什么是数学矿山？
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发布时间：2022-04-22 04:24
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时间：2023-10-02 09:17
以国内外现有成熟地质体三维建模软件为平台，结合3S技术、数学地质、虚拟现实技术，建立各种三维地质模型、工程模型，并形成结合多种技术的三维地质体建模方法体系和矿山多类型数据的综合分析流程，形成数字矿山可视化-数据管理一体化三维建模技术示范研究，为我国找矿勘探工作提供一套便于推广的数字矿山三维建模技术方法体系。三维数字矿山建模在云南个旧和四川拉拉铜矿进行了示范。
云南个旧数字矿山建设情况将结合建设的整个技术流程，包括基础数据的收集和预处理、各种实体模型的建立、集成与系统功能研发等方面。
(一)数据收集与预处理
数字矿山仿真系统的构建以整个矿山为对象，具有范围大、数据量大等特点。在确定了研究区的区域范围、地理位置、仿真类型、效果要求以及实现平台的基础上，收集了研究区矿山相关的地上、地下、地理、地质等的数据资料，并对基础图件和数据进行了矢量化、空间校正等预处理，为基于GIS及三维建模软件分别建立矿山地上地下真三维实体模型奠定基础。
收集了个旧东区30m分辨率的DEM数据和0.5m分辨率的WorldView2遥感影像，并进行了投影转换、校正、融合等处理。针对地质体建模全面系统的收集了个旧高松矿田的矿区构造地质图(局部中段地质图)、工程分布图、坑道平面图、地质勘探线剖面图、钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等。通过数码相机采集真实的图片素材作为纹理数据，并利用图像处理软件进行校正、匹配，转换等处理。利用激光高度计获取地表建筑长宽高尺寸数据。
(二)三维实体建模
本系统在对各种建模算法适用于不同实体的建模进行研究分析的基础上，针对地形地貌、地质体、井巷工程、二维资料以及地物景观等进行了相关建模方法的研究。
1.地形建模
地形实体模型可以真实地反映地表地形地貌的情况，本研究利用数字高程数据(DEM)和遥感影像数据，基于Grid形式表达，对地表进行了建模，很好地反映出了矿区的总体地表情况(图4-27)。
图4-27 个旧东区三维地形模型图
2.地质体建模
三维地质建模包括地层实体模型、构造实体模型、已知矿体实体模型和岩体实体模型等。地层实体模型可以直观地显示研究区内的区域成矿地质背景，清楚的表达矿区地层与矿体的空间位置关系及矿体主要的集中层位；通过构造实体模型可以清楚地掌握断层与矿体的位置关系及断层对矿体开采的影响，直观地显示和更好地揭示出区域不同类型的断裂的形态趋势和属性特征，对于把握整个研究区的构造格局具有重要作用；构建矿体模型能准确掌握矿体的几何空间形态与位置，且为品位估值奠定基础；岩体一般被认为是在成矿期为成矿作用提供成矿物质、成矿热液和热源的证据，建立岩体实体模型对于矿体位置有较大的指示作用。图4-28为地质体建模的技术流程图。
根据收集的工作区的地质图、中段平面图、工程部署图、实测勘探线剖面、大中比例尺地质平面图以及图切剖面图等，进行三维空间校正后，提取出地层、矿体、岩体、断层等地质体的轮廓线，并对各勘探线剖面进行连接、平滑，最终基于轮廓线重构面技术形成三维实体模型。对于岩体实体模型一般可以通过钻孔的岩性资料进行推断，或者根据岩体等深线资料插值生成。本书研究区范围内地表无岩浆岩出露，但在深部有隐伏花岗岩体分布，岩体模型主要根据收集到的岩体等深线插值生成岩体实体模型。为使三维数字模型能够更加明显地展示出该区各地质体的特点，在Z轴方向上对模型进行了适当的拉伸，这样的处理对研究区实体模型展示及预测分析工作十分有利。
图4-28 地质体建模的技术流程图
3.井巷工程建模
