礦山找礦預(yù)測(cè)地質(zhì)模型構(gòu)建及應(yīng)用

張 雄

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局贛東北大隊(duì)，江西 上饒 334000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電子信息操作系統(tǒng)中進(jìn)行情況模擬和立體建模技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象探測(cè)和計(jì)算力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域廣泛使用。但是由于地質(zhì)對(duì)象具有復(fù)雜性、不確定性和分布離散性，其他學(xué)科已經(jīng)區(qū)域成熟的建模方式不能應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)，需要結(jié)合傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科的現(xiàn)有成果進(jìn)行輔助，進(jìn)行綜合分析和解釋[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外對(duì)立體地質(zhì)建模的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。立體地質(zhì)建模的概念提出以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被研討了將近五十年，形成了一系列的理論成果和建模技術(shù)。很多研究人員也依據(jù)數(shù)學(xué)建模的方式、立體地質(zhì)數(shù)學(xué)建模和可視化方法等方面進(jìn)行了研究[2]。目前的地質(zhì)建模技術(shù)蓬勃發(fā)展，收集立體空間數(shù)據(jù)的方法也越來(lái)越多，對(duì)數(shù)據(jù)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。然而，實(shí)際工作場(chǎng)景的數(shù)據(jù)缺失、遙感數(shù)據(jù)的不精確性、地震記錄剖面數(shù)據(jù)的解釋缺乏以及礦井?dāng)?shù)據(jù)采集的高成本這些問(wèn)題都是影響精準(zhǔn)搭建三維地質(zhì)模型的因素。立體激光掃描技術(shù)只能獲得掃描區(qū)的空間坐標(biāo)和光線反射結(jié)果，大致構(gòu)建出空間巖石的紋理。所以當(dāng)前應(yīng)該不斷地進(jìn)行模型的完善以獲取更多有用的數(shù)據(jù)信息。

1 構(gòu)建礦山找礦預(yù)測(cè)地質(zhì)模型方法

1.1 野外激光掃描數(shù)據(jù)獲取

本文所使用的立體激光掃描儀采用非接觸式激光成像和數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)，是一種方便攜帶，使用簡(jiǎn)便，不需要專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)就可以使用的野外應(yīng)用儀器。該設(shè)備由數(shù)字圖像采集設(shè)備和復(fù)雜的軟件系統(tǒng)組成，只有一個(gè)地球儀大小。它最大的優(yōu)點(diǎn)是精準(zhǔn)度高、掃描范圍大，能夠抓取的有效數(shù)據(jù)多，快速地掃描物體之后能夠迅速地導(dǎo)出物體原始的測(cè)量描繪的數(shù)據(jù)，能從最開(kāi)始和逆向進(jìn)行立體數(shù)據(jù)的采集和模型重構(gòu)。立體激光掃描儀器一般來(lái)講是一行行、一列列進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集。數(shù)據(jù)會(huì)以數(shù)據(jù)集合的形式一行行一列列地轉(zhuǎn)化為像素點(diǎn)，每一個(gè)數(shù)據(jù)集合單元由樣本點(diǎn)在顯示面上的立體坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成。這些坐標(biāo)值構(gòu)成的集合我們稱(chēng)其為“點(diǎn)云”。立體激光掃描儀器在采集過(guò)程中的主要目標(biāo)就是點(diǎn)云的空間位置數(shù)據(jù)，以及發(fā)射點(diǎn)密度數(shù)據(jù)和相機(jī)拍攝到的圖像數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)都會(huì)按照模塊儲(chǔ)存在相對(duì)應(yīng)的文件中。激光立體建模的精準(zhǔn)性取決于掃描方法和實(shí)際掃描的過(guò)程。其掃描到的數(shù)據(jù)是后期處理信息的基礎(chǔ)，也影響著后期建模的質(zhì)量。傳統(tǒng)上使用校準(zhǔn)球。

