有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

堅(jiān)潤(rùn)堂 楊帆 張俊嶺

摘要：利用現(xiàn)代信息技術(shù)開展三維成礦預(yù)測(cè)，是開展深邊部有色金屬找礦勘查工作的迫切需要。設(shè)計(jì)有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)的目標(biāo)、原則、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)和包括地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)建模、三維空間分析、三維成礦預(yù)測(cè)等功能模塊，并對(duì)輪廓線三維插值建模法、證據(jù)權(quán)三維成礦預(yù)測(cè)法、邏輯回歸成礦預(yù)測(cè)法這三種系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成了主流三維成礦預(yù)測(cè)技術(shù)方法，可滿足多類型、多尺度的有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)需求，為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用提供指南。

關(guān)鍵詞：成礦預(yù)測(cè)；三維地質(zhì)建模；三維空間分析

DOI：10.11907/rjdk.172770

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2018）007-0150-03

Abstract：Toapplymoderninformationtechnologyinthree-dimensionalmineralizationpredictionistheurgentneedofnon-ferrousmetalprospectingexplorationindeepandmarginalareas.Inthispaper，theobjectives，principles，architecture，databaseandthefunctionalmodulesincludinggeologicaldatamanagement，3Dgeologicalmodeling，three-dimensionalspatialanalysisandthree-dimensionalmineralizationpredictionofnon-ferrousmetalthree-dimensionalmetallogenicpredictioninformationsystemaredesigned.Andthreekeymethodsofcontourthree-dimensionalinterpolationmodeling，three-dimensionalmineralizationpredictionandlogicalregressionmetallogenicpredictionarestudied.Thesystemintegratesthemainstreamthree-dimensionalmetallogenicpredictiontechnologytomeetthemulti-typeandmulti-scalenon-ferrousmetalthree-dimensionalmineralizationpredictiondemand，whichcanprovideguidanceforthefollow-upsystemdevelopmentandapplication.

KeyWords：metallogenicprediction；3Dgeologicalmodeling；3Dspatialanalysis

0引言

成礦預(yù)測(cè)是應(yīng)用基礎(chǔ)地質(zhì)、礦床地質(zhì)理論和有關(guān)技術(shù)方法，分析區(qū)域（或礦區(qū)）成礦條件和找礦信息，推斷隱伏礦體的技術(shù)[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是三維可視化技術(shù)以及三維成礦預(yù)測(cè)技術(shù)方法的發(fā)展，利用三維地質(zhì)信息技術(shù)可對(duì)地質(zhì)體物理化學(xué)特性、空間形態(tài)及相關(guān)關(guān)系和抽象概念進(jìn)行更好的分析和處理，以獲取更為可靠、更為深入的地質(zhì)及勘探信息[2]。成礦預(yù)測(cè)工作和其它地質(zhì)工作一樣逐漸“從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代、從二維走向三維，從單一走向綜合”[3]。在三維空間尺度開展成礦預(yù)測(cè)，具有清晰直觀、準(zhǔn)確可靠、最能體現(xiàn)地質(zhì)體的三維本質(zhì)特征。因此，研究有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于推進(jìn)成礦預(yù)測(cè)技術(shù)方法的發(fā)展、提升成礦預(yù)測(cè)效能具有重要意義。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原則

（1）實(shí)用性原則。系統(tǒng)應(yīng)能滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分析，滿足在同一個(gè)三維視圖空間內(nèi)顯示的需求，應(yīng)提供豐富多樣的三維空間分析及成礦預(yù)測(cè)方法，以適應(yīng)因礦床類型、研究區(qū)域、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等差異性對(duì)系統(tǒng)的需求。

（2）穩(wěn)定性原則。系統(tǒng)應(yīng)選擇市面上成熟的信息技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，三維礦產(chǎn)平臺(tái)和大型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)選擇主流的、已得到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)分層清晰、模塊耦合性低，多方面保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）先進(jìn)性原則。系統(tǒng)應(yīng)緊跟三維成礦預(yù)測(cè)方法發(fā)展現(xiàn)狀，集成一些具有探索性、前瞻性的成礦預(yù)測(cè)方法，同時(shí)在海量數(shù)據(jù)并行處理、GPU資源調(diào)度、三維快速渲染顯示等方面進(jìn)行優(yōu)化，充分保證系統(tǒng)的先進(jìn)性。

