有色金屬三維成礦預測信息系統設計與關鍵技術研究

堅潤堂 楊帆 張俊嶺

摘要：利用現代信息技術開展三維成礦預測，是開展深邊部有色金屬找礦勘查工作的迫切需要。設計有色金屬三維成礦預測信息系統的目標、原則、體系結構、數據庫和包括地質數據管理、三維地質建模、三維空間分析、三維成礦預測等功能模塊，并對輪廓線三維插值建模法、證據權三維成礦預測法、邏輯回歸成礦預測法這三種系統關鍵技術進行研究。系統設計集成了主流三維成礦預測技術方法，可滿足多類型、多尺度的有色金屬三維成礦預測需求，為后續系統開發及應用提供指南。

關鍵詞：成礦預測；三維地質建模；三維空間分析

DOI：10.11907/rjdk.172770

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0150-03

Abstract：Toapplymoderninformationtechnologyinthree-dimensionalmineralizationpredictionistheurgentneedofnon-ferrousmetalprospectingexplorationindeepandmarginalareas.Inthispaper，theobjectives，principles，architecture，databaseandthefunctionalmodulesincludinggeologicaldatamanagement，3Dgeologicalmodeling，three-dimensionalspatialanalysisandthree-dimensionalmineralizationpredictionofnon-ferrousmetalthree-dimensionalmetallogenicpredictioninformationsystemaredesigned.Andthreekeymethodsofcontourthree-dimensionalinterpolationmodeling，three-dimensionalmineralizationpredictionandlogicalregressionmetallogenicpredictionarestudied.Thesystemintegratesthemainstreamthree-dimensionalmetallogenicpredictiontechnologytomeetthemulti-typeandmulti-scalenon-ferrousmetalthree-dimensionalmineralizationpredictiondemand，whichcanprovideguidanceforthefollow-upsystemdevelopmentandapplication.

KeyWords：metallogenicprediction；3Dgeologicalmodeling；3Dspatialanalysis

0引言

成礦預測是應用基礎地質、礦床地質理論和有關技術方法，分析區域（或礦區）成礦條件和找礦信息，推斷隱伏礦體的技術[1]。隨著計算機技術的發展，特別是三維可視化技術以及三維成礦預測技術方法的發展，利用三維地質信息技術可對地質體物理化學特性、空間形態及相關關系和抽象概念進行更好的分析和處理，以獲取更為可靠、更為深入的地質及勘探信息[2]。成礦預測工作和其它地質工作一樣逐漸“從傳統走向現代、從二維走向三維，從單一走向綜合”[3]。在三維空間尺度開展成礦預測，具有清晰直觀、準確可靠、最能體現地質體的三維本質特征。因此，研究有色金屬三維成礦預測信息系統及其關鍵技術，對于推進成礦預測技術方法的發展、提升成礦預測效能具有重要意義。

1系統設計

1.1設計原則

（1）實用性原則。系統應能滿足多源異構數據處理、數據轉換與分析，滿足在同一個三維視圖空間內顯示的需求，應提供豐富多樣的三維空間分析及成礦預測方法，以適應因礦床類型、研究區域、數據基礎等差異性對系統的需求。

（2）穩定性原則。系統應選擇市面上成熟的信息技術進行開發，三維礦產平臺和大型空間數據庫管理系統應選擇主流的、已得到廣泛應用的產品，系統結構應分層清晰、模塊耦合性低，多方面保證系統穩定性。

（3）先進性原則。系統應緊跟三維成礦預測方法發展現狀，集成一些具有探索性、前瞻性的成礦預測方法，同時在海量數據并行處理、GPU資源調度、三維快速渲染顯示等方面進行優化，充分保證系統的先進性。

（4）易用性原則。系統用戶界面應采用常規Windows系統界面風格，界面布局美觀、參數設定得當、操作提示清晰、向導設計合理，盡量降低用戶系統學習和使用成本。

（5）安全性原則。有色金屬地質數據是蘊藏著礦產資源的寶貴資源，系統應充分保證原始數據修改的一致性、預測成果的防篡改性以及系統使用過程記錄的詳細全面性，確保系統及數據的使用安全受控。

1.2結構設計

有色金屬三維成礦預測信息系統由于涉及到海量的三維空間數據可視化、處理分析、預測評價工作，對CPU和顯卡等計算資源的需求高，且綜合考慮到系統用戶大都為單機用戶，因而設計該系統結構為客戶端/服務器結構模式，整個結構功分為三層，分別為數據庫層、平臺框架層和功能應用層（詳見圖1）。其中平臺框架層中的三維礦產平臺采用Surpac軟件平臺，并采用TCL/SCL腳本引擎，可直接利用腳本語言對系統功能進行定制和擴展，GIS平臺部分主要負責二維空間數據的顯示處理，數據庫訪問引擎負責空間和非空間地質數據的存取訪問。

1.3數據庫設計

三維成礦預測數據包括區域地形地質數據、鉆孔編錄數據、地質剖面數據、重磁電物探數據[4]、地質填圖數據等，依據數據類型，將整個系統數據庫分為基礎地形地質數據庫、鉆孔數據庫、物化探數據庫和系統管理數據庫。

