人类的发展都面临着人口、资源和环境等问题，这些问题都与地球科学研究密切相关。社会的发展和信息时代的到来，迫使地球科学家门不断深化理论认识和利用高新技术方法去解决国民经济发展所面临的紧迫问题。矿产资源是人类生产和生活资料的基本源泉，是人类宝贵财富，矿产资源的开发利用与国民经济建设的各个部门息息相关，矿产资源的丰富程度和开发利用程度是决定一个国家经济实力和发展潜力的重要冈素。我国是世界上矿产资源较丰富的国家之一，目前已有各类国有矿山1万多座。随着社会发展、科学技术进步和世界人口增长，矿产资源消耗速度也越来越快。人类生存空间是有限的，如何合理开发与利用有限空间中的矿山资源来满足人类社会的可持续发展要求己成为当今人类社会的共同主题，如何有效地管理矿山，从而最大限度地利用矿产资源，是矿业部门亟待解决的问题。近年来，我国矿业遇到了空前的生存与发展凼境。中国矿业要走出困境，面向21世纪寻求可持续发展，必须将矿山企业信息化建设与整个矿山企业的技术创新、管理改革相结合，即走数字矿山之路。矿山是一个真三维动态地理/地质环境，而且，所有的矿山活动均是在真三维地理/地质环境中进行的。冈此，要真止实现数字矿山，那也应是真二维的，即必须以三维地质模拟为基础。地理信息系统的理论及其技术方法得到了蓬勃发展，成为世界范围内最活跃的科学研究和技术产业领域。地理信息系统作为一种用来进行管理、分析空间数据的工具，在矿山管理中发挥越来越重要的作用。三维地理信息系统的山现和发展给三维地质模拟提供了有力的理论依据和良好的可视化途径。我们利用GIS技术开发三维矿山可视化系统，本文以小秦岭和云南北衙金矿为例建立矿山三维可视化系统，主要的研究内容如下： (1)本文总结了三维地质模拟技术及应用，指出三维地质模拟在软件开发方面存在的问题，并从三维空间数据结构、技术方法、应用研究等方面阐述了三维矿山地理信息系统的发展现状，论述了开展三维矿山地理信息系统研究的意义。 (2)地质调查和观察的结果往往是一系列离散的、空间上分布不均匀的数据，对许多现象的解释，人多是基于这些数据做出的。运用二维模拟与可视化方法，准确地表示和描述复杂的地质现象，如断层、褶皱及岩石特征变化，建立简单有效、准确的地质体二维数学模型以及高效率支持该模型的数据结构是三维地质体研究的重点。结合我国矿山工作及矿业业务流程的特点，在充分了解用户需求的基础，认真分析矿山实体的空间位置、空间分布、空间形态、空间关系、空间变化、空间关联等特征，系统地分析了地质矿山工程研究领域各种自然地质现象和人工勘探工程现象，阐述了各种矿山建模对象的空间维特征与空间维表达，描述了矿山现象的地质学特征及空间特征，对矿山二维数据来源、分类与图形表达进行了分析讨论，总结了获取三维地质信息的方法。根据应用的需要和涉及的范围，在矿山三维可视化系统开发过程中，除了强调系统功能的实用性外，更加强凋系统特色。 (3)矿山现象极其复杂，既包括地层、断裂、矿体等大然地质体，也包括钻孔、矿井、巷道、探槽、采空区、采矿区等人工设施。而且相互间关系错综复杂、变化多端，矿山现象远远不限于一般的体，还包括线、柱体这样一些非体和特殊体的现象。因此，要止确地表达矿山复杂的空间形态和关系，需要研究描述这种矿山实体关系的3D数据结构、3D数据模型、3D空间认知、3D空间模拟。系统概括一些广泛应用的二维拓扑结构。针对矿山空间数据复杂的特点，系统运用基于面向对象的思想，讨论了面向对象的空间数据模型的概念。研究了二维空间数据模型分类体系，将二维空间构模方法总结归纳为二维面模型、二维体元模型、二维混合模型和面向实体数据模型等四类空间数据模型。以地矿二维空间数据模型为研究目标，在详细的研究了数字矿山现有的二维空间数据模型的基础上，针对传统的三维空间数据模型在数字矿山应用中的不足，对矿山中的空间实体进行分类和抽象，提出了基于面向对象的集成三维空间数据模型。描述和表达矿山三维实体，从矿山实体空间中抽象出点、线、面、体作为四种基本描述对象，根据各类对象的不同特点采用不同的二维数据模型来描述矿山现象，构建实体模型，定义实体二维空间数据结构，实现对三维矿山现象有效、完整的描述。并实现了以图形界面为主的用户交且式操作方式。 (4)由丁矿山原始表格规范、数据格式统一，钻孔、巷道及矿业权属性数据库采用简单的Access建库技术。在开发过科中用用ODBC技术有效地实现异构数据库之间的数据管理与交换及后台数据库的数据访问，应用结构化查询语言(SQL)实现对矿山空间数据的维护、操作查询、数据访问。