（4）易用性原則。系統(tǒng)用戶界面應(yīng)采用常規(guī)Windows系統(tǒng)界面風(fēng)格，界面布局美觀、參數(shù)設(shè)定得當(dāng)、操作提示清晰、向?qū)гO(shè)計(jì)合理，盡量降低用戶系統(tǒng)學(xué)習(xí)和使用成本。

（5）安全性原則。有色金屬地質(zhì)數(shù)據(jù)是蘊(yùn)藏著礦產(chǎn)資源的寶貴資源，系統(tǒng)應(yīng)充分保證原始數(shù)據(jù)修改的一致性、預(yù)測(cè)成果的防篡改性以及系統(tǒng)使用過(guò)程記錄的詳細(xì)全面性，確保系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的使用安全受控。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)由于涉及到海量的三維空間數(shù)據(jù)可視化、處理分析、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作，對(duì)CPU和顯卡等計(jì)算資源的需求高，且綜合考慮到系統(tǒng)用戶大都為單機(jī)用戶，因而設(shè)計(jì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，整個(gè)結(jié)構(gòu)功分為三層，分別為數(shù)據(jù)庫(kù)層、平臺(tái)框架層和功能應(yīng)用層（詳見(jiàn)圖1）。其中平臺(tái)框架層中的三維礦產(chǎn)平臺(tái)采用Surpac軟件平臺(tái)，并采用TCL/SCL腳本引擎，可直接利用腳本語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行定制和擴(kuò)展，GIS平臺(tái)部分主要負(fù)責(zé)二維空間數(shù)據(jù)的顯示處理，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)引擎負(fù)責(zé)空間和非空間地質(zhì)數(shù)據(jù)的存取訪問(wèn)。

1.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

三維成礦預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包括區(qū)域地形地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔編錄數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)、重磁電物探數(shù)據(jù)[4]、地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)等，依據(jù)數(shù)據(jù)類型，將整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為基礎(chǔ)地形地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)、物化探數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

（1）基礎(chǔ)地形地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)主要負(fù)責(zé)存放包括等高線、交通、水系、居民地、綠地植被以及遙感影像等符合國(guó)家基礎(chǔ)地理信息標(biāo)準(zhǔn)的大比例地理信息。

（2）鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)地質(zhì)勘查鉆探過(guò)程中所形成的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，包括孔口表、測(cè)斜表、巖性分層表、樣品測(cè)試分析表等數(shù)據(jù)，通過(guò)這些鉆孔數(shù)據(jù)可獲取三維空間地層、構(gòu)造、巖漿巖、礦體的三維空間分布及相互關(guān)系。

（3）物化探數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)大面積、深部（從地表到幾十千米不等）、立體的區(qū)域地球物理、地球化學(xué)數(shù)據(jù)，其中物探數(shù)據(jù)可包括地震、重力、磁力等數(shù)據(jù)，化探數(shù)據(jù)一般是地質(zhì)填圖中的地球化學(xué)數(shù)據(jù)。通過(guò)物探解譯、化探分析等工作，可獲取地下地質(zhì)體的三維空間形態(tài)及相互關(guān)系，以及其地球物理、化學(xué)特征。

（4）系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)是支撐系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)組織機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)權(quán)限、系統(tǒng)日志以及系統(tǒng)基本參數(shù)（如圖形窗口的背景色、系統(tǒng)字體設(shè)定等）等信息。

1.4功能模塊設(shè)計(jì)

面向三維成礦預(yù)測(cè)目標(biāo)，根據(jù)綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用流程，將整個(gè)系統(tǒng)劃分成地質(zhì)數(shù)據(jù)管理模塊、三維地質(zhì)建模模塊、三維空間分析模塊、三維成礦預(yù)測(cè)模塊和系統(tǒng)管理模塊。

