地表及地下三維建模技術(shù)的研究與應(yīng)用

蘇 融

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264200）

近年來，隨著“數(shù)字礦山”等概念的提出，基于GIS的三維礦山建模技術(shù)是當(dāng)今測繪學(xué)、空間信息學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多個領(lǐng)域交叉的研究熱點。通過創(chuàng)建三維模型實現(xiàn)地下空間地質(zhì)體的三維可視化可以有效解決傳統(tǒng)的以二維圖表展示礦體特征不立體、不充分等問題，更好的服務(wù)現(xiàn)代礦山開發(fā)建設(shè)。三維礦體建模的本質(zhì)是選擇合適的建模樣本數(shù)據(jù)，基于三維GIS理論，利用其在空間地理數(shù)據(jù)處理方面的強大功能，構(gòu)建展示礦體的三維幾何形態(tài)和屬性分布情況，旨在揭露其地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系，展示目標(biāo)礦體內(nèi)部屬性特征，最終以真三維的表現(xiàn)形式將建模結(jié)果真實顯示給用戶，并通過對塊體的數(shù)值模擬將儲量估算結(jié)果反饋給用戶[1]。三維礦體建模在實際工程中的應(yīng)用是對傳統(tǒng)地質(zhì)工作模式的創(chuàng)新，有助于礦產(chǎn)工作由經(jīng)驗型向數(shù)字化方向轉(zhuǎn)換，對實現(xiàn)礦山數(shù)字化、智能化管理具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 實際工程

1.1 工程概況

本次研究以某工程實際生產(chǎn)資料為依據(jù)（考慮到本文使用數(shù)據(jù)的權(quán)限和保密等因素，研究工程用代號S表示），采用三維建模軟件3DMine構(gòu)建研究區(qū)域三維地質(zhì)體綜合模型。通過收集整理該工程地形地質(zhì)圖、鉆孔柱狀圖、剖面圖、樣品化驗報告等原始資料，分別創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域地表三維地形模型，地下三維礦體模型，最后通過構(gòu)建塊體模型，并依據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理進(jìn)行目標(biāo)礦體的儲量估算[2]。此次三維建模平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。礦區(qū)內(nèi)基線方位115°，勘探線走向25°。

1.2 地表三維地形模型創(chuàng)建

1.2.1 創(chuàng)建DTM

數(shù)字地形模型（DTM），是一種將空間位置和地形地貌相結(jié)合的三維空間表達(dá)形式，通過對高程點或者等值線構(gòu)建三角網(wǎng)實現(xiàn)礦區(qū)的地形三維立體顯示，極大的方便實際工作，增強可視性。

目前建立DTM的主流方法有兩類：一是基于格網(wǎng)（Grid）模型，二是基于不規(guī)則的三角網(wǎng)（Tin）模型。根據(jù)已收集到的礦區(qū)等高線地形圖以及其他原始測量資料，本文選擇采用帶約束邊的Delaunay三角網(wǎng)（Tin）算法創(chuàng)建DTM，該方法可以兼顧地形特征點、線，通過建立點與點、點與邊、邊與三角形面之間拓?fù)潢P(guān)系，更加真實地表達(dá)研究區(qū)域地形地貌。本次在創(chuàng)建地表模型過程中，利用3Dmine與CAD等軟件數(shù)據(jù)之間的良好結(jié)合，在檢查等高線是否連續(xù)、是否存在間斷、釘子角等問題后，可直接基于CAD地形圖構(gòu)建DTM。

1.2.2 DTM渲染及三維展示

為了增強其顯示效果，需要對生成的DTM模型進(jìn)行渲染處理。本文根據(jù)工程地形的變化特點，設(shè)置顏色變化范圍進(jìn)行渲染。

1.3 地下三維礦體模型創(chuàng)建

1.3.1 概述

理論上講，創(chuàng)建地下礦體的實體模型主要有三種方式：一是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建；二是利用礦區(qū)地質(zhì)剖面圖創(chuàng)建；三是依據(jù)礦體邊界線標(biāo)定礦體形態(tài)范圍，進(jìn)而創(chuàng)建實體模型。本文在實際創(chuàng)建過程中，將三種方式配合使用共同實現(xiàn)最佳建模效果，技術(shù)路線如圖1。

圖1 模型創(chuàng)建技術(shù)路線

1.3.2 鉆孔數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

創(chuàng)建鉆孔空間數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建三維礦體模型及塊體模型的基礎(chǔ)，全面準(zhǔn)確的收集鉆孔相關(guān)原始資料是構(gòu)建鉆孔數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵。本次S礦區(qū)范圍內(nèi)針對目標(biāo)礦體共施工鉆孔28個，見礦鉆孔28個，見礦率100%。已收集到原始數(shù)據(jù)有：探礦工程登記表、基本分析登記表、28個鉆孔坐標(biāo)位置分布圖、全部鉆孔的柱狀圖、鉆孔設(shè)計書、終孔書、8至15線的剖面圖等。基于對S礦區(qū)現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)的分析，本文采用關(guān)系數(shù)據(jù)模式創(chuàng)建鉆孔定位表、鉆孔測斜表、鉆孔巖性表等，完成鉆孔數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。

