礦山鉆孔三維模型構建與可視化方法

荊永濱 代碧波 孫光中，5

(1.河南工程學院安全工程學院，河南 鄭州451191;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000;5.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙410083)

礦山鉆孔數(shù)據(jù)是礦山三維建模的基礎數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)一般僅反映礦山地質(zhì)對象在特定空間位置上的屬性信息，而非地質(zhì)對象在特定空間內(nèi)的全面信息［1-2］。例如，鉆孔巖心取樣的各種元素品位、巖性等信息僅能反映樣品所處位置的元素品位、體重和巖性等。利用鉆孔數(shù)據(jù)進行地質(zhì)解譯、三維重建有助于獲得地質(zhì)對象在二維和三維空間內(nèi)的全面信息［3-5］。對此，陳建宏等利用層次型數(shù)據(jù)庫管理鉆孔數(shù)據(jù)，研究了基于鉆孔數(shù)據(jù)的勘探線剖面圖自動生成方法［6］;許哲平等［7］集成鉆孔分層數(shù)據(jù)及相關的多源數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)了具有編輯、管理、發(fā)布和制圖功能的三維可視化鉆孔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高了鉆孔數(shù)據(jù)管理的直觀性和交互性;郭偉娜等［8］利用地質(zhì)數(shù)據(jù)元素，建立了綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在管理地質(zhì)資料的同時，能夠為礦床建模、隱伏礦體立體定量測量等研究提供基礎數(shù)據(jù)支持;吳健飛等［9］利用Microsoft Access 創(chuàng)建礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了在三維環(huán)境下利用鉆孔軌跡和元素品位的風格顯示進行地質(zhì)解譯;夏艷華等［10］根據(jù)地層地質(zhì)特征建立了鉆孔數(shù)據(jù)的地層層序序列，從而確定了唯一的地層層面插值數(shù)據(jù)，建立了較為精確的地層模型;劉向東等［11］開發(fā)了地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)入庫、查詢、統(tǒng)計、管理及匯總表等功能?，F(xiàn)有的研究成果主要側(cè)重于鉆孔數(shù)據(jù)庫的管理和制圖，主要利用關系型數(shù)據(jù)管理鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔的可視化則主要在二維圖形軟件平臺上進行實現(xiàn)。礦山三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的鉆孔數(shù)據(jù)管理與三維模型可視化功能，應當能夠為礦體建模、品位估值、生產(chǎn)計劃編制、境界優(yōu)化等提供所需要的圖形和屬性數(shù)據(jù)。為此，有必要對鉆孔的數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)錯誤校驗、鉆孔三維模型建立及可視化進行深入研究。

1 鉆孔數(shù)據(jù)存儲與管理

1.1 鉆孔數(shù)據(jù)表

鉆孔數(shù)據(jù)分為圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)2 種類型。圖形數(shù)據(jù)存儲鉆孔孔口、鉆孔軌跡和樣品位置等幾何信息;屬性數(shù)據(jù)則存儲鉆孔和樣品相關的數(shù)值、文字和時間信息［8］。數(shù)據(jù)存儲與管理通常根據(jù)數(shù)據(jù)量大小選擇Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server、Microsoft Access 等數(shù)據(jù)庫［12］。數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)結(jié)構化、共享性高、冗余度低、易擴充、數(shù)據(jù)獨立性高等特點，使用數(shù)據(jù)庫技術能夠以最小的技術代價高效的處理數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫必須由服務進程來管理數(shù)據(jù)庫文件［13］。因此，針對鉆孔數(shù)據(jù)特點采用SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)保存在單一文件中，不依賴于平臺和其他數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫的建立和使用都比較簡單，對屬于MB 級的鉆孔數(shù)據(jù)而言，運行速度快于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫［14］。

1.2 鉆孔數(shù)據(jù)表結(jié)構設計

針對鉆孔數(shù)據(jù)類型的特點及建立鉆孔數(shù)據(jù)庫的需要，將鉆孔數(shù)據(jù)分為孔口表、樣品分析表、測斜表和地質(zhì)巖性表等4 類，分別見表1 ～表4。

表1 孔口表數(shù)據(jù)結(jié)構Table 1 Data structure of orifice table

表2 樣品分析表數(shù)據(jù)結(jié)構Table 2 Data structure of sample table

表3 測斜表數(shù)據(jù)結(jié)構Table 3 Data structure of survey table

表4 地質(zhì)巖性表數(shù)據(jù)結(jié)構Table 4 Data structure of geological lithology table

在計算鉆孔軌跡時，可將測斜表中缺少測斜數(shù)據(jù)的鉆孔默認為下向直孔。

孔口表中必須包含表中的強制字段，可以添加其他字段，如開孔日期、終孔日期、施工單位及鉆機號、鉆機類型、編錄人、檢查人等。

樣品分析表中必須包含表中的強制字段，可以添加其他字段，如礦床所含有的其他元素、樣長、分析編號等。

地質(zhì)巖性表中可以自定義添加其他字段。若無巖性數(shù)據(jù)，可以省略該表。

2 鉆孔數(shù)據(jù)校驗

鉆孔數(shù)據(jù)在收集和處理過程中可能存在各種錯誤，在建立鉆孔三維模型之前，有必要對鉆孔數(shù)據(jù)進行校驗，查找并修改存在的錯誤。鉆孔數(shù)據(jù)中的錯誤有2 種:①用于計算鉆孔空間軌跡的圖形數(shù)據(jù)中存在的錯誤;②通過人為設置數(shù)值界限由計算機判斷出的錯誤和不影響鉆孔軌跡計算的錯誤。第1 類錯誤見表5。