坑道实体模型的建立有助于地质工作者一目了然地看出矿区内坑道工程的实际部署，并且在三维空间工程里可以与其他三维实体模型相叠加，可以更好地了解矿区内矿体的勘探情况和其他的地质条件，为下一步工程勘探部署建议提供重要参考资料。
本书研究主要采用顶板中心线加巷道断面法建立巷道模型，从实测中段平面图提取巷道，进行格式转换，投影、配准、数字化等操作，作为巷道建模的中心线。为实现快速模型构建，我们对巷道分*处理，将巷道适当的抽象为不同的对象实体。对巷道内部以及采矿和运矿系统进行了建模方法研究，为地下可以进入巷道以及对采矿运矿等知识的科普提供三维模型。
4.二维、三维一体化
与矿山研究与管理相关的其他资料包括地质图、物探和化探异常信息以及行政区划图、资源规划图等，包含大量的有用信息，但多以二维平面图件表达，因此，在建立的三维空间模型中有效的集成这些传统的二维的地、物、化、遥信息是很有必要的。本书探究了将长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机融合的方法，实现二维信息三维模型一体化集成与表达，为综合研究提供一个有机的辅助平台。如基于准确地理坐标，以地质图叠加DEM高程数据，建立了矿区的地质地形模型，以物探图件、化探图件，叠加DEM高程数据，基于Grid表达，建立矿区的物化探图件模型。以勘探线剖面、化探剖面、化探剖面，基于三维空间关系恢复的三维校正与立剖面，建立了勘探线剖面与中断平面关系模型、物探剖面模型和化探剖面模型等。
其他二维地学数据如钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等表数据可以以数据库的方式实现一体化集成。对于相机采集的真实图片素材、激光高度计获取建筑物的高度数据、钻探原始地质编录资料以及相关的图片、视频、动画等结构化与非结构化数据选择相应的存储与建模方式，为实现最终的一体化集成做准备。
5.地物建模
地表建筑物的建模主要采用多边形建模方法，根据遥感数据或建筑底图，建立相应的楼体拉伸多边形，再采用处理好的图片做成纹理贴图。进行建模时要平衡速度和质量的关系，尽量将模型简化，可以采用贴图技术表现模型上的细节。对于主要建筑进行了楼内布局和设备的建模方法研究，实现了地上进楼。
(三)系统的集成与功能研发
通过上述步骤完成的各类实体模型是相对的，尚未实现真正意义上的联系，需在此基础上，进行模型的集成与信息系统的开发。系统集成主要是根据用户的需要设计友好的操作界面、预先设计导览路径、创建交互操作功能等。
1.系统结构
三维数字矿山系统结构(图4-29)。系统主要通过虚拟现实软件VRP实现系统的集成和开发，切制剖面等部分功能在Visual Studio2008环境下用C++语言结合DirectX图形库开发实现。三维矿山系统实现系统导览、集成管理、信息查询、综合分析及切制剖面等功能，图形用户界面友好。
图4-29 数字矿山系统结构图
2.界面设计
在保证基本的软件功能实现的同时，系统为用户提供简洁、大方、美观、友好的程序界面，通过各命令按钮方便用户的控制操作，系统界面设计如图4-30所示，主要通过对话框组织各类功能命令。
图4-30 系统界面、菜单、控制面板设计图
3.功能设计
三维数字矿山系统的功能(图4-31)，主要包括系统导览、集成管理、信息查询、综合分析和切制地质剖面等5个模块。
图4-31 数字矿山系统功能图
(1)系统导览：系统导览功能主要包括对地表地形及对地下地质体模型的浏览。系统通过创建相机和设计路径，可以浏览矿山虚拟场景，实现对地上地表地形的浏览以及地下地质体的动态固定路径浏览以及任意交互漫游浏览。
(2)集成管理：地学研究根据研究对象和特点分为不同的学科，从而使各个领域具体且深入，同时，地学研究需要各个学科的成果交融，从不同角度综合反映，提高整体认识水平。然而，随着研究的深入和高新技术的发展，不同学科成果内容和形式各异、数据格式类型不兼容，导致地学数据孤立分散等问题越来越突出，不利于地学的综合研究发展。对此，研究实现了传统的二维数据资料与建立的三维实体模型的集成管理、同步显示和操作，为矿产资源预测研究提供一个基础平台。
