礦山地質(zhì)工程中三維成像勘查系統(tǒng)設計及應用

蔡 毅

（河北省地質(zhì)工程勘查院，河北 保定 071000）

在早期的礦山勘查工作中，空間內(nèi)礦產(chǎn)資源含量分布受勘查技術的限制，主要依靠手工統(tǒng)計的方式對數(shù)據(jù)信息進行分析，繪制二維空間的簡單的礦區(qū)地質(zhì)圖[1]。雖然取得了一定的成果，但其實施過程中，工作量巨大，效率較低，且受主觀因素影響明顯，應用效果不盡如人意[2]。隨著計算機時代的到來，信息技術飛速發(fā)展，三維成像技術得到了廣泛應用，其可以快速、準確、有效地把海量數(shù)據(jù)信息進行綜合統(tǒng)計處理，以三維圖像的形式進行表達[3]，更加直觀地展現(xiàn)礦產(chǎn)資源在空間內(nèi)的展布形態(tài)和變化趨勢[4]，通過分析這些信息，對于預測含礦隱伏構造具有極其重要的作用[5]。

基于此，本文提出礦山地質(zhì)工程中三維成像勘查系統(tǒng)設計及應用研究。將地質(zhì)勘探工作的開展方式進一步拓展，以期為實際應用提供參考。

1 硬件設計

1.1 核心控制電路

三維成像勘查系統(tǒng)核心電路由PWM控制主機、I／O主機、NRF24電阻、FSMC元件共同組成。在連通狀態(tài)下，電壓及電流參量分別進入PWM控制主機，以及電流控制設備，一部分電壓傳輸至電路外部，供下級設備應用，另一部分電壓經(jīng)過采樣設備進入I／O主機。其中，核心用電設備為FSMC[6]，根據(jù)NRF24的負載情況調(diào)節(jié)輸入電流，將符合應用需求的電壓傳輸至FSMC。具體電路如圖1所示。

1.2 采樣控制芯片

采樣控制芯片是三維成像勘查系統(tǒng)中的信息采集控制元件[7]，由ARM板件、數(shù)據(jù)傳輸管腳、PWM板件、SPI附屬元件以及應用電阻組成[8]。其中，4個ARM板件以兩兩并列方式連接，1個ARM板件僅作為參與性結(jié)構，用于提供傳輸連接。傳輸管腳通過對松弛度進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對ARM板件連接狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制。在PWM板件中的SPI元件負責調(diào)節(jié)采樣控制芯片的負載，將密集數(shù)據(jù)調(diào)度至核心區(qū)，以此適應控制指令的需求。在采樣控制芯片最底層，分布有電阻，分擔系統(tǒng)中的傳輸電壓，抑制采集數(shù)據(jù)流的傳輸下降趨勢。

1.3 數(shù)據(jù)逆變器

本文以IGBT調(diào)節(jié)裝置作為核心設備搭建數(shù)據(jù)逆變器，實現(xiàn)對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的資源分配。數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)傳輸端相連，在連接狀態(tài)時，將待轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)信息規(guī)整成實體。電流存儲器、電壓存儲器均為其下級負載元件，按照系統(tǒng)內(nèi)待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)信息數(shù)量，控制資源承載量。IGBT逆變器的傳輸導流器控制電路中電流的總量。系統(tǒng)內(nèi)待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)總量增加時，傳輸導流器進入極值調(diào)試狀態(tài)，吸收系統(tǒng)內(nèi)的所有可利用傳輸電子。

1.4 CPLD控制面板

CPLD控制面板的主控芯片與數(shù)據(jù)逆變器、采樣控制芯片相連，按照傳輸需求，更改相連設備的狀態(tài)。CPLD主控芯片上的數(shù)據(jù)平衡裝置，可按照指令更改數(shù)據(jù)的排列，指揮ARM板件控制數(shù)據(jù)交流，提高鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的敏感度。接入插口連接采樣控制芯片，傳輸系統(tǒng)指令的同時，將對不必要的電子進行分散。

2 軟件設計

2.1 礦山地質(zhì)信息采集

首先，通過控制芯片，對現(xiàn)場的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)包含采集方向、角度、電位、視電阻率等。在數(shù)據(jù)采集過程中，本文采用SPI作為提取采集區(qū)域中心的核心，借助SPI的數(shù)字處理能力，高速準確地提取采集區(qū)域中心，同時由CPLD控制面板進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，提高系統(tǒng)的速度和精度。其具體流程為，首先，CPLD控制面板發(fā)出采集命令，采集芯片占用總線，采集數(shù)據(jù)到ARM。結(jié)束后CPLD控制面板通知SPI占用總線，采樣控制芯片的SPI開始對ARM中的采集區(qū)域數(shù)據(jù)進行處理，CPLD控制面板同時喚醒數(shù)據(jù)逆變器，為下一步數(shù)據(jù)處理做準備。SPI處理結(jié)束，通知CPLD控制面板占用總線，CPLD控制面板讀取ARM中處理后的數(shù)據(jù)，準備構建礦山三維圖像，同時采集芯片開始新一輪采集。

