質(zhì)實(shí)質(zhì)上是基于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，利用三維GIS平臺(tái)的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、建模分析計(jì)算以及可視化表現(xiàn)能力，對傳統(tǒng)二維GIS環(huán)境下瓦斯地質(zhì)圖編繪的突破和創(chuàng)新[10-15]。

現(xiàn)有的三維GIS平臺(tái)主要分為三類：①技術(shù)先進(jìn)但是授權(quán)許可費(fèi)用較高的國外三維GIS軟件，如Google Earth、ArcGIS、SkylineGlobe等；②技術(shù)體系不斷進(jìn)步和成熟、授權(quán)費(fèi)用相對較低的國產(chǎn)三維GIS軟件，如SuperMap GIS、MapGIS等；③技術(shù)成熟度一般、免費(fèi)的開源三維可視化平臺(tái)，如Cesium、Three.js等。

通過對比，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，選擇國產(chǎn)三維GIS平臺(tái)最為合適[16-20]。由于筆者研發(fā)的二維瓦斯地質(zhì)軟件分析系統(tǒng)是在SuperMap GIS基礎(chǔ)上開發(fā)的，因此三維透明瓦斯地質(zhì)也將繼續(xù)基于該平臺(tái)的三維模塊進(jìn)行開發(fā)，從而保持技術(shù)體系的一致性和延續(xù)性。

1 軟件功能框架設(shè)計(jì)

軟件功能框架如圖1所示，按模塊可分為系統(tǒng)管理、三維場景管理、三維動(dòng)態(tài)建模、三維應(yīng)用工具等四個(gè)模塊。①系統(tǒng)管理模塊。負(fù)責(zé)系統(tǒng)登錄時(shí)對用戶的驗(yàn)證、用戶信息的管理以及設(shè)置數(shù)據(jù)庫鏈接。②三維場景管理模塊。負(fù)責(zé)對三維庫文件的讀存操作，并負(fù)責(zé)三維庫、場景的目錄樹展示。一個(gè)三維庫中可以保存多個(gè)場景。場景打開后，將通過場景圖層樹顯示所有可操作的三維圖層。模塊還提供了三維場景展示所需的漫游、選擇、全景、飛行、卷簾等瀏覽工具，以及距離、高度、面積等量算工具和坐標(biāo)、屬性等查詢工具。③三維動(dòng)態(tài)建模模塊。負(fù)責(zé)三維數(shù)據(jù)的采集，包括建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、初步處理和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集支持CAD、Excel等格式的數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入。模型建立操作前，需要對建模數(shù)據(jù)是否完整無誤進(jìn)行檢查。批量建模功能將動(dòng)態(tài)生成巷道及工作面、鉆孔、煤(巖)地質(zhì)體、瓦斯分布、斷層及陷落柱等的三維模型。④三維應(yīng)用工具模塊。在二三維一體化聯(lián)動(dòng)的情景模式下，針對三維瓦斯地質(zhì)模型提供了一系列增強(qiáng)觀測工具。主要包括地質(zhì)體任意線剖切、虛擬地質(zhì)鉆孔、體元柵格疊加和三維緩沖區(qū)等功能。

“六五”計(jì)劃中明確強(qiáng)調(diào)：一切經(jīng)濟(jì)工作都要以提高經(jīng)濟(jì)效益為中心，并將“食品工業(yè)”從“消費(fèi)品工業(yè)”中單獨(dú)列出。

圖1 軟件功能框架

軟件的核心能力是瓦斯地質(zhì)三維模型建立及其應(yīng)用。三維動(dòng)態(tài)建模的關(guān)鍵是在GIS平臺(tái)基礎(chǔ)上，為各類瓦斯地質(zhì)要素選擇適合的數(shù)據(jù)模型和建模方法，才能恰如其分地表達(dá)空間瓦斯和地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)透明可視化。三維應(yīng)用工具是在三維模型已然建立的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)一步操作以便輔助理解與分析瓦斯地質(zhì)信息。

主人公小女孩和她的動(dòng)物朋友們熱情、友善，畫者筆下的動(dòng)植物生動(dòng)寫實(shí)，畫面清新雅致。這套書不僅教給孩子們知識，更傳授給孩子們親近大自然、享受大自然的秘訣，讓他們?nèi)タ?、去聽、去聞、去辨別、去動(dòng)手。

2 瓦斯地質(zhì)三維建模

空間數(shù)據(jù)模型是GIS對現(xiàn)實(shí)世界地理空間實(shí)體、現(xiàn)象以及他們之間相互關(guān)系在計(jì)算機(jī)中的抽象與表達(dá)。如圖2所示，GIS平臺(tái)提供的二三維數(shù)據(jù)模型分為三類：①用來描述離散空間要素的對象模型；②用來描述空間連續(xù)分布現(xiàn)象或要素的場模型；③用來描述對象之間連接關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2 GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)模型