空间数据采用横向上分图幅、纵向上分图层的数据组织管理方法，空间数据库与属性数据库间通过关键字进行联接。 (5)充分分析了TIN和GRID表面建模的优缺点，给出了矿山表面可视化TIN和GRID模型的数据结构、算法和流程。巷道是采矿生产中将煤炭从工作面运送到地面，以及通风、安全输送工人的通道。对整个矿井而言，巷道是矿山生产活动中一个重要实体。本文主要研究了井下“纵横交错”的巷道网络系统，建立了各元素之间的拓扑关系，设计了适合矿山巷道特点数据结构，在前人研究的基础上，给出了由导线点逼近中线点及在巷道结点(节点)上加载断面的算法。把井下巷道“展示”在计算机屏幕上，同时能够对井卜巷道从各种角度实现全局或局部漫游，也能在巷道内部进行漫游。详细阐述了单工程矿体圈定算法和矿体剖面连接算法，重点研究了基于轮廓线重构技术的实体建模方法，给出了轮廓线拼接算法及轮廓线分支问题和对应问题的处理方案，并提山了应用轮廓线进行三维矿体表面建模时尖灭情况处理，给出了实体模型块体化的算法，利用图形学基础理论将光线投射法与Z-Buffer算法结合实现二维体数据重建。给出了地质体垂直切面、水平切面、等厚度图生成、矿体体积计算等方面的算法过程。该系统能够利用分坐标数据实现二维地质体的可视化，以及三维地质体的平移、旋转、缩放等动态显示功能，而且实现了沿任一剖切面进行剖切以及剖切面的绘制。同时本系统具有一定的空间分析功能，如空间查询、距离量算等。 (6)该系统是集三维建模、储量计算、储量分析为一体的可视化储量计算软件系统，实现了包括人机交互操作，并能运用多种储量计算方法来计算矿体储量。其中包括截面法、距离倒数加权平均法和地质统计学方法。通过储量计算和分析，将矿体内部的不同品位赋子不同颜色加以区分，使地质工作者更加直观和全面地掌握矿体的品位分布情况，为矿山的经济评价、采矿设计和生产管理提供辅助决策，展示了可视化储量计算技术在地矿工程中应用的广阔前景。本文介绍了空间插值的基本概念和方法，系统阐述了算术平均法、地质块段法、开采块段法、多角形法、断面法及等值线法等传统的资源储量估算方法。设计出三维空间地质统计学的算法设计方案与实现方法，其中包括变异函数的计算与拟合、多种克里格方法的计算。 (7)小秦岭地跨陕西、河南两省，是我国著名黄金金工业基地之一。金矿资源丰富，分布集中，但小秦岭地区金矿资源和矿业权管理工作由于缺乏统一规划和合理布局。基于小秦岭金矿矿业权数据，系统实现了对矿业数据动态存储和管理，属性数据动态定义编辑，属性结构动态操作管理。具有矿业数据输入、数据库浏览、数据库结构操作、图层操作、矿图编缉、数字高程模型建立、矿山二维可视化、矿区空间查询分析、DEM矢量影像数据集成、地理数据交换、矿山成果输山等功能。可完成属性查询、空间查询、数图查询、图数查询等多种形式的查询．可根据用户需求，实现矿业多元信息的综合查询、属性检索．系统提供了矿产储量的统计分析方法。解决了矿体三维显示及矿业权叠置问题。以云南北衙金矿为例，经验证，系统能够有效地进行二维建模和储量计算，准确地建立矿体的三维模型，计算出矿体的金矿储量，实现了矿体数字化和可视化，特别是矿体储耸、品位计算的计算机化。储量计算结果的误差都在可接受的范围内，验证了本软件的可靠性。本系统用于实际矿产勘探中，能辅助勘探人员完成了矿体形态的分析，并为经济评价提供了储量依据。 本系统技术先进、实用性强、功能全面、管理方便，系统的建立为矿山数据的更新、管理、分析，提供了先进的技术，可从根本上改变了以往矿山数据处理的局限性和枯燥性，大大的提高了矿山相关数据的利用率，提高矿山管理工作的系统性、客观性、准确性，使矿山建模更为科学、合理、形象。通过小秦岭金矿和云南北衙金矿的二维可视化系统建立表明，系统达到预期的目的，分析结果准确，质量可靠，基本能够满足矿山空间数据管理和分析的要求，改善矿产勘查开发投资环境，为矿产资源的合理利用提供重要的保障。为矿区的规划、建设、生产、经营和管理的定量化、科学化以及信息化的提供先进的科技手段，为全国或全省矿产资源管理提供规范化管理服务，为政府矿产资源规划、管理、保护、利用提供科学依据，为各级地矿管理部门提供方便、多样、丰富的矿业管理信息。并最终提高矿产业务的服务水平和决策能力。我国是一个矿业大国，科技含量和管理水平与世界发达矿业国家相比还存在相当人的差距。中国矿业应走集约性和信息化道路，勇敢地迎接挑战，抓住数字地球和数字地球战略带米的矿山企业改造与发展机遇，果断投入，将数字矿山建设与整个矿山企业的技术创新、管理改革相结合。实施数字矿山战略是传统矿业走出困境，走可持续发展之路的人势所趋。