基于DGSS體系的資源儲量估算與礦體三維建模信息系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

李豐丹,劉 暢,李超嶺,呂 霞

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心,北京100037;2.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京100083)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外已開展了大量礦產(chǎn)儲量評價(jià)軟件研發(fā)方面的工作,這些軟件各有優(yōu)勢,為資源儲量估算與礦山應(yīng)用提供了有效工具和方法手段[1-3]。在目前的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中,國內(nèi)礦山和管理部門基本上采用國外的軟件(如:M icrom ine軟件)進(jìn)行資源儲量估算和管理工作,除了花費(fèi)大量的金錢不說,這些軟件側(cè)重于數(shù)據(jù)采集后的處理過程,需要用戶重新組織數(shù)據(jù)才能滿足軟件要求,其資源管理模式也難以滿足國情需求。而國內(nèi)尚未研發(fā)出貫穿于不同比例尺地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)預(yù)查、普查、詳查、勘探和開采等各階段的軟件,更缺少從野外數(shù)據(jù)采集到勘查數(shù)據(jù)的整理與綜合分析、資源儲量估算、礦體三維建模、成果表達(dá)等一體化組織與管理的軟件。

從1999年開始,地質(zhì)調(diào)查主流程信息化團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年關(guān)鍵技術(shù)研究和軟件開發(fā)工作,于2002年實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查全過程數(shù)字化;從2004年開始,實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查與勘查數(shù)據(jù)采集全過程數(shù)字化;從2008年開始,實(shí)現(xiàn)了固體礦產(chǎn)勘查從二維到三維數(shù)字化過程。到目前為止,集 GPS、GIS、RS技術(shù)為一體的數(shù)字地質(zhì)調(diào)查軟件體系(DGSS)已基本實(shí)現(xiàn),并建立了數(shù)字地質(zhì)調(diào)查數(shù)字化流程,實(shí)現(xiàn)了從地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集到地質(zhì)成圖、礦體圈定、品位估計(jì)全過程的數(shù)字化[4]。數(shù)字地質(zhì)調(diào)查軟件體系由數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng) (RGM ap)、探礦工程數(shù)據(jù)編錄系統(tǒng) (PEData)、數(shù)字地質(zhì)調(diào)查信息綜合平臺 (DGSInfo)、資源儲量估算與礦體三維建模信息系統(tǒng) (REInfo)等四大系統(tǒng)構(gòu)成。作為DGSS不可缺少的一部分,REInfo的研究思想是基于 GIS、數(shù)據(jù)建模與數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)以及三維建模等核心技術(shù),實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集與管理、礦床地質(zhì)建模、品位估計(jì)和資源儲量估算、三維礦體建模和成果圖表輸出的全過程數(shù)字化,為礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目全過程數(shù)字化提供了完全符合業(yè)務(wù)流程需求和要求的國產(chǎn)化軟件,為礦山勘查項(xiàng)目成果報(bào)告編制提供了有效工具和平臺。本文正是從固體礦產(chǎn)資源儲量估算的實(shí)際業(yè)務(wù)流程出發(fā),在探討關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了REInfo的一些重要功能特性的研究與實(shí)現(xiàn)方式。

1 REInfo軟件構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 軟件構(gòu)架

REInfo基于二維 GIS基礎(chǔ)平臺和三維空間數(shù)據(jù)管理引擎,將業(yè)務(wù)流程的數(shù)據(jù)信息納入統(tǒng)一的管理平臺,在應(yīng)用層提供了傳統(tǒng)估算方法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法、三維建模等功能模塊,軟件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 REInfo軟件體系結(jié)構(gòu)

REInfo在軟件框架設(shè)計(jì)過程中,充分考慮了與數(shù)字地質(zhì)調(diào)查軟件體系 (DGSS)的完整性,將資源儲量估算過程涉及的原始探礦工程數(shù)據(jù)管理與綜合處理功能納入到數(shù)字地質(zhì)調(diào)查信息綜合平臺 (DGSInfo),但對用戶而言,系統(tǒng)提供的軟件功能是全面的 (圖1),并且DGSInfo和REInfo對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問接口是唯一的,無須重新組織數(shù)據(jù);換句話說,數(shù)據(jù)綜合處理階段和資源儲量估算階段的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)是連通的,無須靠數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)信息整合。

