數(shù)字礦山中三維地質(zhì)建模方法與應(yīng)用

張閣偉

摘 要：在科技信息的迅猛發(fā)展下，礦山行業(yè)信息化建設(shè)是大勢(shì)所趨，并且，數(shù)字礦山的實(shí)行也一定會(huì)是達(dá)到礦山行業(yè)高質(zhì)、高產(chǎn)、有效開(kāi)采的重要措施。三維地質(zhì)建模是數(shù)字礦山發(fā)展的重要途徑之一，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山目標(biāo)的前提。這篇文章描述了三維地質(zhì)建模對(duì)礦山發(fā)展的積極意義及如今三維地質(zhì)建模的常用技術(shù)方法，接著對(duì)我國(guó)以后的數(shù)字礦山目標(biāo)提了新的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字礦山;三維地質(zhì)建模;應(yīng)用

1 數(shù)字礦山發(fā)展面臨的問(wèn)題

1988年1月31日，美國(guó)在任總統(tǒng)指出“數(shù)字地球”的說(shuō)法，受到了全球各地的普遍重視。很多科研學(xué)者在這前提下結(jié)合自己國(guó)家的具體情況進(jìn)行了長(zhǎng)期這方面的分析工作。1998年10月，江澤民同志在會(huì)見(jiàn)兩院院士時(shí)，也指出了數(shù)字中國(guó)的規(guī)劃目標(biāo)，與各院士探討了關(guān)于實(shí)行DC的行動(dòng)規(guī)劃。

這幾年來(lái)，我國(guó)的礦山領(lǐng)域信息化廣泛普及，并取得了顯著效果，然而總體效益還是不夠好。我國(guó)礦山在進(jìn)礦區(qū)勘探考察、規(guī)劃分析、設(shè)計(jì)研究、生產(chǎn)水平、管理環(huán)節(jié)、全程監(jiān)控等信息化“軟”區(qū)域，與發(fā)達(dá)國(guó)家的采礦水平相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。遙控采礦、無(wú)人為的自動(dòng)礦采、無(wú)人礦井都在加拿大、美國(guó)等區(qū)域變成事實(shí)，在一定程度上避免了人員傷亡。加拿大早在上世紀(jì)90年代就致力于探究研發(fā)遙控采礦技術(shù)，為的是達(dá)到采礦各環(huán)節(jié)都能進(jìn)行遙控操作，當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出樣機(jī)系統(tǒng)，并在INCO企業(yè)的一些地下鎳礦成功運(yùn)行。如今我國(guó)的礦山領(lǐng)域信息化普及不全面、信息基礎(chǔ)設(shè)施配置不齊全、信息化管理能力弱，是礦區(qū)行業(yè)的安全無(wú)法得到保障的重要因素。建設(shè)數(shù)字化，以科學(xué)化、規(guī)范化和信息化引導(dǎo)采礦業(yè)的優(yōu)化創(chuàng)新，開(kāi)辟出安全、優(yōu)質(zhì)、規(guī)范、生態(tài)和可持續(xù)的礦業(yè)運(yùn)行新形式，是我國(guó)礦業(yè)進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 體系架構(gòu)

通過(guò)可視化技術(shù)構(gòu)建有效的三維模型，服務(wù)礦山建設(shè)的不同階段，為數(shù)字礦山建設(shè)提供有力支撐，主要流程如下：

（1）使用地質(zhì)數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備，通過(guò)本地或遠(yuǎn)程服務(wù)獲取數(shù)據(jù)。礦山數(shù)據(jù)具有多樣化的特點(diǎn)，通過(guò)資料收集、整理分類(lèi)、分析解析和推斷識(shí)別四個(gè)過(guò)程，對(duì)礦山數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋與識(shí)別，成為三維地質(zhì)建模的重要依據(jù)，這是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性、技術(shù)性非常強(qiáng)的工作。

（2）根據(jù)資料解釋與識(shí)別結(jié)果，將研究區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)接口引擎導(dǎo)入多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，并按照GeoSIS系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的矢量化、參數(shù)域變換、增補(bǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)檢測(cè)和修正等多源數(shù)據(jù)耦合處理。由于空間地質(zhì)數(shù)據(jù)的來(lái)源、格式、表達(dá)方式、量綱等的多樣性，數(shù)據(jù)不完整性和不一致性成為其中最為棘手的問(wèn)題，并直接影響到地質(zhì)模型的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)耦合處理后的數(shù)據(jù)將作為三維建模的依據(jù)。

（3）對(duì)通過(guò)接口引擎導(dǎo)入的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、去噪和編碼等處理，實(shí)現(xiàn)一體化顯示，為建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型提供可靠的數(shù)據(jù)和有力的科學(xué)依據(jù)。