2.2 數(shù)據(jù)三維轉(zhuǎn)化

在上述地址數(shù)據(jù)采集的基礎上，將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行網(wǎng)格化處理，通過數(shù)據(jù)逆變器，對探測方向、探測角度的數(shù)據(jù)進行疊加逆變。以IGBT調(diào)節(jié)裝置內(nèi)，利用測點的深度數(shù)據(jù)L，可將平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為(Px，Py，Pz)三維數(shù)據(jù)，其轉(zhuǎn)換方式為

2.3 三維地質(zhì)圖像生成

根據(jù)建立的礦山地質(zhì)三維圖像，對礦山的地質(zhì)環(huán)境進行分析，并作為礦山地質(zhì)的勘查輸出結(jié)果。對三維圖像進行構建，流程如圖2所示。

圖2 礦山三維圖像構建流程圖

把采集和處理所得到的采集區(qū)域數(shù)據(jù)，與所其在空間的相對位置相聯(lián)系，再采用曲面逼近的方式對采集區(qū)域進行三維成像。以此實現(xiàn)更加直觀地展現(xiàn)礦山地質(zhì)情況，為礦山工程提供施工依據(jù)。

3 試驗測試

為測試所提系統(tǒng)的實際應用性能，本文進行了試驗測試。同時，為提高實驗結(jié)果的可靠性，分別采用文獻[4]和文獻[5]提出的方法同時進行實驗，對比三個系統(tǒng)的實驗結(jié)果。

3.1 實驗環(huán)境

實驗采用某銅鎳礦區(qū)為實驗對象，礦區(qū)南北向長度為162.53公里，東西向長度為122.02公里，區(qū)域內(nèi)富含豐富斷裂及褶皺構造，南向北50°至75°之間存在大角度傾陡。地表組成為主要是砂、礫石、黏土，化學原色綜合程度較高，Cu、Ni、Ag、As、Pb、Zn等均有分布，且元素之間套合強度較高。

3.2 實驗結(jié)果

首先，在此環(huán)境中，分別采用三種方法對礦區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源進行勘查。分別采用三種方法進行礦區(qū)內(nèi)的找礦工作，分別確定10個開采點，并計算其礦藏所在深度及存儲量。根據(jù)計算結(jié)果，并進行實際的開采工作，以不同方法的分析結(jié)果與實際情況的擬合度。

分別對比了三種方法的礦藏深度分析結(jié)果的有效性。其結(jié)構如表1所示。

表1 三種方法對礦藏深度分析結(jié)果與實際差異對比表/m

從表1中可以看出，對比三種方法對礦藏深度的分析結(jié)果，本文方法的輸出結(jié)果與實際情況的差異最小，基本穩(wěn)定在10m以內(nèi)，且分析結(jié)果與實際結(jié)果的差異僅為5.3m，相對于文獻[4]和文獻[5]方法有明顯優(yōu)勢。這主要是因為本文設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦區(qū)地質(zhì)因素的綜合分析，并建立精準的地質(zhì)三維信息圖像，提高了對地質(zhì)勘查的精度和準確度。

在此基礎上，對比三種方法的對地質(zhì)的深層的含水量進行分析，同樣分別設計10個測試，并根據(jù)其分析結(jié)果對其進行水源探測，判斷其對于水源預測結(jié)果的可靠性，具體結(jié)果如表2所示。

表2 三種方法的含水量分析結(jié)果與實際差異對比表/m3

從表2中可以看出，對比三種方法對深層水源的探測結(jié)果，文獻[4]方法對含水量的分析結(jié)果誤差始終在100m3以上，甚至達到200 m3以上，而本文方法的誤差基本穩(wěn)定在50 m3以內(nèi)，具有較高的勘查精度。這主要是因為本文方法以設計地質(zhì)環(huán)境信息為基礎，建立礦區(qū)的三維地質(zhì)圖像，并不斷對地質(zhì)信息進行轉(zhuǎn)化，以提高其與實際情況的擬合度，以此提高地質(zhì)勘查結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)束語

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于資源的需求不斷增加，在此環(huán)境下，對于礦山的勘查工作成為提高資源開發(fā)的重要手段。本文提出礦山地質(zhì)工程中的三維成像勘查系統(tǒng)設計及應用的研究。通過將三維成像技術引入到地質(zhì)勘查系統(tǒng)中，提高對礦山地質(zhì)分析精度，從而降低由于勘查結(jié)果誤差引起的無效施工。通過本文的研究，以期為地質(zhì)勘查的相關工作提供有價值的參考。