如图4-32为系统数据集成管理界面，通过下拉列表的形式对各二维资料和三维模型进行集成与组织管理。另外，系统设计的“分区式”数字矿山建设集成组合方案，可以按照矿区(矿段)与矿山(矿田)分片、分期进行数字矿山建设，便于矿山生产与管理，将不同区域范围的矿区(矿段)与矿山(矿田)，不同阶段形成的研究成果一体化集成，为矿区的生产、管理提供服务。
图4-32 系统数据集成管理界面图
(3)信息查询：数据信息查询是数字化矿山系统的重要组成部分，需要对已有收集到的研究区的地层岩性信息等数据建立地质基础属性数据库，并加入了矿区实拍照片图件，实现了地层信息属性查询及实拍照片的热链接功能。系统通过使用ADO数据库接口，使三维虚拟场景的对象与地质属性数据库建立联系，实现了属性信息的查询。个旧高松数字矿山系统主要实现了地层信息查询和实拍图片信息查询。如图4-33为地层信息查询界面，在场景中右键地层实体模型可以查询该地层的属性信息，如地层描述等。系统还实现了坐标信息的查询功能，点击模型可获取模型的坐标位置信息。
(4)综合分析：对个旧高松数字矿山系统的建设实现了叠加分析与综合信息分析功能，主要包括二维数据与三维模型的叠加分析、多模型组合叠加分析。
在二维、三维一体化叠加分析方面，本书将个旧高松矿区长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机地结合起来的方法，实现二维资料、三维模型一体化集成与表达与叠加分析，为个旧高松矿区的综合研究提供一个有机的辅助平台。解决了矿区长期积累的不同资料、不同数据、图件、图像以及不同文件类型资料的集成显示、对比及以往这些二维、三维资料分别运行不同软件系统显示调用，很难配准进行综合分析的难题(图4-34)。
图4-33 地层信息查询界面图
图4-34 综合分析界面图
(5)切制剖面：前面提到将二维的地、矿、物、化、遥资料叠加到三维模型上以及由二维剖面图生成三维模型，是由二维到三维，实现了个旧高松矿区二维资料和三维模型的统一管理。而切制剖面功能实现了由三维模型获取二维信息的功能，实现由三维到二维的切剖面功能，对已有的三维模型进行任意剖切，获取任意方向的地质剖面图，给地质工作者提供任意方向的剖面信息，辅助找矿和地质勘查研究，以及模型准确度评价。
对个旧高松数字矿山的切制剖面功能主要包括垂直切剖面、等间距平行切剖面、按坐标切剖面3种不同方式切剖面方法。其中等间距平行切制剖面是根据勘探线剖面的需求设计开发的，可以同时生成间距一定距离的一定数量的平行剖面。按坐标切制剖面法可以通过输入剖面起点和终点的XY坐标进行切剖面。利用系统的切剖面功能，可以进行矿区三维地质实体的任意剖切和等间距平行剖切，如图4-31和图4-32为对个旧高松地层模型进行垂直切剖面，图4-35为切剖面模式设置界面图，图4-36为在模型上拉出的一条勘探线剖面，对切制的剖面图片可进行数字化处理，按照不同的地质体类型、单元边界分别形成不同的文件图层，相同节点通过捕捉功能保证各模型单元边界重叠无缝。数字化后的剖面可转换为不同格式，服务于下一步的分析与应用，如进行成矿过程的数值模拟等的应用研究。
图4-35 切剖面模式设置界面图
图4-36 三维模型拉剖面设置图
(6)系统打包发布：对个旧高松数字矿山的建设集成完整之后，为了可以做到无须安装任意移植，我们对矿山系统进行打包发布，生成可执行的exe文件。同时可以输出为可网络发布的形式，客户只需要事先下载安装一个1M左右的插件，即可在线下载个旧高松的矿山场景或在线互动漫游。在打包生成exe文件之前，可以根据个旧高松的生产情况、保密情况或是针对不同客户不同需求等方面决定仿真系统的内容、功能，以及工区范围等，进行不同版本系统的打包发布。
(7)开采复原分析：该功能主要是恢复了开采前的矿山形态，并对采空的地层、矿体、岩体可以进行单独查看。如图4-37为开采复原分析界面及复原后的地层显示。
图4-37 开采复原分析界面及复原后的地层显示图