表5 第1 類鉆孔數(shù)據(jù)錯誤Table 5 Errors existing in borehole data

第2 類錯誤包括:①方位角變化大于設置值;②傾角變化大于設置值;③樣品長度大于設置值;④樣品起點深度大于前一個樣品的終點深度。

3 鉆孔三維可視化

鉆孔軌跡是鉆孔軸線在空間的位置，勘探中有2類鉆孔:①直線型鉆孔，鉆孔軌跡由孔口坐標和孔口方位角、傾角確定;②曲線型鉆孔，鉆進軌跡是一條方位角和傾角連續(xù)變化的空間曲線［15］，見圖1。

圖1 鉆孔軌跡Fig.1 Borehole trace

對于曲線型鉆孔，在精確繪制鉆孔軌跡時，需要計算空間軌跡上各點的坐標。在生產(chǎn)實踐中，通常將鉆孔軌跡曲線轉(zhuǎn)化為折線，計算方法有:

(1)均角全距法［16-17］。將相鄰兩測斜點間的鉆孔軌跡作為直線段，已知兩測斜點間的測程，即兩測斜點的深度差L 和兩測斜點的方位角平均值和傾角平均值，直線段端點的空間坐標計算公式為

式中，xi、yi、zi分別為地理坐標中的東坐標、北坐標和高程;i 為測斜點序號;Li為第i 個測斜點與第i－1 個測斜點之間的測程，m;αi為第i 個測斜點方位角，(o);βi為為第i 個測斜點的傾角，(°)。

(2)全角半距法［16-17］。將相鄰測斜點上、下相鄰測程的各一半長度的鉆孔軌跡線作為直線段，根據(jù)測程的一半長度和相鄰測斜點的方位角和傾角進行計算，測斜點空間坐標計算公式為

4 鉆孔三維可視化

4.1 鉆孔三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構

鉆孔三維可視化包括鉆孔的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的三維可視化［18］。鉆孔圖形數(shù)據(jù)通過鉆孔軌跡進行可視化，能夠為礦山地質(zhì)三維建模提供準確的空間數(shù)據(jù)，包括孔口位置、樣品空間位置等;鉆孔屬性數(shù)據(jù)通過文字、顏色和圖形等多種方式在三維環(huán)境中進行可視化，包括鉆孔編號、孔深值、樣品的起點和終點深度以及樣品的各種元素品位值、體重、巖性代碼等［19-20］。因此，鉆孔三維模型采用圖形關聯(lián)數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)結(jié)構進行存儲。圖形數(shù)據(jù)以點存儲鉆孔孔口位置，以直線段存儲樣品空間位置，數(shù)據(jù)表存儲圖形的屬性值。

4.2 鉆孔三維模型及屬性可視化

鉆孔三維模型中，每個鉆孔由表示孔口的點、表示樣品的多個直線段和對應的表示屬性的數(shù)據(jù)表組成。逐個計算樣品直線段的空間位置最終形成鉆孔軌跡，樣品直線段的端點坐標根據(jù)樣品長度、樣品所在的測斜區(qū)間的角度參數(shù)和鉆孔軌跡計算的數(shù)學模型得到，樣品的全部屬性信息作為一條記錄添加至數(shù)據(jù)表。

鉆孔軌跡通常以多段線表示，屬性數(shù)據(jù)則以文字、不同顏色、不同圖形或者不同紋理等方式將數(shù)值或文本等信息表達出來。鉆孔模型在三維空間旋轉(zhuǎn)后，圖形和紋理均要重新繪制。巖性的可視化則將巖性代碼對應不同的紋理繪制于鉆孔軌跡一側(cè)。此外，任何屬性數(shù)據(jù)均可以用文字注釋的方式顯示在對應的圖形一側(cè)。

5 應用實例

基于Hoops 3D 框架，采用C+ +語言在Windows平臺上編寫程序進行算法實現(xiàn)。以某銅礦鉆孔為例，礦體由51 個鉆孔控制，分布于32#～56#勘探線。礦體中含Cu、Tfe、Sfe、Au、Ag 等元素，Cu 邊界品位為0.3%，最低工業(yè)品位為0.5%。通過原始鉆孔數(shù)據(jù)建立了該礦鉆孔的三維空間軌跡曲線模型，見圖2。

圖2 鉆孔三維空間軌跡曲線模型Fig.2 Trace model of three-dimensional borehole curve

鉆孔中Cu 品位以數(shù)值和直方圖的形式分別顯示于鉆孔軌跡兩側(cè)，36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界見圖3?；诟骺碧骄€的鉆孔圈定了礦體邊界后，即可利用表面重建算法建立礦體或巖層的三維地質(zhì)模型。

圖3 36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界Fig.3 Delineation of copper orebody based on 36# exploration line borehole

6 結(jié) 語

基于礦山鉆孔數(shù)據(jù)，對鉆孔三維模型構建及可視化方法進行了研究。利用SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫管理鉆孔數(shù)據(jù)，對鉆孔數(shù)據(jù)中存在的2 種錯類型進行了分析，使得鉆孔數(shù)據(jù)校驗更全面。針對2 種鉆孔類型，分別給出了各自鉆孔軌跡數(shù)據(jù)模型的計算公式。通過圖形關聯(lián)屬性數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)結(jié)構存儲鉆孔三維模型，實現(xiàn)了鉆孔屬性數(shù)據(jù)的可視化。研究成果對于地質(zhì)分析、礦床三維建模有一定的借鑒價值。

致謝 感謝煤礦災害預防控制實驗室河南省高校重點實驗室培育基地資助。

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