三維可視化技術(shù)在區(qū)域礦產(chǎn)資源普查中的應(yīng)用研究

摘要：本次研究結(jié)合了地質(zhì)多源信息，利用三維可視化全面、直觀的特點(diǎn)，建立了工程地質(zhì)體的三維模型，能為工作者提供直觀的地質(zhì)體信息及相關(guān)屬性，為區(qū)域礦產(chǎn)普查中深部找礦的礦產(chǎn)預(yù)測(cè)提供有利的技術(shù)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：三維可視化 礦產(chǎn)資源 應(yīng)用研究

0 引言

在礦產(chǎn)資源普查領(lǐng)域，地質(zhì)數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、來源不同等特點(diǎn)，對(duì)于隱伏礦產(chǎn)資源的預(yù)測(cè)也有一定的局限性。隨著地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息系統(tǒng)（GIS）飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，三維建模技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字化的一個(gè)重要方面，成為當(dāng)前地學(xué)信息技術(shù)應(yīng)用于礦產(chǎn)資源普查中有活力的研究方向之一。三維可視化技術(shù)對(duì)礦區(qū)地表信息及地下信息能真實(shí)有效的表達(dá)，能夠反映描述地區(qū)的地形地勢(shì)、地貌構(gòu)造及礦體等信息，對(duì)礦區(qū)地質(zhì)工程信息的統(tǒng)計(jì)更加全面。其不僅能表達(dá)空間實(shí)體的平面關(guān)系，而且能從垂向上表達(dá)實(shí)體之間的關(guān)系。

1 礦區(qū)三維可視化技術(shù)方法流程

地質(zhì)體的三維建模和可視化是一個(gè)復(fù)雜的過程。首先需要可靠的數(shù)據(jù)來源，要求實(shí)際工作中數(shù)據(jù)采集時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，然后按流程建立該地區(qū)地質(zhì)體（礦產(chǎn)體）三維模型。

研究方法及技術(shù)流程如下：

本次研究主要利用三維可視化建模技術(shù)，準(zhǔn)確、直觀地展示地質(zhì)體的三維結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行三維空間信息的查詢與分析。在工作前期數(shù)據(jù)資料整理階段主要利用MapGIS軟件進(jìn)行圖件編輯及ACCESSS數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，通過對(duì)掃描后的研究區(qū)地形圖進(jìn)行圖形編輯、屬性連接、圖形校正、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、圖形剪切等。矢量化后圖像轉(zhuǎn)成STR格式導(dǎo)入三維建模軟件中，最后通過該軟件對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加從而實(shí)現(xiàn)三維可視化。具體工作技術(shù)路線，見圖1。

以下就按照技術(shù)路線中的關(guān)鍵步驟做詳細(xì)分析:

1.1 基礎(chǔ)資料的收集整理

本次研究主要收集了1:5000地形圖、地質(zhì)工程圖、SPOT5衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。

地表數(shù)據(jù)源整理：掃描矢量化等高線和高程點(diǎn)并輸入高程屬性，再導(dǎo)入進(jìn)行三維化處理，生成等值線三維化圖。矢量化工作流程為：掃描矢量化→圖形編輯→屬性連接→圖形校正→坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換→圖形剪切→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