為了使掃描儀安全、高效地完成掃描工作，儀器應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度和表面相?duì)光滑的環(huán)境下使用。本文的研究主體是礦山，當(dāng)逆光掃描時(shí)，圖像的陰影部分會(huì)比較重，這使得構(gòu)建模型很困難。因此，在掃描時(shí)應(yīng)盡量考慮向光逆光的問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集是為之后的計(jì)算研究工作提供直接的數(shù)據(jù)來(lái)源的基礎(chǔ)步驟之一，上文提到激光掃描儀器的數(shù)據(jù)抓取量很大，所以為了采集到有效的數(shù)據(jù)，在掃描之前就要首先確定第一個(gè)參考點(diǎn)的坐標(biāo)值。設(shè)置參考站點(diǎn)的目的是為后期的站點(diǎn)圖像作為疊加繪制的參考。在選定第一個(gè)參考點(diǎn)時(shí)，需要將參考物的相對(duì)位置記錄下來(lái)。根據(jù)上文討論過(guò)的點(diǎn)云原理，需要至少設(shè)置三個(gè)參考點(diǎn)，而且這些參考點(diǎn)不能連成一條直線或者是處在一個(gè)平面中。同樣，參考點(diǎn)的位置不能夠過(guò)于集中，避免參考坐標(biāo)和地球坐標(biāo)之間混亂而造成誤差。做標(biāo)記是因?yàn)檫@樣可以在后期進(jìn)行拼接工作的時(shí)候能后準(zhǔn)確快速地進(jìn)行加工工作，對(duì)于一些特殊的地點(diǎn)數(shù)據(jù)也有一定的指導(dǎo)作用。在實(shí)際建模過(guò)程中，需要對(duì)參考物品的坐標(biāo)進(jìn)行記錄和語(yǔ)言描述，甚至編號(hào)，以便后續(xù)工作。

掃描儀放置。通常情況下，完成掃描對(duì)象的點(diǎn)云采樣至少需要進(jìn)行一個(gè)星期，也就是要對(duì)多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描工作。所以在掃描開(kāi)始之前，要確定好設(shè)置過(guò)的掃描點(diǎn)的位置這要比測(cè)量整個(gè)站型更加重要的步驟。掃描站點(diǎn)的數(shù)據(jù)大小直接影響到掃描儀器的位置安排和拼接工作的效率。

1.3 地質(zhì)特征提取

特征是指在建立表面模型時(shí)，對(duì)建模有關(guān)鍵影響的局部表面、曲線等立體激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征線提取，包括等值線提取、輪廓特征提取、邊界提取等。對(duì)于規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)的輪廓提取，已有一些比較成熟的方法。因?yàn)榧す鈷呙鑳x器獲取的點(diǎn)云的分布數(shù)據(jù)大多數(shù)是離散的和無(wú)規(guī)律的，所以這些方法不可以直接應(yīng)用于不規(guī)則的數(shù)據(jù)中用來(lái)提取平滑曲線。通常的做法是對(duì)測(cè)量到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剖分，搭建一個(gè)曲面模型，然后通過(guò)插值的方法進(jìn)行連接。內(nèi)部特征線是立體模型中一個(gè)重要的特點(diǎn)，其中包括觀察點(diǎn)的凸起和觀察點(diǎn)有關(guān)的游覽長(zhǎng)廊，有利于觀察者研究圖像模型的細(xì)微之處，特別是對(duì)于含有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的立體模型。高壓楔線由模型表面的主曲率計(jì)算，主曲率與視點(diǎn)無(wú)關(guān)。通過(guò)計(jì)算與視點(diǎn)相關(guān)的模型曲面的徑向曲率提取輪廓，點(diǎn)的法向量應(yīng)垂直于視線。遞增邊界一般是高度不連續(xù)的，折疊邊界是切向不連續(xù)的，平滑邊界是曲率不連續(xù)的，如圖所示。

圖1 各類(lèi)輪廓線示意圖

通過(guò)測(cè)量圖像的形狀、顏色深淺和紋路以及光線反射頻率等特征的變化，可以檢測(cè)出質(zhì)量模型中的輪廓。但根據(jù)立體建模的特點(diǎn)，一般不會(huì)使用單一的不間斷跟蹤，因此在工作中，要根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互方法和自動(dòng)生成方法。

2 礦山找礦預(yù)測(cè)地質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 礦山地質(zhì)空間框架搭建

