利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法与流程

本发明涉及三维地质建模技术领域，特别是一种利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法。

背景技术：

三维地质建模理论的提出和发展与地质统计学紧密相联，地质统计学的发展得益于20世纪50年代d.g.krige对克里格技术的研究，三维地质建模概念最早由加拿大simonw.houlding于1993年提出，最具代表的是mallet于1989年和1992年先后发表的两篇关于“离散光滑插值”建模方法的文章，这标志着三维构造建模技术中的地质曲面技术获得了突破，随后，carlyoungman、molenaarmarien等人又进行了大量研究，主要包括空间数据的模型与结构、数据的三维可视化、三维矢量化地图的数据结构等方面；国内对三维地质建模的研究始于上世纪80年代，标志是对earthvision软件的引入，随后，国内许多学者分别在区域地质调查、矿产资源勘探、矿井设计、工程地质等领域对三维地质建模技术的理论和方法、软件开发等方面进行了大量探索，三维地质建模技术在不同领域因研究角色不同，其侧重也是有差异的，因此建模方法也是多样化。

随着信息科学与技术的发展以及三维可视化协同设计的推广，基于大数据进行信息共享与交互的数字矿山成为矿山信息化的发展方向，传统的二维制图环境与图纸、报表设计已不能满足当下的工程设计需求，作为数字矿山设计系统构建的重要内容和关键技术，煤炭矿井三维地质信息建模技术得以提出和发展。三维地质信息建模是在三维可视化设计软件环境下，结合空间解释与地质统计学，利用标准化的地质点云数据自动驱动三维地质建模，模型以信息模型即数据模型存在，是点云数据的真实与完整体现。

当前煤炭矿井地质信息管理模式以人为管理为主，工程界普通使用的地质建模方法不仅操作复杂，行业适用性差，而且还是停留在二维或二维半(2.5d，即非真三维多参数化信息模型)时代的产物，地质信息的模拟与表达的实质是将三维现象投影到平面或直接利用二维半模型进行表达，这两种表达方式均存在空间信息损失与失真问题，尤其是建立的模型无法满足数据互用的需求，而且信息更新困难，不具备查询、量算、预测决策等功能，体现不出信息资产的价值。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法，包括以下步骤：

s1、基于钻孔柱状图、钻孔综合成果表、煤层等厚图、煤层底板等高线图获取三维点云数据；

s2、利用克里格方法对s1中的三维点云数据进行空间插值，然后建立三角网曲面模型，即形成煤层顶板与底板；

s3、对s2中形成的三角网曲面模型进行曲面缝合形成煤层体模型和岩层体模型；

s4、将相同煤层相同断层的关键点首尾相连组成复杂多边形，多个煤层的断层多边形沿断层倾向可放样为三维断层模型，通过断层模型与s3形成的煤层体模型和岩层体模型的差集运算，得到含断层构造的煤层体模型和含断层构造的岩层体模型；

s5、从煤层储量计算图中提取煤层可采边界线，利用煤层可采边界线对s4中含断层构造的煤层体模型进行空间垂直剪切操作，得到含断层构造的煤层储量体模型。

进一步，所述s1的具体步骤如下：

s11、将钻孔柱状图和钻孔综合成果表转换为标准数据库数据，数据库包含的数据表和数据字段；将煤层等厚图、煤层底板等高线图转换为空间图形数据；

s12、根据s11中的数据库数据，通过参数化建模方式建立钻孔信息模型，建模完成以后，数据库数据转换为图形数据被附加到钻孔模型后面，在三维设计环境中可即时进行搜索和查询；

