礦山鉆孔三維模型構建與可視化方法

荊永濱 代碧波 孫光中，5

(1.河南工程學院安全工程學院，河南 鄭州451191;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000;4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000;5.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙410083)

礦山鉆孔數據是礦山三維建模的基礎數據，該類數據一般僅反映礦山地質對象在特定空間位置上的屬性信息，而非地質對象在特定空間內的全面信息［1-2］。例如，鉆孔巖心取樣的各種元素品位、巖性等信息僅能反映樣品所處位置的元素品位、體重和巖性等。利用鉆孔數據進行地質解譯、三維重建有助于獲得地質對象在二維和三維空間內的全面信息［3-5］。對此，陳建宏等利用層次型數據庫管理鉆孔數據，研究了基于鉆孔數據的勘探線剖面圖自動生成方法［6］;許哲平等［7］集成鉆孔分層數據及相關的多源數據，利用虛擬現實技術開發了具有編輯、管理、發布和制圖功能的三維可視化鉆孔數據管理系統，提高了鉆孔數據管理的直觀性和交互性;郭偉娜等［8］利用地質數據元素，建立了綜合地質數據庫管理系統，在管理地質資料的同時，能夠為礦床建模、隱伏礦體立體定量測量等研究提供基礎數據支持;吳健飛等［9］利用Microsoft Access 創建礦區鉆孔數據庫，實現了在三維環境下利用鉆孔軌跡和元素品位的風格顯示進行地質解譯;夏艷華等［10］根據地層地質特征建立了鉆孔數據的地層層序序列，從而確定了唯一的地層層面插值數據，建立了較為精確的地層模型;劉向東等［11］開發了地質鉆孔基本信息數據采集系統，實現了數據入庫、查詢、統計、管理及匯總表等功能。現有的研究成果主要側重于鉆孔數據庫的管理和制圖，主要利用關系型數據管理鉆孔數據，鉆孔的可視化則主要在二維圖形軟件平臺上進行實現。礦山三維地質建模系統的鉆孔數據管理與三維模型可視化功能，應當能夠為礦體建模、品位估值、生產計劃編制、境界優化等提供所需要的圖形和屬性數據。為此，有必要對鉆孔的數據存儲與管理、數據錯誤校驗、鉆孔三維模型建立及可視化進行深入研究。

1 鉆孔數據存儲與管理

1.1 鉆孔數據表

鉆孔數據分為圖形數據和屬性數據2 種類型。圖形數據存儲鉆孔孔口、鉆孔軌跡和樣品位置等幾何信息;屬性數據則存儲鉆孔和樣品相關的數值、文字和時間信息［8］。數據存儲與管理通常根據數據量大小選擇Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server、Microsoft Access 等數據庫［12］。數據庫具有數據結構化、共享性高、冗余度低、易擴充、數據獨立性高等特點，使用數據庫技術能夠以最小的技術代價高效的處理數據，但傳統數據庫必須由服務進程來管理數據庫文件［13］。因此，針對鉆孔數據特點采用SQLite 嵌入式數據庫進行數據存儲與管理，數據保存在單一文件中，不依賴于平臺和其他數據庫管理系統，數據庫的建立和使用都比較簡單，對屬于MB 級的鉆孔數據而言，運行速度快于傳統數據庫［14］。

1.2 鉆孔數據表結構設計

針對鉆孔數據類型的特點及建立鉆孔數據庫的需要，將鉆孔數據分為孔口表、樣品分析表、測斜表和地質巖性表等4 類，分別見表1 ～表4。

表1 孔口表數據結構Table 1 Data structure of orifice table

表2 樣品分析表數據結構Table 2 Data structure of sample table

表3 測斜表數據結構Table 3 Data structure of survey table

表4 地質巖性表數據結構Table 4 Data structure of geological lithology table

在計算鉆孔軌跡時，可將測斜表中缺少測斜數據的鉆孔默認為下向直孔。

孔口表中必須包含表中的強制字段，可以添加其他字段，如開孔日期、終孔日期、施工單位及鉆機號、鉆機類型、編錄人、檢查人等。

樣品分析表中必須包含表中的強制字段，可以添加其他字段，如礦床所含有的其他元素、樣長、分析編號等。

地質巖性表中可以自定義添加其他字段。若無巖性數據，可以省略該表。

2 鉆孔數據校驗

鉆孔數據在收集和處理過程中可能存在各種錯誤，在建立鉆孔三維模型之前，有必要對鉆孔數據進行校驗，查找并修改存在的錯誤。鉆孔數據中的錯誤有2 種:①用于計算鉆孔空間軌跡的圖形數據中存在的錯誤;②通過人為設置數值界限由計算機判斷出的錯誤和不影響鉆孔軌跡計算的錯誤。第1 類錯誤見表5。