在學(xué)員層面，以黨團(tuán)建設(shè)為依托和黨員為帶動(dòng)，成立“住院醫(yī)師黨總支”，以基層黨組織為單位，開展多種形式組織生活和實(shí)踐教育活動(dòng)。同時(shí)，開展醫(yī)學(xué)人文周、人文情景劇場、齊魯科普講堂、青年志愿者服務(wù)崗等活動(dòng)以及Relief（住院醫(yī)師釋壓與職業(yè)認(rèn)同感）驛站項(xiàng)目，幫助住院醫(yī)師提升職業(yè)素養(yǎng)和獲得感，開展優(yōu)秀住院醫(yī)師評選和技能競賽活動(dòng)，通過創(chuàng)先爭優(yōu)增強(qiáng)住院醫(yī)師學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。

表1 三維建模數(shù)據(jù)與接口

2.1 巷道及工作面建模

目前尚無簡便高效的假軸車輛查驗(yàn)方法，收費(fèi)系統(tǒng)也尚未對前后通行費(fèi)用的對比情況進(jìn)行記錄。根據(jù)本文研究的方法，下一步將考慮與高速公路運(yùn)營管理單位合作，對假軸車輛的甄別和查處進(jìn)行試點(diǎn)，在實(shí)踐中提高算法的準(zhǔn)確性和適用范圍。

2.2 鉆孔建模

鉆孔的孔斜數(shù)據(jù)是構(gòu)建地質(zhì)體模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先需要維護(hù)地層信息表，保存了從地表到地下各主要地層的地層代號、巖性、地質(zhì)年代、厚度等基本地層信息。鉆孔數(shù)據(jù)含有穿過各地層的斜長，以及開孔和終孔三維坐標(biāo)。通過斜長和開孔、終孔位置計(jì)算鉆孔線，將鉆孔斷面C(按鉆孔半徑構(gòu)建圓形)沿鉆孔線Z放樣建立鉆孔三維模型。

2.3 地質(zhì)體建模

首先基于鉆孔穿過地層的斜長數(shù)據(jù)，以及煤(巖)層底板等高線數(shù)據(jù)、地形點(diǎn)數(shù)據(jù)、煤(巖)層頂?shù)装鍠鸥駭?shù)據(jù)，生成地面控制點(diǎn)集合{Gi}和地層底板點(diǎn)集合{Si}。再對地層點(diǎn)空間三維插值加密，調(diào)用平臺(tái)的地質(zhì)體建模算法(BuildGeoBody)，自動(dòng)構(gòu)建地質(zhì)體三維模型。

3)體元柵格疊加。通過三維體模型(巷道、工作面三維模型)疊加瓦斯分布體元柵格模型，可顯示出瓦斯特征值附著在巷道、工作面上的瓦斯分布狀況。圖5(a)是瓦斯分布體元柵格分層設(shè)色并設(shè)置了透明度后的渲染效果，圖5(b)是巷道及工作面模型疊加瓦斯分布體元后在三維場景中的渲染效果。模型采用漸變色表達(dá)了瓦斯特征值由大到小的變化。

2.4 瓦斯分布建模

斷層三維建模是以斷層帶的邊界作為控制坐標(biāo)點(diǎn)，從地層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)上取得邊界內(nèi)的插值點(diǎn)集合{Di}，然后通過平臺(tái)的閉包算法(ConvexHull)構(gòu)建斷層帶三維模型。陷落柱三維建模，也是以陷落柱在三維空間的邊界點(diǎn)構(gòu)建三維點(diǎn)集合{Xi}，然后通過閉包算法(ConvexHull)構(gòu)建陷落柱三維模型。

圖3 體元柵格

4)三維緩沖區(qū)。以斷層或陷落柱三維模型為操作對象，用戶輸入的緩沖半徑為參數(shù)，計(jì)算并產(chǎn)生三維緩沖區(qū)。緩沖區(qū)有兩類，一類是以模型的質(zhì)心為球心，按緩沖半徑構(gòu)建的球形緩沖區(qū)，另一類是以模型的邊界向外按緩沖半徑擴(kuò)展構(gòu)建的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)范圍以半透明色顯示(圖6)。

計(jì)算函數(shù)式給出了任意空間三維坐標(biāo)點(diǎn)處瓦斯分布特征變量(瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量)與地質(zhì)特征因變量(煤層厚度、煤層埋深、鄰近層厚度、層間距等)之間的函數(shù)關(guān)系。對每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)按照計(jì)算函數(shù)式計(jì)算特征值，最后通過GIS平臺(tái)的空間插值方法(Interpolator3D.Interpolate)構(gòu)建瓦斯分布體元柵格模型。