（1）地質(zhì)數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)三維成礦預(yù)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理維護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的增刪、改查、統(tǒng)計(jì)以及導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。主要包括基礎(chǔ)地形地質(zhì)管理、鉆孔數(shù)據(jù)管理、物化探數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)管理、遙感數(shù)據(jù)管理等。

（2）三維地質(zhì)建模模塊。三維地質(zhì)建模實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)三維特征化、可視化的過(guò)程[5]，三維地質(zhì)模型是三維成礦預(yù)測(cè)工作的基礎(chǔ)。因而三維地質(zhì)建模模塊是系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊之一，其主要包括數(shù)字地形模型DTM工具（DTM面管理、剖面創(chuàng)建、斷層創(chuàng)建、等值線生成）、三維實(shí)體建模（三角網(wǎng)管理、廓線建模法[6-8]、趨勢(shì)面插值建模法[9-10]）和三維塊體模建模（塊體管理、屬性管理、約束管理、顯示管理、剖面創(chuàng)建）三大部分。

（3）三維空間分析模塊。該模塊是實(shí)現(xiàn)三維成礦預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，用于提煉和構(gòu)建三維成礦預(yù)測(cè)信息模型。主要包括三維緩沖分析、三維空間變換、三維疊加分析、三維地質(zhì)形態(tài)分析[11-12]、三維插值分析（包括克呂格插值法、距離權(quán)重反比插值法、距離冪次反比插值法、最近鄰點(diǎn)插值法）功能。

（4）三維成礦預(yù)測(cè)模塊。該模塊是定位、定量、定概率獲取成礦結(jié)果的模塊，也是系統(tǒng)核心功能模塊。主要包括知識(shí)驅(qū)動(dòng)成礦預(yù)測(cè)（布爾邏輯法、指數(shù)疊加法、模糊邏輯法）、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型（信息量法、證據(jù)權(quán)法、邏輯回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法）和資源儲(chǔ)量計(jì)算（克呂格方法、垂直斷面法）。

（5）系統(tǒng)管理功能模塊。該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)組織結(jié)構(gòu)、用戶角色、使用日志以及系統(tǒng)基本參數(shù)等系統(tǒng)信息的管理維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)的安全受控使用，滿足用戶個(gè)性化需求。其主要功能包括：組織機(jī)構(gòu)管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)參數(shù)配置等。

2關(guān)鍵技術(shù)

如何高效構(gòu)建三維地質(zhì)模型，以及高效提煉成礦作用特征標(biāo)志，提升所預(yù)測(cè)靶區(qū)的可信度，是本系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本節(jié)針對(duì)系統(tǒng)的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1趨勢(shì)面插值三維地質(zhì)建模技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的提升與地質(zhì)插值等相關(guān)算法的發(fā)展進(jìn)步，針對(duì)輪廓線三維建模方法的不足，發(fā)展出了插值趨勢(shì)面三維地質(zhì)建模法，基于插值等勢(shì)面的隱式H維建模方法又可稱之為基于知識(shí)的插值方法，其以地質(zhì)年代序列作為基礎(chǔ)，以地質(zhì)、地球物理推斷界線和產(chǎn)狀作為幾何約束，最終基于插值方法對(duì)地質(zhì)體界面進(jìn)行計(jì)算[2]。

該方法能夠自動(dòng)綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，很少需要人工干預(yù)，計(jì)算過(guò)程快，且不受限于地質(zhì)數(shù)據(jù)的方向、尺度和方位，可高效綜合使用已有的多元異構(gòu)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，且更新維護(hù)非常方便。通過(guò)利用多元數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)及構(gòu)造約束，該方法可以大幅度減少三維地質(zhì)構(gòu)造的不確定性。但同時(shí)也受制于數(shù)據(jù)來(lái)源、網(wǎng)格尺度和算法本身的約束，無(wú)法對(duì)某些構(gòu)造形態(tài)非常復(fù)雜或是具有高精度要求的地質(zhì)模型進(jìn)行構(gòu)建。