1.3.3 繪制三維剖面圖并圈定礦體輪廓

結(jié)合該礦區(qū)礦體特征，本文采用的三維剖面圖繪制的方法是直接在鉆孔數(shù)據(jù)庫中沿勘探線方向進(jìn)行剖面切割，并利用工程原始編錄和化驗數(shù)據(jù)，依據(jù)圈礦指標(biāo)及礦體特征在該三維剖面圖上圈定礦體輪廓[3]。本文對8至15號勘探線切割剖面，并對目標(biāo)礦體進(jìn)行地質(zhì)解譯。相較于傳統(tǒng)的基于MapGIS或CAD二維剖面圖中圖形數(shù)據(jù)變化為三維空間信息的方法，直接基于三維視圖繪制空間剖面圖的方法準(zhǔn)確度、精度更高。

1.3.4 三維礦體實體模型構(gòu)建

構(gòu)建三維礦體實體模型一定是在對該礦體的傾向、走向、傾角、厚度等形成全面認(rèn)知后嚴(yán)格依據(jù)地質(zhì)規(guī)律進(jìn)行實體構(gòu)建。一般可通過在兩兩相鄰閉合線之間構(gòu)建三角網(wǎng)完成各勘探線之間的實體模型創(chuàng)建。由于本工程目標(biāo)礦體特征的復(fù)雜性，礦體邊界輪廓線邊緣尖銳且不規(guī)則，突出節(jié)點導(dǎo)致部分相鄰勘探線間難以構(gòu)成封閉三角網(wǎng)，本文在實際構(gòu)建中，通過在相鄰勘探線之間搭建輔助線段進(jìn)行平滑鏈接，以實現(xiàn)對礦體各部分形態(tài)最佳模擬，并將各個勘探線間實體模型合并優(yōu)化為一體[4]。構(gòu)建好勘探線之間實體模型后，還要對目標(biāo)礦體邊界進(jìn)行圈定。通常情況，依據(jù)控、賦礦規(guī)律及礦體地質(zhì)特征，礦體邊界往往依照勘探線之間的1/2或1/4長度進(jìn)行外推、尖滅。本文按照1/2工程間距進(jìn)行外推，并根據(jù)礦體特征對其外推傾角、距離等進(jìn)行設(shè)置。

2 應(yīng)用

三維實體模型建立后，可基于模型進(jìn)一步拓展應(yīng)用，其中非常重要的一項應(yīng)用為地下礦體的儲量估算，即利用礦體三維實體模型約束構(gòu)建目標(biāo)礦體的塊體（屬性）模型，將礦體的比重、巖性、品位等地質(zhì)屬性信息與礦體的空間幾何信息相結(jié)合進(jìn)而估算礦體資源儲量[5]。本文通過創(chuàng)建規(guī)則塊體與目標(biāo)礦體三維實體模型相疊加約束，獲得包裹整個礦體的所有塊體單元；通過采用距離冪次反比法將鉆孔數(shù)據(jù)中已有的地質(zhì)屬性信息賦值到每一個塊體單元的質(zhì)心；同時通過設(shè)定最低可采厚度和夾石剔除厚度，可直觀顯示礦體中的夾石空間位置以及資源儲量在礦體中空間分布情況（見圖2），實現(xiàn)礦體資源量精準(zhǔn)估算[6]。

圖2 資源儲量在礦體中空間分布情況

本文中利用礦體三維建模估算金資源量11138kg，與傳統(tǒng)塊段法估算誤差+6.67%（詳見表1），兩者相差值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，這也間接證明了此次三維礦體實體模型構(gòu)建的可靠性。從原理上講，兩種資源儲量估算方法都是基于對目標(biāo)礦體的塊體劃分進(jìn)而完成整體的儲量計算，探究其差值原因，相較于傳統(tǒng)塊段法在礦體二維投影圖上進(jìn)行手動劃分，本文基于塊體模型的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)法可直接對目標(biāo)礦體進(jìn)行三維空間劃分，且劃分的塊體單元體積小，數(shù)量多，本文中塊體單元數(shù)為59142個，龐大的塊體數(shù)量、精確的塊體模型極大提高了計算準(zhǔn)確性。其次傳統(tǒng)塊段法計算參數(shù)往往通過算術(shù)平均法計算得到，而本文采用的估算方法基于區(qū)域化變量理論更符合礦體實際變化情況，其估算結(jié)果更符合實際值。

表1 誤差分析結(jié)果表

3 結(jié)論

本文通過對S礦區(qū)地表及地下三維模型的構(gòu)建技術(shù)的研究與應(yīng)用，直觀展示了研究區(qū)域地表及地下礦體的空間位置、形態(tài)、走向等幾何信息，真實展現(xiàn)了地下地質(zhì)體的地質(zhì)屬性信息分布特征與規(guī)律，為后期調(diào)整優(yōu)化相關(guān)工程布置、礦體空間分析與剖切設(shè)計等提供了技術(shù)支持。相信伴隨著測繪學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、空間信息學(xué)、采礦學(xué)等多門學(xué)科的更新與發(fā)展，三維建模技術(shù)的理論與技術(shù)將會更加完善，三維建模成果將更加真實有用。