礦山找礦預測地質模型構建及應用

張 雄

（江西省地質礦產勘查開發局贛東北大隊，江西 上饒 334000）

隨著科學技術的發展，在電子信息操作系統中進行情況模擬和立體建模技術已經在醫學、地質學、氣象探測和計算力學等學科領域廣泛使用。但是由于地質對象具有復雜性、不確定性和分布離散性，其他學科已經區域成熟的建模方式不能應用于地質學，需要結合傳統的地質勘探學、計算機技術、地理信息系統等多學科的現有成果進行輔助，進行綜合分析和解釋[1]。進入21世紀以來，國外對立體地質建模的應用進行了廣泛的研究。立體地質建模的概念提出以來，這項技術已經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。很多研究人員也依據數學建模的方式、立體地質數學建模和可視化方法等方面進行了研究[2]。目前的地質建模技術蓬勃發展，收集立體空間數據的方法也越來越多，對數據的要求也越來越嚴格。然而，實際工作場景的數據缺失、遙感數據的不精確性、地震記錄剖面數據的解釋缺乏以及礦井數據采集的高成本這些問題都是影響精準搭建三維地質模型的因素。立體激光掃描技術只能獲得掃描區的空間坐標和光線反射結果，大致構建出空間巖石的紋理。所以當前應該不斷地進行模型的完善以獲取更多有用的數據信息。

1 構建礦山找礦預測地質模型方法

1.1 野外激光掃描數據獲取

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字測圖系統，是一種方便攜帶，使用簡便，不需要專業培訓就可以使用的野外應用儀器。該設備由數字圖像采集設備和復雜的軟件系統組成，只有一個地球儀大小。它最大的優點是精準度高、掃描范圍大，能夠抓取的有效數據多，快速地掃描物體之后能夠迅速地導出物體原始的測量描繪的數據，能從最開始和逆向進行立體數據的采集和模型重構。立體激光掃描儀器一般來講是一行行、一列列進行數據的收集。數據會以數據集合的形式一行行一列列地轉化為像素點，每一個數據集合單元由樣本點在顯示面上的立體坐標數據組成。這些坐標值構成的集合我們稱其為“點云”。立體激光掃描儀器在采集過程中的主要目標就是點云的空間位置數據，以及發射點密度數據和相機拍攝到的圖像數據信息。這些數據都會按照模塊儲存在相對應的文件中。激光立體建模的精準性取決于掃描方法和實際掃描的過程。其掃描到的數據是后期處理信息的基礎，也影響著后期建模的質量。傳統上使用校準球。

為了使掃描儀安全、高效地完成掃描工作，儀器應該在適當的溫度、濕度和表面相對光滑的環境下使用。本文的研究主體是礦山，當逆光掃描時，圖像的陰影部分會比較重，這使得構建模型很困難。因此，在掃描時應盡量考慮向光逆光的問題。

1.2 數據處理

數據采集是為之后的計算研究工作提供直接的數據來源的基礎步驟之一，上文提到激光掃描儀器的數據抓取量很大，所以為了采集到有效的數據，在掃描之前就要首先確定第一個參考點的坐標值。設置參考站點的目的是為后期的站點圖像作為疊加繪制的參考。在選定第一個參考點時，需要將參考物的相對位置記錄下來。根據上文討論過的點云原理，需要至少設置三個參考點，而且這些參考點不能連成一條直線或者是處在一個平面中。同樣，參考點的位置不能夠過于集中，避免參考坐標和地球坐標之間混亂而造成誤差。做標記是因為這樣可以在后期進行拼接工作的時候能后準確快速地進行加工工作，對于一些特殊的地點數據也有一定的指導作用。在實際建模過程中，需要對參考物品的坐標進行記錄和語言描述，甚至編號，以便后續工作。

掃描儀放置。通常情況下，完成掃描對象的點云采樣至少需要進行一個星期，也就是要對多個站點進行掃描工作。所以在掃描開始之前，要確定好設置過的掃描點的位置這要比測量整個站型更加重要的步驟。掃描站點的數據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 地質特征提取

特征是指在建立表面模型時，對建模有關鍵影響的局部表面、曲線等立體激光點云數據的特征線提取，包括等值線提取、輪廓特征提取、邊界提取等。對于規則數據場的輪廓提取，已有一些比較成熟的方法。因為激光掃描儀器獲取的點云的分布數據大多數是離散的和無規律的，所以這些方法不可以直接應用于不規則的數據中用來提取平滑曲線。通常的做法是對測量到的點云數據進行剖分，搭建一個曲面模型，然后通過插值的方法進行連接。內部特征線是立體模型中一個重要的特點，其中包括觀察點的凸起和觀察點有關的游覽長廊，有利于觀察者研究圖像模型的細微之處，特別是對于含有點云數據的立體模型。高壓楔線由模型表面的主曲率計算，主曲率與視點無關。通過計算與視點相關的模型曲面的徑向曲率提取輪廓，點的法向量應垂直于視線。遞增邊界一般是高度不連續的，折疊邊界是切向不連續的，平滑邊界是曲率不連續的，如圖所示。

圖1 各類輪廓線示意圖

通過測量圖像的形狀、顏色深淺和紋路以及光線反射頻率等特征的變化，可以檢測出質量模型中的輪廓。但根據立體建模的特點，一般不會使用單一的不間斷跟蹤，因此在工作中，要根據實際情況靈活選擇軟件系統的人機交互方法和自動生成方法。

2 礦山找礦預測地質模型構建

2.1 礦山地質空間框架搭建

地質模型通常通過數據化的空間幾何形狀、地志學信息、地質研究對象和它們的物理性質之間的關系來表述研究對象。具體包括以下元素：點、線、面、相交線、區塊、網格以及屬性特征。平滑特性可以是常數或者連接成曲線或者直線的，在規定區塊內隨著深度或者方向的變化而逐漸變化。

平均屬性的插入數值獲取很大程度上決定于表示屬性特征的網格的集合屬性。比如網格的空隙大小，光線滲透程度等等。幾何空間關系的表達也是判斷地質模型優劣的要素之一，所以地質建模工作人員需要尤其注意。本文利用激光立體掃描技術，以定點采集的坐標點數據信息、結構數據和巖石性質反饋數據為基礎，為地質建模提供統一的空間坐標框架參考。

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域。

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

基于此，本文所設計的立體建模搭建完成。

圖2 測點與采樣位置示意圖

3 實驗

根據上文的分析，對立體建模和傳統建模兩種方式的各項功能進行對比，對同一個樣本區，在圖像清晰度、元素分析和坐標定位靈敏度方面進行檢測，結果如下表：

表1 實驗對比表

由上表可知，立體建模的圖像清晰度比傳統建模高五十萬像素，對礦石中的不同種類元素有色差顯示，并且平臺的運行反應速度也比傳統建模快很多。所以，本文設計的立體建模平臺能更好地應用于礦山找礦的工作中。

4 結束語

立體激光掃描技術作為一項新技術，以其快速、高效、方便的特點引起了各行業的關注。將其應用于地質建模與研究也是一個新趨勢。本文從非接觸式激光掃描儀點云數據處理、典型剖面元素分析等方面嘗試將激光掃描技術應用于立體地質建模。結果表明，立體激光掃描技術可以快速、高精度地實現整體空間框架、內部紋理數據和亮度數據的采礦模型構建，結合其他物化探方法，建立地質模型，供地質人員分析，地質問題的解決帶來了極大的便利，為今后地質行業帶來了更多的效益。