（1）基礎地形地質數據庫主要負責存放包括等高線、交通、水系、居民地、綠地植被以及遙感影像等符合國家基礎地理信息標準的大比例地理信息。

（2）鉆孔數據庫主要存儲地質勘查鉆探過程中所形成的地質鉆孔數據，包括孔口表、測斜表、巖性分層表、樣品測試分析表等數據，通過這些鉆孔數據可獲取三維空間地層、構造、巖漿巖、礦體的三維空間分布及相互關系。

（3）物化探數據庫主要存儲大面積、深部（從地表到幾十千米不等）、立體的區域地球物理、地球化學數據，其中物探數據可包括地震、重力、磁力等數據，化探數據一般是地質填圖中的地球化學數據。通過物探解譯、化探分析等工作，可獲取地下地質體的三維空間形態及相互關系，以及其地球物理、化學特征。

（4）系統管理數據庫是支撐系統正常運行的基礎性數據庫，主要存儲組織機構、系統用戶、系統權限、系統日志以及系統基本參數（如圖形窗口的背景色、系統字體設定等）等信息。

1.4功能模塊設計

面向三維成礦預測目標，根據綜合地質數據在系統中的應用流程，將整個系統劃分成地質數據管理模塊、三維地質建模模塊、三維空間分析模塊、三維成礦預測模塊和系統管理模塊。

（1）地質數據管理模塊。該模塊主要實現三維成礦預測地質數據的管理維護，實現對地質數據的增刪、改查、統計以及導入、導出等功能。主要包括基礎地形地質管理、鉆孔數據管理、物化探數據管理、地質剖面數據管理、遙感數據管理等。

（2）三維地質建模模塊。三維地質建模實質上是利用計算機技術實現地質三維特征化、可視化的過程[5]，三維地質模型是三維成礦預測工作的基礎。因而三維地質建模模塊是系統關鍵功能模塊之一，其主要包括數字地形模型DTM工具（DTM面管理、剖面創建、斷層創建、等值線生成）、三維實體建模（三角網管理、廓線建模法[6-8]、趨勢面插值建模法[9-10]）和三維塊體模建模（塊體管理、屬性管理、約束管理、顯示管理、剖面創建）三大部分。

（3）三維空間分析模塊。該模塊是實現三維成礦預測的基礎和關鍵，用于提煉和構建三維成礦預測信息模型。主要包括三維緩沖分析、三維空間變換、三維疊加分析、三維地質形態分析[11-12]、三維插值分析（包括克呂格插值法、距離權重反比插值法、距離冪次反比插值法、最近鄰點插值法）功能。

（4）三維成礦預測模塊。該模塊是定位、定量、定概率獲取成礦結果的模塊，也是系統核心功能模塊。主要包括知識驅動成礦預測（布爾邏輯法、指數疊加法、模糊邏輯法）、數據驅動型（信息量法、證據權法、邏輯回歸法、神經網絡法）和資源儲量計算（克呂格方法、垂直斷面法）。

（5）系統管理功能模塊。該子系統主要實現對組織結構、用戶角色、使用日志以及系統基本參數等系統信息的管理維護，以實現對系統功能和數據的安全受控使用，滿足用戶個性化需求。其主要功能包括：組織機構管理、用戶管理、角色管理、權限管理、日志管理、系統參數配置等。

2關鍵技術

如何高效構建三維地質模型，以及高效提煉成礦作用特征標志，提升所預測靶區的可信度，是本系統所面臨的關鍵技術問題，本節針對系統的3個關鍵技術問題進行研究。

2.1趨勢面插值三維地質建模技術

隨著計算機數據處理能力的提升與地質插值等相關算法的發展進步，針對輪廓線三維建模方法的不足，發展出了插值趨勢面三維地質建模法，基于插值等勢面的隱式H維建模方法又可稱之為基于知識的插值方法，其以地質年代序列作為基礎，以地質、地球物理推斷界線和產狀作為幾何約束，最終基于插值方法對地質體界面進行計算[2]。

該方法能夠自動綜合地質數據構建三維地質模型，很少需要人工干預，計算過程快，且不受限于地質數據的方向、尺度和方位，可高效綜合使用已有的多元異構的地質數據，且更新維護非常方便。通過利用多元數據進行地質及構造約束，該方法可以大幅度減少三維地質構造的不確定性。但同時也受制于數據來源、網格尺度和算法本身的約束，無法對某些構造形態非常復雜或是具有高精度要求的地質模型進行構建。

在實際建模工作中，需要根據研究區的地質工作實際及研究需要，將輪廓線三維建模法和插值趨勢面三維地質建模法進行有機融合，兼顧兩種建模方法的優點，定會成為未來三維地質建模方法的重要研究方向。

2.2證據權法三維成礦預測技術

證據權重法是一種利用確定礦產形成的后驗概率圈定研究區有利成礦部位的數學模型。證據權重法是目前找礦預測中應用最為廣泛的一種方法[13]。其數學原理及計算關鍵是：前驗概率→證據權重→后驗概率。