在此次研究中,實(shí)驗(yàn)組的治療依從性評分為(19.56±1.28)分,參照組的治療依從性評分為(14.15±1.40)分,實(shí)驗(yàn)組患者平均住院(5.55±0.49)天,參照組患者平均住院(9.57±0.94),結(jié)果存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性,實(shí)驗(yàn)組患者的服務(wù)態(tài)度評分平均是(4.26±0.45)分、健康宣教評分平均是(4.90±0.30)分;參照組患者為(3.09±0.44)分、(2.90±0.30),兩組結(jié)果對比存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性(P<0.05)。說明使用優(yōu)質(zhì)護(hù)理能夠讓腎小球腎炎患者的臨床病情得到改善,提升患者的滿意度。

2.5 斷層及陷落柱建模

地質(zhì)體有明顯的邊界，邊界內(nèi)部是均質(zhì)的，適合采用三維體模型來表達(dá)。而瓦斯分布在空間內(nèi)是連續(xù)不均勻的，適合用三維場模型來表達(dá)。三維場模型的具體實(shí)現(xiàn)方式是體元柵格，體元柵格是二維柵格的擴(kuò)展，將立體空間劃分為立方單元，每個(gè)單元都有值來表達(dá)特征信息，如圖3所示。

1.2.5.1 詮釋執(zhí)行力:管理者對全科護(hù)理人員角色定位,增強(qiáng)責(zé)任意識;要強(qiáng)調(diào)什么,明確檢查什么;其實(shí),很大程度上講,員工不會(huì)做你希望的,但會(huì)做你要檢查的;不檢查等于不重視。

瓦斯地質(zhì)三維建模運(yùn)用了對象模型中的三維點(diǎn)、線、面、體，以及場模型中的體元柵格數(shù)據(jù)模型。三維瓦斯地質(zhì)要建立的模型對象分為七大類。建模過程首選需要確定建模的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來選擇適宜的GIS數(shù)據(jù)模型類型，最后調(diào)用GIS平臺(tái)相關(guān)接口通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)建模功能，總結(jié)瓦斯地質(zhì)各類要素三維建模的相關(guān)信息見表1。

3 瓦斯地質(zhì)三維工具

目前，業(yè)內(nèi)針對三維地質(zhì)的建模和可視化功能研究較多，而對于三維地質(zhì)模型的應(yīng)用功能研究還比較薄弱。為此特別設(shè)計(jì)了基于地質(zhì)體模型和體元柵格模型基礎(chǔ)上的三維瓦斯地質(zhì)應(yīng)用工具包功能，提供一系列的三維數(shù)據(jù)操作工具，輔助三維瓦斯地質(zhì)場景觀測與分析。

三維場景中要實(shí)現(xiàn)工具操作范圍的精確定位存在困難，因此需要在二維的配合下同步實(shí)現(xiàn)三維操作。二三維聯(lián)動(dòng)是指在二維瓦斯地質(zhì)圖下繪制幾何數(shù)據(jù)(如剖切線、鉆孔點(diǎn)等)后，對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后在三維場景中渲染并展示應(yīng)用工具的處理結(jié)果。瓦斯地質(zhì)三維應(yīng)用工具包括以下幾種。

1)地質(zhì)體剖切。實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體沿任意繪制的折線剖切。剖切面上不同顏色表示不同地層(煤層固定為灰黑色)，可清晰地揭示煤(巖)層的空間層位，以及和巷道、工作面疊加后的空間位置關(guān)系。

2)虛擬地質(zhì)鉆孔。繪制虛擬鉆孔點(diǎn)，獲取從鉆孔點(diǎn)沿鉆孔線穿過地質(zhì)體的煤(巖)層分布狀況。穿過地層的鉆孔段顏色與對應(yīng)的地層顏色一致。

巷道建模是基于帶高程信息的巷道中心線數(shù)據(jù)和斷面參數(shù)數(shù)據(jù)，將斷面形狀R沿巷道中心線L放樣(Loft)，即可完成巷道三維模型的構(gòu)建。而工作面建模是將工作面的頂板點(diǎn)集合{Ti}和底板點(diǎn)集合{Bi}，調(diào)用平臺(tái)的凸包構(gòu)建方法(ConvexHull)，分別構(gòu)建回采區(qū)域和采空區(qū)三維模型。

地質(zhì)體依據(jù)地層信息表，從上至下按次序生成。地層信息表預(yù)先設(shè)置了地層的顏色和巖性紋理圖片，構(gòu)建地質(zhì)體模型的同時(shí)將自動(dòng)為地層設(shè)置顏色或者紋理。地質(zhì)體做開挖運(yùn)算前，巷道及工作面模型將被覆蓋遮擋，不便于觀看采掘工程部署情況。需根據(jù)采掘工程建立棱柱體范圍模型，然后與地質(zhì)體做布爾裁剪運(yùn)算，產(chǎn)生地質(zhì)體開挖模型。