表5 第1 類鉆孔數據錯誤Table 5 Errors existing in borehole data

第2 類錯誤包括:①方位角變化大于設置值;②傾角變化大于設置值;③樣品長度大于設置值;④樣品起點深度大于前一個樣品的終點深度。

3 鉆孔三維可視化

鉆孔軌跡是鉆孔軸線在空間的位置，勘探中有2類鉆孔:①直線型鉆孔，鉆孔軌跡由孔口坐標和孔口方位角、傾角確定;②曲線型鉆孔，鉆進軌跡是一條方位角和傾角連續變化的空間曲線［15］，見圖1。

圖1 鉆孔軌跡Fig.1 Borehole trace

對于曲線型鉆孔，在精確繪制鉆孔軌跡時，需要計算空間軌跡上各點的坐標。在生產實踐中，通常將鉆孔軌跡曲線轉化為折線，計算方法有:

(1)均角全距法［16-17］。將相鄰兩測斜點間的鉆孔軌跡作為直線段，已知兩測斜點間的測程，即兩測斜點的深度差L 和兩測斜點的方位角平均值和傾角平均值，直線段端點的空間坐標計算公式為

式中，xi、yi、zi分別為地理坐標中的東坐標、北坐標和高程;i 為測斜點序號;Li為第i 個測斜點與第i－1 個測斜點之間的測程，m;αi為第i 個測斜點方位角，(o);βi為為第i 個測斜點的傾角，(°)。

(2)全角半距法［16-17］。將相鄰測斜點上、下相鄰測程的各一半長度的鉆孔軌跡線作為直線段，根據測程的一半長度和相鄰測斜點的方位角和傾角進行計算，測斜點空間坐標計算公式為

4 鉆孔三維可視化

4.1 鉆孔三維模型數據結構

鉆孔三維可視化包括鉆孔的圖形數據和屬性數據的三維可視化［18］。鉆孔圖形數據通過鉆孔軌跡進行可視化，能夠為礦山地質三維建模提供準確的空間數據，包括孔口位置、樣品空間位置等;鉆孔屬性數據通過文字、顏色和圖形等多種方式在三維環境中進行可視化，包括鉆孔編號、孔深值、樣品的起點和終點深度以及樣品的各種元素品位值、體重、巖性代碼等［19-20］。因此，鉆孔三維模型采用圖形關聯數據表的數據結構進行存儲。圖形數據以點存儲鉆孔孔口位置，以直線段存儲樣品空間位置，數據表存儲圖形的屬性值。

4.2 鉆孔三維模型及屬性可視化

鉆孔三維模型中，每個鉆孔由表示孔口的點、表示樣品的多個直線段和對應的表示屬性的數據表組成。逐個計算樣品直線段的空間位置最終形成鉆孔軌跡，樣品直線段的端點坐標根據樣品長度、樣品所在的測斜區間的角度參數和鉆孔軌跡計算的數學模型得到，樣品的全部屬性信息作為一條記錄添加至數據表。

鉆孔軌跡通常以多段線表示，屬性數據則以文字、不同顏色、不同圖形或者不同紋理等方式將數值或文本等信息表達出來。鉆孔模型在三維空間旋轉后，圖形和紋理均要重新繪制。巖性的可視化則將巖性代碼對應不同的紋理繪制于鉆孔軌跡一側。此外，任何屬性數據均可以用文字注釋的方式顯示在對應的圖形一側。

5 應用實例

基于Hoops 3D 框架，采用C+ +語言在Windows平臺上編寫程序進行算法實現。以某銅礦鉆孔為例，礦體由51 個鉆孔控制，分布于32#～56#勘探線。礦體中含Cu、Tfe、Sfe、Au、Ag 等元素，Cu 邊界品位為0.3%，最低工業品位為0.5%。通過原始鉆孔數據建立了該礦鉆孔的三維空間軌跡曲線模型，見圖2。

圖2 鉆孔三維空間軌跡曲線模型Fig.2 Trace model of three-dimensional borehole curve

鉆孔中Cu 品位以數值和直方圖的形式分別顯示于鉆孔軌跡兩側，36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界見圖3。基于各勘探線的鉆孔圈定了礦體邊界后，即可利用表面重建算法建立礦體或巖層的三維地質模型。

圖3 36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界Fig.3 Delineation of copper orebody based on 36# exploration line borehole

6 結 語

基于礦山鉆孔數據，對鉆孔三維模型構建及可視化方法進行了研究。利用SQLite 嵌入式數據庫管理鉆孔數據，對鉆孔數據中存在的2 種錯類型進行了分析，使得鉆孔數據校驗更全面。針對2 種鉆孔類型，分別給出了各自鉆孔軌跡數據模型的計算公式。通過圖形關聯屬性數據表的數據結構存儲鉆孔三維模型，實現了鉆孔屬性數據的可視化。研究成果對于地質分析、礦床三維建模有一定的借鑒價值。

致謝 感謝煤礦災害預防控制實驗室河南省高校重點實驗室培育基地資助。

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