（1）前驗概率，即根據已知礦點分布計算各證據因子單位區域內的成礦概率。假設每個礦點所占的單元格面積為u，研究區的面積（以單元格為單位）：

式（1）中：T為研究區；A（T）為面積；N（T）為單元格數目。研究區內的礦點數為N（D），則隨機選取一個單元格中礦點的概率為P（D）=N（D）/N（T），也被稱為先驗概率。

（2）證據權重。假設研究區被劃分成面積相等的T個單元，其中有D個單元為有礦單元。對于任意一個證據因子，其權重定義為：

證據層與礦床（點）的相關程度為：

（3）后驗概率。在大量地質、地球物理和地球化學等圖層疊加操作的基礎上計算得出。因此，其結果綜合反映各種控礦因素和礦化信息對礦床的控制和指示意義。

預測評價結果是一個成礦后驗概率圖，后驗概率值的大小對應著成礦概率的大小，數值越大，表明發現礦床（點）的概率越大。在確定整個預測區內的臨界值后，其概率圖中后驗概率大于臨界值的地區，即為找礦遠景區。

2.3邏輯回歸三維成礦預測技術

雖然證據權重方法是在成礦定量預測評價領域應用最為廣泛的方法，但由于其基于貝葉斯理論，并以W多種控礦或指示要素條件獨立為前提假設，因此多種控礦或指示要素之間不可避免的相關關系可能對后驗概率帶來一定影響。Logistic回歸方法不依賴于條件分布的獨立性假設，由于可被看作是一個非線性模型，因此對于多種控礦或指示要素有更強的處理和分析能力[14]。方法如下：

3結語

本文針對在三維空間內直觀高效開展有色金屬成礦預測的需要，充分利用現代信息技術，采用主流三維礦產平臺Surpac軟件，設計了有色金屬三維成礦預測信息系統的目標、原則、體系結果、數據庫和主要功能模塊，并對系統關鍵技術進行了研究。系統融合了最新的插值輪廓線三維建模方法、三維地質體界面分析方法以及證據權法、邏輯回歸法成礦預測方法，其先進性、實用性得到了保障，可為下一步系統開發及應用提供實施指南。

參考文獻：

[1]朱裕生，肖克炎，宋國耀，薛迎喜，龍寶林.成礦預測理論和方法[J].地質論評，2000，46（S1）：25-29.

[2]李曉暉.隱伏礦體三維成礦定量預測及系統開發[D].合肥：合肥工業大學，2015.

[3]竇克林.我國地質填圖邁向“三維”時代[N].中國礦業報，2011-03-24（A03）.

[4]祁光，呂慶田，嚴加永，吳明安，劉彥.先驗地質信息約束下的三維重磁反演建模研究——以安徽泥河鐵礦為例[J].地球物理學報，2012，55（12）：4194-4206.

[5]HOULDINGSW.3Dgeosciencemodeling—computertechniquesforgeologicalcharacterization[M].California：Springer-Verlag.1994.

[6]黃繼先，毛先成，鄧浩.一種面向三維地質剖面的形體表面重構算法[J].地理與地理信息科學，2017，33（01）：19-22+34.[2017-09-21].

[7]楊洋，潘懋，吳耕宇，孫穎，李魁星.一種新的輪廓線三維地質表面重建方法[J/OL].地球信息科學學報，2015，17（03）：253-259.

[8]郭甲騰.基于剖面的三維地質建模與可視化研究[D].沈陽：東北大學，2006.

[9]CALCAGNOP，CHILESJP，COURRIOUXG，etal.Geologicalmodellingfromfielddataandgeologicalknowledge：partI.modellingmethodcoupling3Dpotential-fieldinterpolationandgeologicalrules[J].PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors，2008，171（1-4）：147-157.

[10]GUILLENA，CALCAGNOP，COURRIOUXG，etal.Geologicalmodellingfromfielddataandgeologicalknowledge：partII.modellingvalidationusinggravityandmagneticdatainversion[J].PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors，2008，171（1-4）：158-169.

[11]毛先成，唐艷華，鄧浩.地質體的三維形態分析方法與應用[J].中南大學學報：自然科學版，2012，43（02）：588-595.

[12]毛先成，周鄒艷紅，陳進等.隱伏礦體三維可視化預測[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[13]閻繼寧，周可法，王金林等.人工神經網絡在成礦預測中的應用[J].計算機工程與應用，2011，47（36）：230-233.

[14]黃應才，馮興隆.平行斷面法礦產資源儲量估算的計算機實現與應用[J].中國鉬業，2012，36（01）：26-29.

[15]YUANF，LIX，ZHANGM，etal.Three-dimensionalweightsofevidence-basedprospectivitymodeling：acasestudyoftheBaixiangshanminingarea，NingwuBasin，MiddleandLowerYangtzeMetallogenicBelt[J].ChinaJournalofGeochemicalExploration，2014，145：82-97.

[16]張道軍.邏輯回歸空間加權技術及其在礦產資源信息綜合中的應用[D].武漢：中國地質大學，2015.

（責任編輯：江艷）