某礦床資源及采場環境三維可視化模型框架的建立

摘 要:資源及開采環境三維可視化模型是數字化礦山的基礎，框架是模型核心。通過對各種建模方法的分析，對比鉬礦地質情況，選擇了適合礦山實際的建模方法。依據建模方法及可視化的功能建立了數據庫框架與三維可視化模型框架。

關鍵詞:資源開采環境三維可視化模型數值建模框架

中圖分類號:TD2文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2010)7(b)-0085-02

引言

所謂的可視化模型是指將所有數據和圖件利用計算機軟件轉化來準確表征，以利于認識所論對象信息的技術方法。它是通過礦業工程軟件系統來實現的，要開發這樣一個軟件系統，就必須建立其功能的框架。

1 框架的影響因素

目前可視化建模系統的軟件很多，建模方法也有很大差異。不同的建模方法，其框架不同，可視化的效果也不同，模型的精確度也不同。然而，建模方法都有其優缺點，資源及采場的實際情況也有很大差異，要想建立一個好的框架，找到適合公司礦山實際情況，又能達到三維可視化功能的建模方法成為重要的課題。

2建模方法的分析

資源可視化模型主要完成兩個方面的內容:一是資源形態模型，二是資源質量模型的。

礦體的質量模型通過數值模型來實現，形態模型主要通過幾何模型來實現。為了建立資源的可視化模型，有必要研究各種模型的優缺點，選出最佳的建模方法。

2.1 數值模型

數值模型目前比較流行的是塊段模型、網絡模型、斷面模型。因為研究這些模型的出發點在于將它們作為載體，用于地質統計學方法中的品位估值，所以也稱它們為地質統計學估值模型。

(1)塊段模型

塊段模型的實質是用一系列大小相同的正方體(或長方體)來表示礦體，假定各塊段在各方向都是相互毗鄰的，沒有縫隙。每一塊段的品位都是通過克里格、距離反比或其他估值方法來去估值，并認為其品位為一常數值。該模型主要描述浸染狀的金屬礦床，多用于大型露天礦山。其特點是結構簡單、規律性強，編程比較容易。特別是有利于品位和儲量的估算。但是其明顯的缺點是描述礦體的形態能力較差，礦體邊界誤差較大，尤其對于復雜礦體的描述誤差很大。但有人說，我可以減少塊段的尺寸。但用地質統計學估值時，塊段的大小與信息樣品間距，一般是取最小信息樣品間距的0.5倍。當樣品稀疏時，礦體邊界比較稀疏。后來，英國DATAMINE公司推出了變快模型，也就是在某一個方向塊段尺寸可以變化，這樣建模時中部的塊段尺寸較大，邊部的尺寸較小，從而增加了邊界的模擬精度。但是模塊過于小，估值的可靠性會很差，而且計算機容量有限，故此模型的發展還是有一定限度。

(2)網格模型

網格模型是指礦的投影面上劃分二維平面網格，網格形態為正方形或者矩形，對每一網格進行估值計算，在網格的垂直柱體方向記錄礦體厚度的模型技術。目前該技術廣泛應用于GIS的地形數據和地層可視化。網格形態也由網格形態轉變為三角形，其最大優點是將三維問題簡化為二維問題，從而提高模型效率。缺點是邊界確定不準，隨著三維技術進步，網格模型適用范圍已經越來越窄。

(3)斷面模型

斷面模型通過平面圖和剖面圖上的地質信息來描繪礦體形狀。實現方法有兩種:一是在顯示器上顯示出鉆孔和沿鉆孔信息斷面，然后通過光標圈定各種巖石類型邊界，以人機交互式的方式確定地質邊界，另一種方法是通過人工或者計算機將鉆孔斷面圖繪制到紙上，人工圈定地質邊界，之后將最終邊界數據化。這種模型只適合于極為傾斜的礦體，優點是三維問題平面化，簡化模型設計和程序編制，但對復雜礦體不理想。

以上三種模型對于復雜礦體其誤差難以滿足，主要原因有兩個:一是界限的相似性，二是與地質統計學原理相矛盾。

2.2 幾何模型

幾何模型主要用于描述礦體的空間幾何形態，而不涉及礦體的內部信息。其主要的模型如下:

(1)線框模型

線框模型是將面上的點用線連接起來，形成一系列多邊形，再將多邊形面拼接起來構成多邊形網格模擬地質邊界或者開采邊界。其輸出圖形是“線條圖”，符合工程設計習慣，適合任意方向的三視圖、透視圖要求，但由于線框模型用棱邊代表物體形狀，僅包含了礦體的部分信息，因而在輸出剖面圖、消隱圖以及圖形分析會遇到勾畫不清晰的問題。

(2) 表面模型

表面模型是在線框模型基礎上，增加了面的信息，用面的集合表示物體，表面模型也可以有許多曲面拼接而成，通過點線面的數據庫達到建模的目的。不僅克服了線框模型的缺點，而且能夠滿足面面相交、線面消隱、色彩圖的需要。能夠精確地定義礦體的外部幾何形態，使三維表示具有嚴密性和完整體。表面建模需要數據量少， 運行時間短，適于礦體建模。其缺點是面體模型兩面都有信息，無法搞清楚礦體位于表面的那一側，也就無法計算和分析礦體的整體屬性。

(3)實體模型

實體建模是在表面模型的基礎上，增加了實體存在于面的指向信息。其具有了礦體的全部信息，易于空間結構分析，體積運算。目前最新的三維元件建模既可以達到“所見即所得”可以再任一平面按照不同的方式在屏幕上觀察。