勘探數(shù)據(jù)源整理：本次工作收集和整理了三種類型的地勘數(shù)據(jù)鉆探數(shù)據(jù)、坑探數(shù)據(jù)和槽探數(shù)據(jù)。其中，鉆孔勘探是最常用的方法，研究區(qū)數(shù)據(jù)基本以鉆孔數(shù)據(jù)為主；坑探數(shù)據(jù)在應(yīng)用當(dāng)中可作為鉆孔數(shù)據(jù)處理；探槽數(shù)據(jù)不同于鉆孔與坑探，它與地表平行，因此，在測(cè)斜表中，它的傾角與地面平行，在應(yīng)用中也可作為一個(gè)平行于地面的鉆孔數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均使用ACCESSS數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行錄入。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)就是把二維的空間表數(shù)據(jù)三維化，數(shù)據(jù)的內(nèi)容越多，在三維空間內(nèi)可反映的內(nèi)容越豐富。其最根本任務(wù)就是使用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方法建立地質(zhì)對(duì)象的拓?fù)洹缀涡螒B(tài)及其屬性。這些數(shù)據(jù)多數(shù)以圖件方式存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)和以表格方式存儲(chǔ)的屬性數(shù)據(jù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，可以三維顯示豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中包括鉆孔的軌跡線、巖性及其代碼、巖層走向等，多元源的地質(zhì)信息都可以用立體的方式顯示。

地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是工程地質(zhì)三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求必須具備有效的、分層的、三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠確保人機(jī)交互和查詢的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括了鉆孔的傾斜資料、定位資料、巖性資料及化驗(yàn)資料等。

1.3 表面線框建立

本次研究的三維模型為線框模型，是以剖面上的礦體截面形態(tài)來構(gòu)建三維礦體的主要算法[1]。輪廓線就是指在地質(zhì)圖中反映地質(zhì)現(xiàn)象的邊線也叫做地質(zhì)界線，如礦體邊界線、巖層界線等。地質(zhì)體的復(fù)雜性與不確定性決定了建立使用的地質(zhì)體或礦體的三維模型需要采用交互式的建模方法。表面線框構(gòu)建主要分兩步：一是繪制輪廓線。根據(jù)原始鉆孔數(shù)據(jù)，通過三維建模軟件，根據(jù)巖石類型交互描繪輪廓線。二是連接輪廓線。按照一定的規(guī)則將畫好的輪廓線上的點(diǎn)連接成由三角面組成的復(fù)雜曲面，構(gòu)成表面線框。

1.4 三維建模

三維地質(zhì)建模方法大體有兩種既表面建模（地表建模）和內(nèi)部建模（地下建模）。地表建模利用地質(zhì)剖面或離線點(diǎn)數(shù)據(jù)、及其矢量化圖像，經(jīng)過圖像合成來生成符合實(shí)際情況的三維地質(zhì)學(xué)模型，用來表達(dá)三維空間復(fù)雜的地學(xué)現(xiàn)象；地下建模先利用物探、鉆探等手段獲得一組地質(zhì)圖表面上的采樣數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)擬合或用空間內(nèi)插方法獲得地質(zhì)體表面，再根據(jù)三維地質(zhì)體或礦體特征，采用屬性插值、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)等方法建立地學(xué)模型，恢復(fù)出蘊(yùn)藏在三維地質(zhì)的內(nèi)部的各種屬性信息。

地表模型的建立：將前期矢量化好的圖形轉(zhuǎn)換STR格式導(dǎo)入XPLORPAC中生成DTM。生成DTM后，按實(shí)地工程布置區(qū)剪切。對(duì)于高程值太少、等高線間距太大等問題，采用內(nèi)插網(wǎng)格法增加高程控制點(diǎn)生成DTM，然后檢查生成的DTM與地形地貌是否合理，確保其平面及高程信息的正確性。最后DTM匹配經(jīng)過正射糾正的SPOT5衛(wèi)星圖像，生成工作區(qū)地表三維地理模型之后放入成投影到三維地表生成三維地理模型。

地下模型的建立：主要為鉆孔數(shù)據(jù)的三維模型建立。首先分析需要的數(shù)據(jù)格式，快速建設(shè)為一個(gè)空的數(shù)據(jù)庫(kù)框架，將數(shù)據(jù)從TEXT或EXCEL表中導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中；然后把SURPAC數(shù)據(jù)源存放在所連接的數(shù)據(jù)庫(kù)中，由ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)軟件管理，SURPAC通過定義一個(gè)DDB文件，建立后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與SURPAC的橋梁，SURPAC通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，來訪問、編輯、顯示數(shù)據(jù)庫(kù)；再次顯示三維空間鉆孔；最后檢查數(shù)據(jù)與實(shí)際鉆孔是否吻合。

