三維軟件及其地質應用淺析

1999年首屆“國際數字地球”大會上提出了“數字礦山”（Digital Mine，簡稱DM）概念后，“數字礦山”科學研究與技術攻關悄然興起，2008年末被列為國家“863計劃”。“數字礦山”是對真實礦山整體及其相關現象的統一認識與數字化再現，是在統一的時空框架下，科學合理地組織各類礦山信息，將海量異質的礦山信息資源進行全面、高效和有序的管理和整合。三維建模軟件是實現“數字礦山”的基本工具，本文結合國內外的三維軟件的功能和特點，簡要介紹了其在地質找礦中的應用。

1 三維建模的基本方法

總得來說，模擬的方法主要有面模型、體模型和混合模型等[1]。

面模型主要是通過對地質界面的模擬，然后組合成體的辦法。如表面（Surface）構模法、邊界表示（B-rep）構模法、線框（WireFrame）構模法、多層DEM構模法、斷面（Section）構模法；面模型可以較方便地實現地層可視化和模型更新，但其不是真三維的，也不描述三維拓撲關系。

體模型主要是直接構造體的辦法。如結構實體幾何（CSG）構模法、八叉樹（Octree）構模法、四面體格網（TEN）構模法、塊段（Block）構模法、實體（Solid）構模法；體模型模擬是真三維的，但也幾乎描述三維拓撲關系，模型更新也比較困難。

混合模型是由兩個或多個構模方法相結合來進行構模。如TIN-CSG混合構模法、TIN-Octree混合構模法、WireFrame-Block混合構模，體模型綜合面模型和體模型的優點，相互取長補短，但其在技術實現上相對比較困難。

2 國內外常用模擬軟件

近幾年來，國內外在科學可視化（Sciv）

、三維地理信息系統（3DGIS）、三維地學模擬系統（3D Geosciences Modeling System，3DGMS）、三維有限元數值模擬（3DFEM）領域的研究進展迅速.真三維地層構模、地面與地下孔空間的統一表達、陸地海洋的統一建模、三維拓撲描述、三維空間分析、三維地層過程模擬等，已成為多學科交叉的技術前沿和攻關熱點，相應的理論、技術、方法與軟件系統不斷豐富和發展[2～5]。

國內外的地學信息工作者圍繞著3DGMS，開發了一系列的三維地質可視化軟件。從20世紀80年代開始，國外許多國家就展開了三維地學可視化系統的研究與開發。1988年法國Nancy大學的J.L.Mallet教授推出了GOCAD（地質對象計算機輔助設計），其目的是滿足地質、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設計需要。在20世紀90年代初期，開發了一系列基于UNIX操作系統和用于工作站環境（如LYNX、Vulcan/MapTek、Datamine、Mincom、Medysystem、Surpac、MK Eagleg等）；20世紀90年代中期以來，隨著微機性能的提高，一些3DGMS軟件開始移植到Windows操作系統和微機環境（如Micromine、Mincom、Geoquest、SiteView、Geovisual、MineMap、PC-Mine、Vulcan、GeoCAD等）；20世紀90年代后期，隨著網絡技術的發展和BIT操作系統的熱潮，相繼推出了一些基于BIT環境和支持網絡共享的系統（如Vulcan）。近年，微機性能得到大幅度的提高，基于工作站的3D GMS逐漸喪失當年的優勢，基于Windows操作系統和微機環境的3D GMS開始成為主流[6]。美國、加拿大、英國等一些國家相繼推出多種代表性的地學可視化建模軟件。

國內這方面的研究起步相對較晚，但也開發一系列的三維建模軟件。其中代表性的有1996年中國科學院地球物理研究所與勝利石油管理局在國家自然科學基金重點項目“復雜地質體”中，開始追蹤研究GOCAD；長春科技大學在阿波羅公司TITANGIS上開發了GeoTrans GIS三維GIS，主要用于建立中國乃至全球巖石圈結構模型的三維信息；石油大學開發的RDMS、南京大學與勝利油田合作開發的SLGRAPH都是用于三維石油勘探數據可視化[7]，中國地質大學開發的三維可視化地學信息系統（GeoView）。還有其他一些三維建模的軟件，可以說取得了一定的成果。

國外軟件主要有EarthVision，3Dmove，Geosec，BASIN，Gemcom，GeoVisual，SiteView，FastTracker，YNX，Vulcan，DataMine，MinCom，Medysystem，MicroMine，PC-Mine，Surpac，Mine SOFT等；國內軟件主要有Geoview，TitainT3M，GEIS，3DGVS，GeoMO3D等[2～8]。

3 軟件應用

3.1 DATAMINE

DATAMINE是世界礦業領域內具有領先水平的采礦技術應用軟件。主要應用于地質勘探、儲量評估、礦床模型、地下及露天開采設計、生產控制和仿真、進度計劃編制、結構分析、場址選擇，以及環保領域等。主要功能如下。