（4）采用點(diǎn)構(gòu)模、線框構(gòu)模、表面構(gòu)模、體元構(gòu)模以及混合構(gòu)模技術(shù)，分別構(gòu)建地表模型、地層模型、斷層模型、礦體模型、屬性模型、工程模型、礦山生產(chǎn)設(shè)備模型等，多種構(gòu)模方法集成需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：空間插值方法、斷層/褶皺/侵入巖/礦體等復(fù)雜地質(zhì)體空間分布的不確定性及其建模方法、表面模型的無(wú)縫連接以及體元構(gòu)模精度等。

3 礦山地質(zhì)建模與可視化過(guò)程

3.1 地質(zhì)體信息特征及模型建立

地質(zhì)現(xiàn)象（地質(zhì)體）極其復(fù)雜，地殼中的地質(zhì)體的成因、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造形態(tài)差別較大，僅從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，各種地質(zhì)體的構(gòu)造都可以歸納為面狀構(gòu)造、線狀構(gòu)造和（礦）體構(gòu)造。面狀構(gòu)造主要有層理（地層面）、節(jié)理和斷層（斷裂）;線狀構(gòu)造包括呈線性構(gòu)造以及各種平面的交線，如褶皺的樞紐和線理等;礦體則是富集某些礦物成分的巖石體，根據(jù)礦體形成的原因、環(huán)境和條件的不同，礦體的形狀有層狀、脈狀、網(wǎng)狀和團(tuán)塊狀之分。作為表達(dá)三維地質(zhì)現(xiàn)象的3DGM來(lái)說(shuō)，主要考慮的地質(zhì)現(xiàn)象為地層、斷裂和礦體。因此，地層、斷裂和礦體的幾何形態(tài)、空間拓?fù)潢P(guān)系以及物性信息的研究，就成為礦山地質(zhì)建模與可視化主要研究?jī)?nèi)容之一。

3.2 礦山實(shí)體及礦山開(kāi)拓系統(tǒng)的建模

礦山的人工構(gòu)建物（井筒、巷道、井底車(chē)場(chǎng)等）既是自成體系的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，又是與自然地質(zhì)體密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，除了研究井筒、巷道、井底車(chē)場(chǎng)等它們本身的空間屬性關(guān)系、空間拓?fù)潢P(guān)系，還要研究它們與地層、構(gòu)造及礦體的空間拓?fù)?、空間關(guān)聯(lián)與空間接觸關(guān)系，從而建立起礦山實(shí)體與礦山開(kāi)拓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

3.3 地質(zhì)模型及礦山開(kāi)拓系統(tǒng)的可視化

礦山地質(zhì)建模與可視化研究就是要綜合現(xiàn)在比較流行的各種地質(zhì)建模技術(shù)，建立符合我國(guó)礦山地質(zhì)特征的三維地質(zhì)模型和礦山開(kāi)拓系統(tǒng)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，并采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ遃isualC++6.0和國(guó)際上通用的開(kāi)放式的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)（OpenGL）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山的三維可視化顯示。研究方法與技術(shù)路線如下：第一，收集資料（鉆孔、地質(zhì)測(cè)量、測(cè)井、地震以及采礦工程資料），結(jié)合礦山地質(zhì)屬性與采礦工程特點(diǎn)，建立礦山地質(zhì)與采礦工程基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù);第二，以礦山地質(zhì)建模理論為指導(dǎo)，提取建模要素（點(diǎn)、線、曲面、交線、閉合巖石區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)與物性等），再現(xiàn)各建模要素在三維空間的分布形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系，建立礦山地質(zhì)與井巷開(kāi)拓系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型;第三，采用合適的編程和可視化顯示工具，實(shí)現(xiàn)模型的三維可視化和屬性信息的查詢以及模型的交互操作。體視化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展大大推動(dòng)了三維地質(zhì)建模和可視化技術(shù)的發(fā)展，但對(duì)礦井開(kāi)拓系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)描述、空間拓?fù)潢P(guān)系的建立與可視化顯示還有些算法需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

在如今的礦產(chǎn)開(kāi)采期間，三維地質(zhì)建模方式應(yīng)用的較為普遍，為我國(guó)礦業(yè)建設(shè)發(fā)展帶來(lái)了很多便利。在銅鉆礦山區(qū)域，三維地質(zhì)建模起到了極其關(guān)鍵的作用。所以，要對(duì)建模方法和推行應(yīng)用深入探究，進(jìn)而全面考察和評(píng)價(jià)礦產(chǎn)資源價(jià)值，在礦產(chǎn)開(kāi)采期間，為各環(huán)節(jié)流程帶來(lái)必要的參考條件，進(jìn)而強(qiáng)化礦產(chǎn)資源開(kāi)采效率，減少礦采經(jīng)費(fèi)支出和采礦風(fēng)險(xiǎn)。

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