地質(zhì)模型通常通過(guò)數(shù)據(jù)化的空間幾何形狀、地志學(xué)信息、地質(zhì)研究對(duì)象和它們的物理性質(zhì)之間的關(guān)系來(lái)表述研究對(duì)象。具體包括以下元素：點(diǎn)、線、面、相交線、區(qū)塊、網(wǎng)格以及屬性特征。平滑特性可以是常數(shù)或者連接成曲線或者直線的，在規(guī)定區(qū)塊內(nèi)隨著深度或者方向的變化而逐漸變化。

平均屬性的插入數(shù)值獲取很大程度上決定于表示屬性特征的網(wǎng)格的集合屬性。比如網(wǎng)格的空隙大小，光線滲透程度等等。幾何空間關(guān)系的表達(dá)也是判斷地質(zhì)模型優(yōu)劣的要素之一，所以地質(zhì)建模工作人員需要尤其注意。本文利用激光立體掃描技術(shù)，以定點(diǎn)采集的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和巖石性質(zhì)反饋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為地質(zhì)建模提供統(tǒng)一的空間坐標(biāo)框架參考。

2.2 典型剖面分析

本次樣品的釆集工作主要集中在圖所示的區(qū)域。

對(duì)采集的樣品分別進(jìn)行了礦物組合分析：樣品位置巖石呈藍(lán)灰色、塊狀結(jié)構(gòu)、中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要礦物為長(zhǎng)石、角閃石和綠簾石。綠簾石在長(zhǎng)石中形成絹云母和粘土，膠粘劑呈棕色。顯微鏡下，基質(zhì)由長(zhǎng)石和角閃石組成。斑晶由大塊板狀斜長(zhǎng)石和半自形石英顆粒組成。其中斜長(zhǎng)石長(zhǎng)度約為雙晶結(jié)構(gòu)，不顯著，有少量粘土。局部長(zhǎng)柱狀桂花化，和脈狀絹云母。綠簾石石化閃長(zhǎng)巖的初步鑒定。樣品位置出現(xiàn)淡粉紅色的細(xì)晶脈，呈白色，塊狀結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)最高，碳酸鹽、韓鐵輝石和綠簾石分布顯微鏡下可以看到基質(zhì)主要由細(xì)的自形長(zhǎng)石、含鐵長(zhǎng)石和綠簾石組成。具有較弱的方向性和流動(dòng)性。

基于此，本文所設(shè)計(jì)的立體建模搭建完成。

圖2 測(cè)點(diǎn)與采樣位置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文的分析，對(duì)立體建模和傳統(tǒng)建模兩種方式的各項(xiàng)功能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)同一個(gè)樣本區(qū)，在圖像清晰度、元素分析和坐標(biāo)定位靈敏度方面進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下表：

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比表

由上表可知，立體建模的圖像清晰度比傳統(tǒng)建模高五十萬(wàn)像素，對(duì)礦石中的不同種類(lèi)元素有色差顯示，并且平臺(tái)的運(yùn)行反應(yīng)速度也比傳統(tǒng)建模快很多。所以，本文設(shè)計(jì)的立體建模平臺(tái)能更好地應(yīng)用于礦山找礦的工作中。

4 結(jié)束語(yǔ)

立體激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，以其快速、高效、方便的特點(diǎn)引起了各行業(yè)的關(guān)注。將其應(yīng)用于地質(zhì)建模與研究也是一個(gè)新趨勢(shì)。本文從非接觸式激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、典型剖面元素分析等方面嘗試將激光掃描技術(shù)應(yīng)用于立體地質(zhì)建模。結(jié)果表明，立體激光掃描技術(shù)可以快速、高精度地實(shí)現(xiàn)整體空間框架、內(nèi)部紋理數(shù)據(jù)和亮度數(shù)據(jù)的采礦模型構(gòu)建，結(jié)合其他物化探方法，建立地質(zhì)模型，供地質(zhì)人員分析，地質(zhì)問(wèn)題的解決帶來(lái)了極大的便利，為今后地質(zhì)行業(yè)帶來(lái)了更多的效益。