DGSInfo提供了探礦工程數(shù)據(jù)綜合、處理、制圖過程過程相關(guān)功能,包括:槽井坑鉆探礦工程數(shù)據(jù)、勘探線數(shù)據(jù)、采樣分析數(shù)據(jù)的錄入與組織管理,自動輸出槽井坑鉆探礦工程數(shù)據(jù)采集表、素描圖、礦區(qū)平面圖,多模式多用途鉆孔綜合柱狀圖應(yīng)用等。

REInfo提供的功能主要包括:基于條件表達(dá)式設(shè)置工業(yè)指標(biāo),勘探線剖面圖生成與編輯,單工程 (單指標(biāo)、多指標(biāo))礦體圈定與人機(jī)交互編輯,規(guī)則與交互式剖面礦體連接 (直線、曲線模式),地質(zhì)塊段法、剖面法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法 (含距離加權(quán)反比法)資源儲量估算,煤礦資源儲量估算,采空區(qū)動態(tài)儲量管理,礦體三維顯示與分析,各種表格與圖件輸出等。

REInfo系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)采用標(biāo)簽視圖方式,將不同階段工作進(jìn)行按照“標(biāo)簽+列表+視圖”方式進(jìn)行展現(xiàn),即不同的工作階段用不同的視圖展現(xiàn),而對于不同視圖之間的切換則通過不同的標(biāo)簽實(shí)現(xiàn);每個(gè)視圖控制的菜單功能、數(shù)據(jù)組織列表根據(jù)該工作階段進(jìn)行定制。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)創(chuàng)建了集野外數(shù)據(jù)采集、成果綜合、資源儲量估算和礦體三維建模與表現(xiàn)的全過程信息化,為礦產(chǎn)資源調(diào)查工作提供了有效工具和平臺。

以數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過數(shù)據(jù)”層”模型、數(shù)據(jù)流”池”技術(shù)、不同階段數(shù)據(jù)模型繼承技術(shù)、數(shù)據(jù)互操作技術(shù),研究開發(fā)高效的面向礦山地質(zhì)的多源異構(gòu)、多尺度、多維動態(tài)勘查綜合資料數(shù)據(jù)一體化存儲與管理空間數(shù)據(jù)引擎,建立了多源異構(gòu)、多尺度、多維動態(tài)勘查綜合資料數(shù)據(jù)一體化存儲與管理技術(shù),解決了地質(zhì)調(diào)查工作流程與軟件流程一致性難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了從野外數(shù)據(jù)采集到成果綜合、資源儲量估算全過程數(shù)字化,大大減低了使用難度和滿足了地質(zhì)人員工作習(xí)慣。在單機(jī)上高度集成了傳統(tǒng)的資源儲量估算方法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和三維礦體建模模塊,為礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目成果報(bào)告編制提供了有效工具和平臺,大大提高了資源儲量估算和報(bào)告編制的效率和成果精度。

2)創(chuàng)建了礦山地質(zhì)多源數(shù)據(jù)和多種資源儲量估算方法耦合三維建模關(guān)鍵技術(shù)與方法,建立了三維地質(zhì)建模、品位估計(jì)與資源儲量估算相結(jié)合的無縫流程。

基于地質(zhì)塊段法、剖面法、底板等高線法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法的資源量估算方法,研究與提出了適合礦山地質(zhì)空間數(shù)據(jù)多源異構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用需求的三維地質(zhì)建模技術(shù)方法,包括:多源地質(zhì)數(shù)據(jù)匹配及一致性處理技術(shù);基于地表高程數(shù)據(jù)、地物化遙數(shù)據(jù) (圖)、探礦工程數(shù)據(jù) (槽井坑鉆數(shù)據(jù))、多約束條件的單工程礦體圈定模式、勘探線剖面圖等多源數(shù)據(jù)耦合三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模技術(shù);三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型約束下的地質(zhì)體 (礦體)內(nèi)非均值屬性參數(shù)空間分布變化模型建模;建模算法的選擇及交互方式自適應(yīng)機(jī)制;模型重構(gòu)的反饋機(jī)制及修正技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上,建立了三維地質(zhì)建模與資源量估算相結(jié)合的無縫流程。

2 系統(tǒng)功能特性研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于無縫一體化技術(shù)的數(shù)據(jù)組織與管理