（1）基本功能：交互式3D設計，數據管理、處理及成圖。

（2）勘探：樣品數據輸入輸出，統計分析，鉆孔編輯，地質解釋。

（3）地質建模：地質統計，礦塊模型，礦床儲量計算。

（4）巖石力學：構造立體投影圖和映射圖、建立巖石模型。

（5）露天開采：境界優化，中長期計劃，采場及運輸道路設計。

（6）地下開采：采場設計、優化，開拓系統設計。

（7）礦山輔助生產：測量，品位控制，進度計劃編制，配礦。

（8）復墾：環境工程，綜合回收，土地復墾和利用研究。

國內主要用戶：用戶涉及有色、冶金、煤炭、核工業等多個行業，在其行業中的大型礦山、設計院、科研院所及高等院校中有很高的普及率和良好的市場反饋，目前有北京有色研究設計總院、安徽銅陵冬瓜山銅礦、安徽馬鋼集團姑山礦業公司、中國礦業大學（北京）、內蒙古準格爾黑岱溝煤業公司、石家莊核工業第四設計院、中鋼石家莊設計研究院、鞍鋼集團鞍山礦業公司、中南大學地學院、中南大學資源與安全學院、中鋼秦皇島設計院、陜西四方金礦、北京礦冶研究總院等大批用戶。

3.2 Surpac Vision

Surpac軟件系統是澳大利亞SURPAC MINEXGROUP（簡稱SURPAC）的產品。從創建之始，SURPAC就致力于為礦產資源業開發采礦規劃及管理軟件系統，并且逐步將業務領域從澳大利亞拓展到全球，已從最初的測量工程軟件，發展成為一個綜合的礦山環境軟件。

應用范圍：勘探和地質建模、鉆孔編錄、露天和地下礦山設計、采礦生產進度計劃、尾礦庫設計等。

主要功能：地質數據庫、鉆孔編錄、數據分析工具、數字地形的建模和等高線的繪制、基礎的和高級的地質統計學分析、格狀解釋模型和等值線繪制、塊模型、斷層建模等。

國內主要用戶：SURPAC（中文版）在礦山和地質勘探領域擁有眾多用戶，由于SURPAC軟件功能強大，易學易用，用戶能夠獲得本地化的技術培訓和支持，SURPAC在中國獲得高速增長，目前，我國露天礦山、地下礦山、礦山設計及研究院所、地質勘查單位、礦業大學等領域超過100家單位在使用SURPAC軟件。

程天赦[9]介紹了澳大利亞SSI公司開發的三維可視化礦山工程軟件SURPAC的主要模塊和功能特點，并將Surpac Vision與普通GIS軟件相對比，分析了Surpac Vision軟件功能的專業性和針對性。在此基礎上，結合金屬礦山開采的主要步驟，綜合論證了這套軟件系統在我國金屬礦山數字化建設中的推廣應用前景。吳亞民[10]以武山銅礦中段生產探礦資料為例，闡述了應用SURPAC軟件建立地質數據庫和礦體實體模型，塊體模型的賦值的方法、技巧，簡述了建立數字化礦床的方法和步驟。

3.3 MICROMINE

MICROMINE軟件是澳大利亞MICR OMINE國際礦業軟件有限公司開發的大型專用礦業軟件。

應用范圍：它主要用于地質勘探、資源評估、儲量計算及露天礦和地下礦礦山設計和開采。

主要功能：MICROMINE提供了與其他數據庫和相關軟件接口的功能，使該系統的數據可被其他數據庫管理系統和相關軟件查詢和編輯，能夠實現各種工程和礦體的三維立體顯示和成圖，并根據地質統計學的方法和原理提供進行礦體品位和儲量估值的各種方法，同時還可以進行礦山的開采設計以及數字地形模型的建立。

國內主要用戶：經歷了20多年的發展，MICROMINE是一套成熟的礦業專業軟件MICROMINE被認為是業界最易學的軟件。它提供強大的功能滿足地質人員、測量人員和采礦人員需求的同時卻不需要繁瑣的長時間的培訓。

昆明理工大學楊建宇[11]用大型三維礦業軟件系統MICROMINE建立了云南北衙金礦的三維模型，包括地形模型、礦床三維線框模型、礦床三維品位模型、采礦工程模型，并進一步探討了基于該模型之上的儲量計算、礦山動態管理、經濟評價等方面的應用；2007年陳愛兵[12]應用MICROMINE軟件技術在個舊錫礦x號礦體，建立了三維實體模型，并進行了儲量計算。中南大學龔元翔[13]以某露天鐵礦為研究對象，利用MICRONMINE軟件建立露天礦山的三維實體模型。結果顯示，建立的三維實體模型能更加準確、直觀反映礦床與工程實體的形態及其空間分布關系。根據建立的三維實體模型，進行了儲量計算、開采境界優化、坑內公路設計等工作，并為后期的生產計劃編制和生產過程控制提供了可靠的依據。張宏達[14]論述了MICROMINE軟件功能和特點，介紹了黃金行業工程設計中應用計算機軟件的現狀，分析了MICROMINE軟件在中國黃金行業的應用前景。