3建模方法的選擇

3.1 某礦床的特點

某礦床揉錯帶內呈325～145°方向延展，長2000～2200米，寬0～750米，一般均為600米，厚0～700米，一般為600米。向南東礦體之寬度及厚度漸次向中部收縮而尖滅，其北東、南西、南東三側邊界不明顯，與圍巖呈漸變狀態;北西側邊界即為燕門凹斷層面，界線清晰，因此礦體類似于切去一頭之龐大扁豆體。礦石類型主要為安山玢巖和花崗斑巖兩種，其次有3％左右的板巖及石英巖礦石。礦石向圍巖方向分叉尖滅，礦石鉬品位中部富，向兩側、南東端及深部漸次降低，而過渡為圍巖。伴生有益元素，有銅、硫、錸等，含量穩定、均勻。有害元素含量甚微，近于零，對礦石選煉無影響。礦石主要為角巖結構與斑巖結構，有用礦物(輝鉬礦、黃鐵礦)呈網脈狀、脈狀、浸染狀構造。由此得知鉬礦床規模巨大、形態簡單，產狀陡傾近于直立，品位變化具有漸變規律。另外根據多年來的生產過程中通過炮孔取樣分析及礦體形態的二次修正，得到總體形狀信息和質量信息沒有太大的突變。

3數據庫框架的建立

3.1 數據庫的設計原則

建模方法確定后，實現這思路，就必須建立數據庫。為了實現數據的高效管理，數據庫的設計應遵循原則為:(1)數據庫表中數據定義明確，數據庫設計規范，數據完整安全可靠;(2)由于可視化仿真最終生成圖像的數據量較大，為了加速最終圖像的生成速度，數據庫中除了存放原始的地質數據和采礦工程數據外，還需要存放各種中間數據和分析結果數據。所以，在系統中除了建立各種數據表外，還需建立仿真所需要的中間數據表格;(3)資源及采場環境可視化仿真系統能夠滿足礦山不同時期的需要，數據庫的可擴展性比較重要。只有當數據可擴展時，系統才會具有較強的通用性。

3.2 數據表的建立

數據庫是按照一定的結構存儲于計算機系統中的相關數據集合，這些數據都已“表”的形式體現。數據表分為兩大類數據表，一類是適用于描述地質信息的數據表，包括基本表、原始數據表、系統表等信息，一類是用于描述工程信息的數據表，包括開拓系統、爆破、道路、排水溝、水泵房、邊坡等等。這兩類信息數據按照模型可視化的結果可分為:圖形信息和屬性分析。將這些數據放入一個可方便查詢、刪除、排序、鏈接等放入一定表之中。經過多種軟件的比較選擇，最終確定用ACESS2000軟件將數據按照項目進行輸入建表。

鉬礦資源的資料有:地形圖、巖性圖、鉆孔圖、礦體橫剖面圖、縱泡面圖、斷層圖，共計100多幅。采礦工程資料有:采場現狀實測圖、東川河隧道斷面及施工圖、排土場實測圖。將資源圖形按照工程分類(如鉆孔、刻槽)等建立數據表，屬性表為巖性表，品位表等。采礦工程按項目分為開拓系統表包括:拉溝表、道路表、爆破表，屬性表為參數設計表、工程坐標表。

3.3 工程數據框架的建立

數據庫主要存放三類數據:地質數據庫、工程數據庫、過程數據庫。地質數據涉及地質勘探、生產勘探中的各種勘探數據和刻槽數據，工程數據涉及采礦工程中開拓和采準切割系統的工程參數數據。運算數據是指實際應用過程中發生的采出礦石體運算數據，以及地質品位隨生產變化的動態修正數據。

地質數據是實現地質繪圖、礦體三維可視化、品位儲量計算的基礎，工程數據是實現采礦工程布置的可視化基礎。過程數據則是采礦工藝持續發展的基礎。數據庫管理系統主要包括

設計數據結構和數據庫管理兩個部分。數據庫的管理原則是對庫中各表數據進行維護、包括修改、插入刪除、查詢、打印輸出等操作。采場及資源環境可視化模型的數據庫框架如下圖1。

4三維可視化模型框架

資源與三維可視化模型的數據庫框架已建立，數值模型與幾何模型選定后，就可以建立可視化模型的框架。按照可視化系統的功能將其劃分為數據管理、數據插值及品位儲量計算、地質圖繪制、礦體三維仿真、采礦工程顯示、工程量的計算，如圖2。

數據庫框架與模型框架的建立為軟件系統的開發提供了設計的核心，隨著礦山生產領域的擴張仍然該框架仍然可以擴展。但是就目前的生產現狀已完全滿足。另外框架僅僅是軟件系統中的一個部分，地質、采礦、測量具體的生產工藝流程還要加入框架之中，但是如果沒有這個框架，這些添加將無從談起。

5結論

該礦床資源及采場環境三維建模系統按照以上框架完成的軟件系統調試已交付用戶，截至目前，系統整個運行穩定、可視化效果良好，擴展性強，已取得了良好經濟效益和社會效益。這些成果足以驗證該框架的正確性及適用性。

參考文獻

[1]霍布爾.S計算機構模方法的局限性和新方向.國外金屬礦山[M].1992.

[2]李翠平.面向地礦工程的體視化技術及應用[D].2002.