REInfo提供了多元 (源)異構(gòu)、多尺度、多維動態(tài)勘查綜合資料數(shù)據(jù)一體化存儲與管理平臺,基于業(yè)務(wù)流程的無縫一體化數(shù)據(jù)模型建模技術(shù)[4],保證了采集、存儲、處理等各階段數(shù)據(jù)的繼承性和交換過程的信息完整性,支持地形地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的組織管理;動態(tài)輔助繪制生成的勘探線剖面圖、礦體投影圖、中段圖、縱剖面圖等成果圖件可以進(jìn)行統(tǒng)一保存;通過三維 GIS平臺實(shí)現(xiàn)地形、勘探工程、礦石品位、勘探線剖面的三維建模及礦體表面和品位模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫建庫和存儲。數(shù)據(jù)格式主要包括:

①不同比例尺地質(zhì)圖件,如地形地質(zhì)圖、勘探線剖面圖、鉆孔柱狀圖、礦體投影圖等,其存儲格式主要為Map GIS、JPG、TIF等;②數(shù)據(jù)庫資料,如工程編錄信息,其存儲格式多為ACESS文件;③數(shù)字高程模型數(shù)據(jù);④三維建模數(shù)據(jù);⑤文字與報(bào)表,如Wo rd、Excel、TXT文本。

通常情況下,資源儲量估算過程是按勘探線來組織探礦工程數(shù)據(jù)的?？紤]到實(shí)際工作模式,系統(tǒng)提供一種工程池 (EngPool)機(jī)制來存儲臨時(shí)的工程編錄信息,如果需要將這些未編勘探線號的工程納入資源儲量估算流程,則可以通過統(tǒng)改勘探線號方式或者采用虛擬勘探線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)(圖2)。在數(shù)據(jù)組織過程中,難免會出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的信息。系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)檢查工具,對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定范圍的有效性與準(zhǔn)確性的檢查。

本系統(tǒng)提供了礦區(qū)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入導(dǎo)出工具,實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)數(shù)據(jù)快速交換 (圖3)。交換的數(shù)據(jù)包括地形地質(zhì)圖,礦區(qū)邊界范圍,勘探線信息 (勘探線起始點(diǎn)坐標(biāo)、各測量點(diǎn)坐標(biāo)),勘探工程基本信息 (工程編號、測量坐標(biāo)),勘探工程地質(zhì)編錄數(shù)據(jù) (比如:地表工程的導(dǎo)線信息、刻槽樣等;鉆探工程的測斜信息、分層信息、劈心樣等),取樣分析結(jié)果。

2.2 基于條件表達(dá)式的符合多元素、多品級的單工程礦體圈定模式

單工程礦體圈定是勘探線剖面的礦體圈連及資源儲量估算的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的單工程圈定過程主要依靠人為判斷及手工計(jì)算,工作量大且易出錯(cuò)。本系統(tǒng)提供了一種基于條件表達(dá)式及多礦石品級分類的綜合礦體自動圈定的方法,將每種礦石品級的圈定條件用條件表達(dá)式的方式進(jìn)行組織,利用程序的自動解析來完成樣品所屬的礦石類型和礦石品級的判斷,最后基于礦石自然類型等條件來進(jìn)行自動化的礦體圈定[5]。具體實(shí)現(xiàn)過程中將所有的圈定判斷條件以圈定的礦石品級或礦體為單位進(jìn)行組織并轉(zhuǎn)化為表達(dá)式語句。針對多元素折算、共生礦物含量扣除等要求,生成的條件表達(dá)式不但包含邏輯判斷語句,還支持計(jì)算式的求值。通過條件表達(dá)式的判斷,確定樣品所屬的礦石品級,同時(shí)根據(jù)最低可采厚度、夾石剔除厚度等工業(yè)指標(biāo)判斷礦體連續(xù)性,最后生成連續(xù)礦段[5-6]。圖4為某礦區(qū)不同品級的條件表達(dá)式示意。

圖2 虛擬勘探線技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖3 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出

圖4 條件表達(dá)式瀏覽

由于系統(tǒng)自動進(jìn)行單工程礦體圈定,可能難于滿足礦區(qū)的特殊要求,特別是在剖面圖上進(jìn)行礦體連接后,從整體來考慮,需要修改部分礦體的邊界。因此采用人-機(jī)對話方式,對單工程圈定結(jié)果進(jìn)行修改 (見圖5),包括:合并與拆分圈定結(jié)果、修改單個(gè)圈定結(jié)果上下邊界、生成與刪除圈定結(jié)果,并實(shí)時(shí)在屏幕上顯示修改結(jié)果,直至滿足礦區(qū)要求為止。每次修改后,程序自動將修改結(jié)果寫入單工程圈定結(jié)果數(shù)據(jù)庫中并替換原來的記錄。