圖4 地質(zhì)剖面及虛擬鉆孔

圖5 體元疊加操作

首先需要定義瓦斯分布模型的計(jì)算范圍B和計(jì)算函數(shù)式。計(jì)算范圍是一個(gè)立方體，確定了瓦斯分布三維模型的有效計(jì)算空間，按照體元柵格的分辨率(格網(wǎng)單元大小)將計(jì)算空間劃分為立方單元，每個(gè)單元的中心取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)集{Si}。

圖6 三維緩沖區(qū)操作

4 軟件的開發(fā)與應(yīng)用

軟件基于SuperMap Objects.NET 10i開發(fā)，空間數(shù)據(jù)采用SuperMap UDB數(shù)據(jù)引擎存儲(chǔ)和管理，通過C#.NET語言編碼實(shí)現(xiàn)。

由縣（區(qū)）水利普查辦召集縣級現(xiàn)場復(fù)核會(huì)，所有縣級普查員、普查指導(dǎo)員參加會(huì)議，會(huì)上由復(fù)核小組說明現(xiàn)場復(fù)核的程序。

軟件開發(fā)完成后對試驗(yàn)礦井進(jìn)行了建模與應(yīng)用。首先運(yùn)用系統(tǒng)管理模塊登錄系統(tǒng)并建立數(shù)據(jù)庫鏈接，運(yùn)用三維動(dòng)態(tài)建模模塊中的數(shù)據(jù)采集功能，將試驗(yàn)礦井各類瓦斯地質(zhì)要素建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集入庫。然后使用批量建模功能建立礦井三維瓦斯地質(zhì)模型。最后運(yùn)用三維場景管理模塊加載模型，創(chuàng)建三維場景，并對場景進(jìn)行圖層管理、瀏覽、查詢和量算操作。還可以運(yùn)用三維應(yīng)用工具模塊的各類功能做進(jìn)一步增強(qiáng)觀測，使用軟件對試驗(yàn)礦井一次性建模在20 min內(nèi)完成操作，建模速度較快。三維整體效果如圖7所示，直觀地顯示了地層結(jié)構(gòu)以及工作面范圍內(nèi)的瓦斯大小，地質(zhì)模型可表征地層(含煤層)的頂板、底板、厚度、層間距、埋藏深度等屬性，瓦斯模型可表征瓦斯壓力、含量、相對涌出量、絕對涌出量等屬性，適應(yīng)了礦井對瓦斯地質(zhì)管理的需求。

圖7 三維地質(zhì)體建模效果

5 結(jié) 論

1)三維GIS技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，基于三維GIS實(shí)現(xiàn)透明瓦斯地質(zhì)是必然趨勢，是智能礦山建設(shè)和地質(zhì)透明化的必經(jīng)之路。

2)通過對比，選擇成熟的國產(chǎn)GIS平臺(tái)，足以滿足三維透明瓦斯地質(zhì)建模及展示分析的需要。研究發(fā)現(xiàn)體元柵格模型適合于表達(dá)瓦斯在空間的場分布特征，而三維體模型適合表達(dá)巷道及工作面、鉆孔、煤(巖)地層、斷層及陷落柱等實(shí)體對象。

支持職業(yè)教育學(xué)校開設(shè)農(nóng)業(yè)信息化培訓(xùn)班，分批對農(nóng)業(yè)合作社負(fù)責(zé)人、種養(yǎng)殖大戶等進(jìn)行培訓(xùn)，掌握電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)，培養(yǎng)造就一批有文化、懂技術(shù)、會(huì)經(jīng)營的新型農(nóng)民。同時(shí)，通過舉辦培訓(xùn)班、網(wǎng)絡(luò)新媒體等，廣泛宣傳“互聯(lián)網(wǎng)+產(chǎn)業(yè)扶貧”，激活群眾觸網(wǎng)的主動(dòng)性和網(wǎng)創(chuàng)欲求，營造濃厚的工作氛圍。

3)為了增強(qiáng)三維瓦斯地質(zhì)的應(yīng)用能力，特別設(shè)計(jì)了基于地質(zhì)體和體元柵格模型的三維透明瓦斯地質(zhì)應(yīng)用工具模塊。借助GIS平臺(tái)的計(jì)算分析能力，快速生成地質(zhì)剖面、虛擬鉆孔、緩沖區(qū)、體元疊加效果，用于輔助觀測、理解瓦斯地質(zhì)信息。

4)基于SuperMap GIS平臺(tái)二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了三維透明瓦斯地質(zhì)系統(tǒng)的軟件框架及模塊功能。通過該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可為煤礦智能化建設(shè)提供有力支撐。