3.4 VULCAN

VULCAN系統是個集地質工程、環境工程、地理地形、測量工程、采礦工程等于一體的，主要用于地表及地下三維數據的處理，形成三維立體模型的工程軟件系統。

主要包括以下模塊。

（1）Envisage 3D Editor-Vu1can-軟件的核心模塊。包括文件管理、圖形編輯、視圖管理、空間面的形成與蝙輯、道路設計、測量、地質數據的管理、露天礦的開采設計等。

（2）Database Editor（Dbeute）-數據庫編輯模塊。主要包括鉆孔數據庫的結構設計（Datasheet文件）鉆孔數據庫的編輯等。

（3）Borehole Graphics[Bhgute]-鉆孔圖的編輯摸塊主要包括：Mapfile（鉆孔圖文件）的形成。

（4）Grid Reserves[Rsvute]-用格網模型計算儲量樓塊。

（5）Advanced 2D Grid Modelling[Gdealc]-高級二維格刪饃型創建模塊。

（6）Plotting files-用于形成繪圖文件。

宋子嶺[15]應用VULCAN軟件成功地建立了元寶山露天煤礦的礦床地質模型，進行地質儲量管理，形成采場測量驗收現狀圖，并編制各種開采生產計劃；中南大學張普斌[16]利用Vulcan軟件系統對烏奴格吐山銅一鉬礦床地質體進行三維可視化研究，建立了礦體及斷層的三維模型，并采用現代地質統計學方法進行了礦體品位和儲量估算，為礦山更直觀地研究礦體的形態產狀特征及生產規劃提供了科學依據；石菲菲[17]運用Vulcan三維可視化軟件，對錫鐵山鉛-鋅礦區3062 m中段以下5～75線之間的主要礦體進行三維可視化研究，全方位、真實地表達近年來的地質勘探成果，并通過儲量計算與找礦預測，為下一步地質勘探工作提供科學依據，為礦區信息化建設提供基礎資料；中科院地理所吳健生[18]在VULCAN的軟件環境下對新疆阿舍勒礦體進行三堆計算機模擬和可視化研寬，建立阿舍勒銅辭礦的三堆礦體模型和地質模型，以便更直觀的研究和分析礦體的形態主化規律，同時在把礦體細分為小的長方體塊的基礎上，利用現代數學地質統計方法中的距離反比法和普通克立格方法對礦體進行品值估算和儲量計算。

3.5 Geoview[19]

GeoView是由中國地質大學（武漢）國土資源信息系統研究所研制的具有自主知識產權的可視化地學信息系統平臺。

主要特點：該系統采用多S結合與集成的方式，融合了常用數據庫技術（DBMS）、輔助設計技術（CADS）、地理信息系統技術（GIS）、地球空間定位技術（GPS）、遙感技術（RS）、專家系統（ES）、三維建模和空間分析技術（3DS）。

應用范圍：八大應用系統（地質調查系統GeoSurvey、水文泥砂系統GeoHydroloy、地質災害系統GeoHazard、河道信息系統GeoRiver、盆地模擬系統GeoPetroModeling、 數字礦山系統GeoMine、城市管線系統GeoPipe和水電地質三維系統GeoEngine），完成了數十個與地質相關的軟件研制項目。

3.6 GeoMo3D

全稱：三維地學建模系統。

簡稱：GeoMo3D。

首次發表日期：2005年6月6日，當前版本號：3.0。

開發單位：東北大學。

應用范圍：本軟件適用于測繪、城市規劃、采礦、地質、礦山設計與規劃、資源勘察與評估、水利工程建設、巖土工程、防災減災設計等行業。

特點和功能：以鉆孔資料作為主要的數據源，其他遙感、物探、化探資料為輔助數據源的真三維地學模擬軟件。能采用TIN、多層DEM、廣義三棱柱（GTP）、規則六面體等多種建模方法建模。通過靈活的三維交互技術，可以對所建立的地質模型進行任意的剖切、虛擬開挖設計與漫游等操作，可以進行空間度量、面積、體積統計、拓撲查詢等多種空間分析，能與多種軟件如有限元分析軟件、AutoCAD等進行數據交換。