圖5 單工程礦體圈定結(jié)果交互修改過程

2.3 基于規(guī)則與交互方式的剖面礦體圈連過程

剖面礦體圈連是在單工程礦體圈定的基礎(chǔ)上,分析兩個(gè)相鄰見礦工程其礦體厚度圈定后是否均合乎工業(yè)要求,賦存部位是否互相對應(yīng),是否符合地質(zhì)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,將這兩個(gè)工程所見的礦體連接成同一礦體。本系統(tǒng)通過將地質(zhì)人員在進(jìn)行剖面礦體連接的一些基本要求與規(guī)則進(jìn)行參數(shù)化處理,基于屬性與規(guī)則判斷的方法,采用“規(guī)則+交互”方式連接礦體,并允許擴(kuò)展,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的工程間礦體圈連。為方便用戶選擇圈連規(guī)則,系統(tǒng)提供各種約束條件規(guī)則,在選擇某一規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間與屬性交互式連接礦體,例如可以選擇外推的約束方式,可以選擇連接面積的曲線或直線方式。剖面礦體圈連后,系統(tǒng)自動計(jì)算礦體的面積和品位等。地質(zhì)人員可以根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷牡V體圈連結(jié)果 (圖6)。另外,考慮到地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法合成樣分析范圍約束、空塊模型約束、品位估值約束需要用到圈連好的礦體,系統(tǒng)提供一種勾繪輪廓線方式快速獲得剖面上礦體邊界和夾石邊界,以便快速構(gòu)建三維空間內(nèi)的礦體輪廓 (圖7)。

2.4 提供多種傳統(tǒng)資源儲量估算方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法應(yīng)用流程

本系統(tǒng)提供了地質(zhì)塊段法、垂直斷面法、水平斷面法、不平行剖面法等傳統(tǒng)資源儲量估算流程;各種方法應(yīng)用過程充分利用 GIS輔助工具和三維模擬工具提高計(jì)算精度和效率 (圖8、圖9)。地質(zhì)塊段法估算過程,為了滿足交互過程用戶操作的靈活性和準(zhǔn)確性,系統(tǒng)提供了如下功能:對礦體投影圖件的點(diǎn)線區(qū)編輯,允許定義規(guī)則外推礦體,可按勘探線和工程約束方式設(shè)置外推塊段的距離和外推點(diǎn)方向,根據(jù)塊段的尖滅點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算塊段厚度,利用投影圖面積拓?fù)錂z查處理礦體包含關(guān)系,允許處理加密工程。垂直斷面法估算流程中,對于塊段的劃分,系統(tǒng)提供了可視化劃分塊段、基于三維環(huán)境動態(tài)構(gòu)建塊段等模式。

圖6 規(guī)則加交互方式的礦體圈連

圖7 輪廓線繪制方式

圖8 地質(zhì)塊段法交互過程

在礦山儲量統(tǒng)計(jì)時(shí),往往需要根據(jù)礦權(quán)界線、開采界線統(tǒng)計(jì)資源儲量;又例如在深部找礦工作中,同樣存在統(tǒng)計(jì)深部鉆探或外圍加密工程控制的資源儲量的需求。傳統(tǒng)方法估算流程中將這些約束條件多樣化,為基于不同高程范圍及礦界約束條件的儲量估算與統(tǒng)計(jì)和提高精度提供了有效手段 (圖10、圖11)。

此系統(tǒng)提供完整的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法估算資源儲量的應(yīng)用流程,包括實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)計(jì)算 (圖12)、理論變差函數(shù)擬合 (圖13)、結(jié)構(gòu)套合功能、搜索橢球設(shè)置、交叉驗(yàn)證和克立格估值等功能模塊[7],其中估算方法有:簡單克立格法、普通克立格法、指示克立格法等。同時(shí)提供完整的樣品等長度組合,基于礦體三維表面模型約束的空塊劃分和邊界細(xì)分處理,資源儲量分級,多模式統(tǒng)計(jì)匯總等功能。