1.5 模型組合

分別調(diào)入DTM、鉆孔、礦體、巖性，對(duì)各元素分別進(jìn)行顏色渲染，形成最終的礦區(qū)模型。

2 在礦產(chǎn)普查中的應(yīng)用

利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行礦產(chǎn)資源的三維定位、定量預(yù)測(cè)，特別是對(duì)礦區(qū)深部及外圍預(yù)測(cè)，提供了一種新的方法手段，與傳統(tǒng)方法相比，有高效、高精度等優(yōu)點(diǎn)。三維可視化技術(shù)能以直觀的方式展示地下三維空間的極其不規(guī)則的礦體、勘探工程(槽探、井探、坑探、鉆探)等實(shí)體，并且能夠幫助地質(zhì)工作者形象地處理大量的固體礦產(chǎn)勘查中的野外測(cè)量和樣品分析數(shù)據(jù)，從而減少固體礦產(chǎn)勘查風(fēng)險(xiǎn)。其次，還可以進(jìn)行空間信息查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等功能，提高地質(zhì)工作人員的效率。

2.1 地質(zhì)資料的管理

2.1.1 地表、礦體和斷層的合成三維模型

由于以前地質(zhì)資料多為紙介質(zhì)的文字或圖件，對(duì)于存儲(chǔ)、修改及查閱很不方便。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于地學(xué)信息的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化能反映到三維模型中，使二維抽象的地質(zhì)信息以三維可視化的圖形效果直觀形象的表達(dá)出來，可以直觀的反應(yīng)地表信息、構(gòu)造信息及礦體的基本信息。不僅保證了地質(zhì)數(shù)據(jù)的高效性和正確性，同時(shí)也減少了工作人員的工作量。

2.1.2 基本地質(zhì)的統(tǒng)計(jì)與分析

以前對(duì)于地質(zhì)工程中鉆孔等基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析耗費(fèi)大量的人力，通過三維建模可視化方法來反映礦床的賦存狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)與分析基本地質(zhì)工程中的信息，可為開采信息可視集成系統(tǒng)(如礦床的儲(chǔ)量計(jì)算、巖層的控制與巖爆預(yù)測(cè)等)研究提供很好的基礎(chǔ)。

2.2 區(qū)域固體礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)

由于我國(guó)埋藏在淺層的礦產(chǎn)資源已經(jīng)接近枯竭，必須加快向深部找礦方向的腳步。而三維可視化模型的建立，基于已有的工作資料，擬合礦床的發(fā)展趨勢(shì)，能有效的預(yù)測(cè)地下隱伏礦產(chǎn)資源，不僅加快專業(yè)技術(shù)人員對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)，而且可交互式的對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行地下空間分析，提高了工作效率，充分利用地質(zhì)資料的寶貴價(jià)值，為我國(guó)向礦產(chǎn)資源向深部方向發(fā)展提供了先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)。

3 結(jié)論

由于地質(zhì)體與礦體的不確定性，三維地質(zhì)體可視化一直是地學(xué)信息在資源礦產(chǎn)應(yīng)用中的一個(gè)難點(diǎn)。本文通過建立三維可視化地質(zhì)模型，不僅能直觀的反映地表及隱伏礦體的信息，而且能有效地促進(jìn)地質(zhì)資料信息的管理統(tǒng)計(jì)，并對(duì)地質(zhì)勘探、采礦工程的布置、固體礦產(chǎn)資源的預(yù)測(cè)等做出指導(dǎo)。能減少礦山開采的風(fēng)險(xiǎn)，并有效提高固體礦產(chǎn)的開采效率，為以后深部找礦工作提供了可靠的技術(shù)平臺(tái)。

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