3.7 MAPGIS-TDE[20，21]

開發單位：中國地質大學MAPGIS公司。

基于基礎GIS軟件平臺MAPGIS，利用功能強大的三維可視化開發平臺MAPGIS

-TDE，設計、開發具有自主版權的三維地質建模及可視化系統。MAPGIS-TDE包括MAPGIS內核模塊、MAPGIS-TDE基礎平臺、MAPGIS-TDE構建平臺和基于MAPGIS-TDE的應用系統等4個層次。基于MAPGIS-TDE的三維地質建模及可視化系統分為地質數據管理、二維地質分析、地質斷面處理、地質結構建模和地質屬性建模等5大功能模塊。系統實現時，將空間數據庫劃分為基礎地理圖形庫、區域地質數據庫、工程地質數據庫、水文地質數據庫、地球物理數據庫、地球化學數據庫等6類。該系統不儀提供了強大的地質數據管理、三維地質建模以及模型的可視化功能，還為專業技術人員提供了一個可視化的分析、設計平臺。

4 三維預測

通過建立礦區的三維模型，對深部或外圍進行成礦預測，國外今年來取得了豐富的成果。2002年美國科特茲山通過建立二維和三維模型，以及后期的鉆探驗證，發現了270 t金礦體，平均品位達9.5 g/t[22]；2004年加拿大Nickle Rim South通過三維建模和鉆探，發現了礦床，礦石資源量達1370萬噸。

近年來我國學者也進行了大量的探索，取得了一些可喜的成績。

王功文[23]根據云南普朗斑巖銅礦床地質特征以及礦區72個見礦鉆孔中8145個巖芯樣品的銅含量分析數據，采用GIS空間分析技術和利用鄰近距離統計分析方法，優化和提取了礦床定位預測所需點位的數據信息（包含三維空間坐標及其對應的銅含量數值）。在此基礎上，選用反距離權重內插法，在比例尺1∶10000的尺度上，確定了該礦區銅元素在海拔3171～4319 m不同高度的空間分布狀況，并利用3D GIS的規則六面體成像技術和鄰近采樣點插值法，建立了該銅礦床含礦巖體（銅含量不小于0.2%）和銅礦體（銅含量不小于0.3%）的三維模型，確定含礦巖體和銅礦體的形態為“錐狀體”。最后，在綜合分析云南普朗銅礦床特征及其保存條件和剝蝕狀況以及鉆探資料和礦床三維空間特征的基礎上，確定礦床的南西側具有較好的找礦潛力，認為礦床的東、北兩側深部是有利的成礦遠景區。

陳建平[24]在現代成礦預測理論研究基礎上，利用已有的商業三維地質建模軟件，建立了一套基于三維可視化技術的隱伏礦體三維立體定量預測方法和流程，結合云南個舊錫礦實例探討大比例尺隱伏礦體三維定量預測的數據預處理、三維地質建模過程和三維定量預測方法。使用三維可視化技術結合找礦信息量法確定了研究區找礦有利靶區，計算了含礦遠景單元的找礦概率，估算了工程驗證區金屬資源礦體量。應用實例表明了應用三維可視化技術進行隱伏礦體三維定量、定位和定概率的有效性。

鄒艷紅[25]認為廣西大廠礦田長坡一銅坑礦區礦床形成與分布的主要控制因素有地層巖性、巖漿巖體和斷層、褶皺構造。結合大廠礦田多年來積累的地質資料信息，提取了鉆孔、坑道采樣化驗數據與地質體的幾何取點等礦床隱伏礦體預測專題數據，建立了各種地質體幾何模型；以此為基礎進行控礦地質條件的定量分析，以立體單元形式對地質空間進行分割抽樣，提取了立體單元控礦作用定量化指標；通過一種有效的礦床三維數學模型建立方法，對礦床地下三維空間中隱伏礦體進行了定位、定量預測和結果驗證，并開發了預測結果的三維可視化動態查詢系統。

5 存在的問題

到目前為止，在地質體三維可視化模擬方面已經進行了大量的研究，但其在理論、方法、技術和軟件等方面都尚有不足之處，仍需在實踐中不斷的探索。

地質軟件還不能很好的表達完整的復雜地質體模型，對地質信息所包含的巨量信息的處理還不充分，動態數據模型的實施更新也不成熟，為地質工作者提供三維地質環境、分析有關地學問題解釋的技術有待完善。而且三維地質模型的好壞過多地依賴于地質專家的水平，但往往建模人員不懂地質，地質人員不懂建模，導致模型建立的自動化程度有待提高[26]。

同時國外3D模擬軟件的價格一般比較昂貴，每套平均都在5～15萬美元之間，維護起來也比較昂貴，導致國內用戶使用成本偏高，因而，國外的3D軟件現在還未在中國市場大規模的應用。但是，對著近年來國民經濟的飛速發展，尤其是地質找礦突破找略的提出，對3D軟件將會有更為強烈的市場需求，給國內的軟件開發提供了巨大的機遇期。

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