圖9 垂直斷面法交互過程

圖10 斷層約束

圖11 高程范圍約束統(tǒng)計(jì)

圖12 實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)計(jì)算

圖13 理論變差函數(shù)擬合

2.5 三維地質(zhì)建模與資源儲量估算相結(jié)合的無縫流程

此系統(tǒng)基于三維平臺提供的三維數(shù)據(jù)建模和分析功能,實(shí)現(xiàn)了基于無縫一體化技術(shù)的實(shí)體或礦塊建模流程,并結(jié)合資源儲量估算過程,提供最直觀的分析決策手段 (圖14～圖17)。建模的層次包括以下幾個(gè)方面:

1)能夠根據(jù)數(shù)字高程模型、勘探工程測量數(shù)據(jù)等進(jìn)行原始數(shù)據(jù)三維模型顯示。

2)礦體的實(shí)體建模以勘探線剖面圖為基礎(chǔ),采用基于輪廓線重構(gòu)面的方法來對礦體進(jìn)行連接,并通過剖面上的礦體截面形態(tài)來構(gòu)建三維礦體表面,并能夠自動計(jì)算礦體體積、品位等信息。

3)在礦體邊界約束條件下,將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法估值結(jié)果進(jìn)行三維顯示,以立方體或長方體表示塊體(體元)模型,對邊界區(qū)域進(jìn)行局部單元細(xì)化。

4)提供剖切礦塊模型工具,整合顯示不同方向的切割面,從而達(dá)到分析目的。生成的剖切模型可以存儲成二維 GIS格式文件,并加載到礦體剖面圖、礦體中段圖中。

圖14 礦體表面模型

圖15 礦體塊體位模型

圖16 三維剖切

圖17 采空區(qū)三維管理

5)實(shí)現(xiàn)了基于采空區(qū)儲量動態(tài)管理功能,允許用戶充分利用三維環(huán)境下的體求交手段快速獲取采空區(qū)儲量信息。

6)基于真實(shí)三維坐標(biāo)建模方式,允許按輪廓線勾畫礦體外邊界并構(gòu)建三維真實(shí)空間形體,從而為地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法估算過程的邊界約束提供了更準(zhǔn)確的礦體形態(tài)。

2.6 成果表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化與 GIS輔助工具提高圖表制作過程的效率

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從野外數(shù)據(jù)采集、管理、綜合處理到成果圖件管理與輸出一體化,利用各種靈活的 GIS輔助工具動態(tài)制作地形地質(zhì)圖、工程素描圖、鉆孔柱狀圖、勘探線剖面圖、礦體投影圖、中段圖、縱剖面圖、品位噸位圖等;GIS輔助工具包括樣道、樣品品位表、責(zé)任表、圖框的自動生成,注記模板的設(shè)置與注記的交互處理等,大大提高了成圖過程的效率。成果表達(dá)的另一重要方式是報(bào)表,本系統(tǒng)將單工程礦體圈定結(jié)果、地質(zhì)塊段法、剖面法估算結(jié)果等按照EXCEL報(bào)表格式進(jìn)行自動模板式輸出。圖表生成過程充分考慮國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并遵循實(shí)際地質(zhì)工作習(xí)慣。

3 總結(jié)

REInfo提供了面向數(shù)字地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查與數(shù)字礦山的解決方案,獲得了礦區(qū)地質(zhì)人員的高度評價(jià),本系統(tǒng)的應(yīng)用不但為地質(zhì)人員應(yīng)用高新技術(shù)降低了門坎,而且極大地提高了研究精度和效率,豐富了成果的表現(xiàn)形式和服務(wù)形式;為他們獲得詳實(shí)的礦產(chǎn)資源儲量提供了數(shù)字化、可視化、智能化的輔助工具;同時(shí)也為下一步的礦山開采設(shè)計(jì)、礦床經(jīng)濟(jì)評價(jià)提供了參考依據(jù),使礦山地質(zhì)工作人員直接感到了新技術(shù)在提高效率和精度等方面帶來的好處。目前,本系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源調(diào)查評價(jià)、全國危機(jī)礦山接替資源調(diào)查等項(xiàng)目,涉及全國地質(zhì)、煤炭、冶金、有色、武警黃金、化工、建材等部門,在找礦工作中發(fā)揮了重要作用,取得了明顯的地質(zhì)效益和社會效益。

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