s13、根据s12中创建的钻孔信息模型与空间图形数据提取点云数据。

进一步，所述s3中，进行曲面缝合时，缝合对象为同一煤层的顶板和底板，则形成的是煤层体模型；缝合对象为上煤层的底板与下煤层的顶板，则形成的是煤层之间的岩层体模型。

与现有技术相比，本发明使用的点云数据来源于钻孔柱状图、钻孔综合成果表、煤层等厚图、煤层底板等高线及资源量估算图；然后将点云数据数字化和标准化；利用点云数据进行三维钻孔信息建模；利用三维钻孔信息模型与空间图形数据进行三维煤层曲面建模；利用煤层曲面模型缝合为三维体模型；利用断层模型处理三维体模型。因此，本发明可使三维地质信息建模具有较高的效率、模型具备丰富的表现形式与较高的分析能力，利用本方法建立的三维地质信息模型可以帮助决策者在有准确坐标、时间和对象的虚拟环境中去正确理解和表达地质体，并利用三维可视化交互手段实现对地质体多角度、多方位的浏览与查询以及计算和分析预测内部地质构造与地质异常问题。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中的数据库包含的数据表和数据字段图表。

图3为本发明实施例中基础表对应的数据字段图表。

图4为本发明实施例中倾斜表对应的数据字段图表。

图5为本发明实施例中层位表对应的数据字段图表。

图6为本发明实施例中煤质表对应的数据字段图表。

图7为本发明实施例中建立的钻孔信息模型的轴测图。

图8为本发明实施例中信息查询的方式。

图9为本发明实施例中建立的三角网曲面模型图。

图10为本发明实施例中形成的煤层之间的岩层体模型图。

图11为本发明实施例中形成的含断层构造的煤层体模型和含断层构造的岩层体模型图。

图12为本发明实施例中得到的含断层构造的煤层储量体模型。

图13为图12的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

参照如图1所，本实施例提供的利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法，包括以下步骤：

s1、基于钻孔柱状图、钻孔综合成果表、煤层等厚图、煤层底板等高线图获取三维点云数据：

s11、将煤层等厚图、煤层底板等高线图转换为空间图形数据；煤层底板等高线图平移的具体方法步骤：

二维等高线图转入xyz三维环境以后，会存在两个高度属性，一是应达到的标注高度h1，二是当前的绝对高度h2。

如果h1>h2，沿z轴垂直向上平移，如果h1<h2，沿z轴垂直向下平移。

等高线平移距离为|h1-h2|(二者差的绝对值)；

将钻孔柱状图和钻孔综合成果表转换为标准数据库数据，数据库包含的数据表和数据字段，具体参照图2所示，从表2中可以看出：数据表包括基础表、倾斜表、层位表和煤质表，如图3所示，基础表对应的数据字段包括钻孔编号、开孔坐标、孔深、编录人员、开工时间和完工时间；如图4所示，倾斜表对应的数据字段包括钻孔编号、深度、方位角和斜角；如图5所示，层位表对应的数据字段包括钻孔编号、启始深度、终止深度、岩性、煤层标志和厚度；如图6所示，煤质表对应的数据字段包括钻孔编号、煤层编号、水分、灰分、挥发分、硫分和发热量。

s12、根据s11中的数据库数据，通过参数化建模方式建立钻孔信息模型，具体为：

(1)从基础表中获取开孔坐标oc，从层位表中获取第一层位地层层厚ld1，从倾斜表中获取第一层位层厚的方位角am1与斜角oq1，其中，方位角与斜角均是弧度制。

(2)自开孔向下第一层位的底点坐标hc1计算公式如下：

hc1.x＝oc.x+ld1*sin(oq1*pi/180.0)*cos(am1*pi/180.0)

hc1.y＝oc.y+ld1*sin(oq1*pi/180.0)*sin(am1*pi/180.0)

hc1.z＝oc.z-ld1*cos(oq1*pi/180.0)

其中.x、.y、.z分别表示空间坐标在x轴、y轴、z轴三个方向的分量，pi为常量3.14。

(3)依据空间坐标oc与hc1可建立钻孔第一层位的线段模型，计算出的hc1同时作为下一层位的顶点坐标。

(4)从层位表中获取下一层位地层层厚ld2，从倾斜表中获取下一层位层厚的方位角am2与斜角oq2，

(5)该层位的底点坐标hc2计算公式如下：

hc2.x＝hc1.x+ld2*sin(oq2*pi/180.0)*cos(am2*pi/180.0)

hc2.y＝hc1.y+ld2*sin(oq2*pi/180.0)*sin(am2*pi/180.0)

hc2.z＝hc1.z–ld2*cos(oq2*pi/180.0)