在實(shí)際建模工作中，需要根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)工作實(shí)際及研究需要，將輪廓線三維建模法和插值趨勢(shì)面三維地質(zhì)建模法進(jìn)行有機(jī)融合，兼顧兩種建模方法的優(yōu)點(diǎn)，定會(huì)成為未來(lái)三維地質(zhì)建模方法的重要研究方向。

2.2證據(jù)權(quán)法三維成礦預(yù)測(cè)技術(shù)

證據(jù)權(quán)重法是一種利用確定礦產(chǎn)形成的后驗(yàn)概率圈定研究區(qū)有利成礦部位的數(shù)學(xué)模型。證據(jù)權(quán)重法是目前找礦預(yù)測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法[13]。其數(shù)學(xué)原理及計(jì)算關(guān)鍵是：前驗(yàn)概率→證據(jù)權(quán)重→后驗(yàn)概率。

（1）前驗(yàn)概率，即根據(jù)已知礦點(diǎn)分布計(jì)算各證據(jù)因子單位區(qū)域內(nèi)的成礦概率。假設(shè)每個(gè)礦點(diǎn)所占的單元格面積為u，研究區(qū)的面積（以單元格為單位）：

式（1）中：T為研究區(qū)；A（T）為面積；N（T）為單元格數(shù)目。研究區(qū)內(nèi)的礦點(diǎn)數(shù)為N（D），則隨機(jī)選取一個(gè)單元格中礦點(diǎn)的概率為P（D）=N（D）/N（T），也被稱為先驗(yàn)概率。

（2）證據(jù)權(quán)重。假設(shè)研究區(qū)被劃分成面積相等的T個(gè)單元，其中有D個(gè)單元為有礦單元。對(duì)于任意一個(gè)證據(jù)因子，其權(quán)重定義為：

證據(jù)層與礦床（點(diǎn)）的相關(guān)程度為：

（3）后驗(yàn)概率。在大量地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)等圖層疊加操作的基礎(chǔ)上計(jì)算得出。因此，其結(jié)果綜合反映各種控礦因素和礦化信息對(duì)礦床的控制和指示意義。

預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果是一個(gè)成礦后驗(yàn)概率圖，后驗(yàn)概率值的大小對(duì)應(yīng)著成礦概率的大小，數(shù)值越大，表明發(fā)現(xiàn)礦床（點(diǎn)）的概率越大。在確定整個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)的臨界值后，其概率圖中后驗(yàn)概率大于臨界值的地區(qū)，即為找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.3邏輯回歸三維成礦預(yù)測(cè)技術(shù)

雖然證據(jù)權(quán)重方法是在成礦定量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方法，但由于其基于貝葉斯理論，并以W多種控礦或指示要素條件獨(dú)立為前提假設(shè)，因此多種控礦或指示要素之間不可避免的相關(guān)關(guān)系可能對(duì)后驗(yàn)概率帶來(lái)一定影響。Logistic回歸方法不依賴于條件分布的獨(dú)立性假設(shè)，由于可被看作是一個(gè)非線性模型，因此對(duì)于多種控礦或指示要素有更強(qiáng)的處理和分析能力[14]。方法如下：

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)在三維空間內(nèi)直觀高效開展有色金屬成礦預(yù)測(cè)的需要，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，采用主流三維礦產(chǎn)平臺(tái)Surpac軟件，設(shè)計(jì)了有色金屬三維成礦預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)的目標(biāo)、原則、體系結(jié)果、數(shù)據(jù)庫(kù)和主要功能模塊，并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)融合了最新的插值輪廓線三維建模方法、三維地質(zhì)體界面分析方法以及證據(jù)權(quán)法、邏輯回歸法成礦預(yù)測(cè)方法，其先進(jìn)性、實(shí)用性得到了保障，可為下一步系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用提供實(shí)施指南。

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（責(zé)任編輯：江艷）