其中.x、.y、.z分别表示空间坐标在x轴、y轴、z轴三个方向的分量，pi为常量3.14。

(6)依据空间坐标hc1与hc2可建立钻孔该层位的线段模型，计算出的hc2同时作为该层位后下一层位的顶点坐标。

(7)重复步骤(4)～(6)直至计算至钻孔孔底(最后一层)；

建立的钻孔信息模型的轴测图如图7所示，建模完成以后，数据库数据转换为图形数据被附加到钻孔模型后面，在三维设计环境中可即时进行搜索和查询，信息查询的方式如图8所示；

s13、根据s12中创建的钻孔信息模型与空间图形数据提取点云数据。

s2、利用常规的克里格方法对s1中的三维点云数据进行空间插值，然后建立三角网曲面模型，建议三角网曲面模型具体为：

(1)利用递归运算，将点云数据划分成最小单元，每个单元包含3个数据点，划分的同时会对单元进行索引排序。

(2)根据索引顺序选择的最小单元依次创建单个三角网模型；

(3)将所有独立的三角网模型进行并集运算，合并生成最终的三角网曲面模型；

即形成煤层顶板与底板，建立的三角网曲面模型如图9所示。

s3、对s2中形成的三角网曲面模型进行曲面缝合形成煤层体模型和岩层体模型，具体步骤为：

前提条件：煤/岩层的顶、底板曲面模型，模型界限一致，是依据同一个闭合分界线剪切出来的三角网曲面模型。

(1)按照三角网曲面模型的边缘顶点分别绘制顶、底板曲面模型的边界线，两条边界线顶点数目相同且相对位置保持一致。

(2)如下图所示，根据两条边界线上的顶点分别绘制独立的小三角网，最终绘制的三角网会将上下边界中间空隙进行包络；

(3)将(2)中绘制的所有的独立的三角网与顶、底板曲面模型进行并集运算，合并生成最终的三角网煤/岩体模型。

进行曲面缝合时，缝合对象为同一煤层的顶板和底板，则形成的是煤层体模型；缝合对象为上煤层的底板与下煤层的顶板，则形成的是煤层之间的岩层体模型，具体如图10所示。

s4、将相同煤层相同断层的关键点首尾相连组成复杂多边形，多个煤层的断层多边形沿断层倾向可放样为三维断层模型，通过断层模型与s3形成的煤层体模型和岩层体模型的差集运算，得到含断层构造的煤层体模型和含断层构造的岩层体模型，具体如图11所示。

s5、从煤层储量计算图中提取煤层可采边界线，利用煤层可采边界线对s4中含断层构造的煤层体模型进行空间垂直剪切操作，得到含断层构造的煤层储量体模型，具体如图12和13所示。

为了验证本发明的利用点云数据自动建立煤炭矿井三维地质信息模型的方法的可行性，根据上述s5得到的煤层储量体模型计算的煤层资源量与地质报告提供资源量的误差对比，具体结果如表1所示。

表1

综述，本发明使用的点云数据来源于钻孔柱状图、钻孔综合成果表、煤层等厚图、煤层底板等高线及资源量估算图；然后将点云数据数字化和标准化；利用点云数据进行三维钻孔信息建模；利用三维钻孔信息模型与空间图形数据进行三维煤层曲面建模；利用煤层曲面模型缝合为三维体模型；利用断层模型处理三维体模型。因此，本发明可使三维地质信息建模具有较高的效率、模型具备丰富的表现形式与较高的分析能力，利用本方法建立的三维地质信息模型可以帮助决策者在有准确坐标、时间和对象的虚拟环境中去正确理解和表达地质体，并利用三维可视化交互手段实现对地质体多角度、多方位的浏览与查询以及计算和分析预测内部地质构造与地质异常问题。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。