礦產(chǎn)勘查中三維可視化技術(shù)應(yīng)用分析

王旭朝

摘 要：礦產(chǎn)勘查是礦產(chǎn)資源開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。三維可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的立體化顯示及高效管理，在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用日趨普及。該文綜述了近年來三維可視化工具在礦產(chǎn)資源開發(fā)中的發(fā)展?fàn)顩r，并闡述了該技術(shù)在國內(nèi)礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了三維可視化技術(shù)在礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域今后應(yīng)重點(diǎn)研究的方向。

關(guān)鍵詞：礦產(chǎn)勘查；三維可視化；地質(zhì)模型

中圖分類號(hào) P628 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）19-0092-3

Applied Analysis of 3D Visualization Techniques in Mineral Exploration

Wang Xuchao

（Bureau of Land Resources and Housing Management of Fengyang County，F(xiàn)engyang 233100，China）

Abstract： Mineral exploration is an important part of mineral resources development.The technology of 3D visualization can make the multisource data and its efficient management possible，therefore，the technology is developing increasingly in mineral exploration.This article reviewed development status of the 3D visualization tools in mineral resources development，and described its state of application in domestic mineral exploration. On this basis，the key research directions of 3D visualization in mineral exploration in future were summarized.

Key words：Mineral exploration；3D visualization；Geological model

礦產(chǎn)資源具有不可再生性、資源有限性，以及分布的地域性等特點(diǎn)，決定了它是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其不僅關(guān)系到國計(jì)民生，還是國家安全的重要保證。礦產(chǎn)資源能否得到合理的開發(fā)利用，勘察是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。2011年開始的“找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)”就將重要礦產(chǎn)的勘查列為主要任務(wù)之一，并力爭用10年左右的時(shí)間新建一批礦產(chǎn)勘查開發(fā)基地，重塑全國礦產(chǎn)勘查開發(fā)格局，這有助于突破我國現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展中礦產(chǎn)資源短缺這個(gè)瓶頸，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，小康社會(huì)的全面實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

礦產(chǎn)勘查是指在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，以地質(zhì)科學(xué)理論為指導(dǎo)，運(yùn)用多種勘查技術(shù)手段和方法對(duì)礦床地質(zhì)和礦產(chǎn)資源所進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)查工作。礦產(chǎn)資源多分布于地表之下，具有隱蔽性和不確定性。另外，世界經(jīng)濟(jì)增長乏力，全球礦產(chǎn)品的需求呈下降趨勢(shì)，主要礦產(chǎn)品的價(jià)格連續(xù)下跌。因此，礦產(chǎn)勘查投資風(fēng)險(xiǎn)度較高[1]。這就要求從事礦產(chǎn)勘查的單位需要綜合多種新技術(shù)和新方法來提升勘查的可靠性和準(zhǔn)確性。除此之外，近地表礦產(chǎn)資源已經(jīng)被過度開發(fā)，找尋大型礦產(chǎn)的難度越來越大，礦產(chǎn)勘查正向第二深度空間（地表下500～2000m）延伸。這時(shí)，傳統(tǒng)的技術(shù)方法已經(jīng)無法滿足勘查工作在深度、精度和分辨率上的要求[2]，新技術(shù)新方法介入勘查工作將是大勢(shì)所趨。

近年來，礦產(chǎn)勘查技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。以高精度重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)、地磁場(chǎng)等為代表的地球物理場(chǎng)效應(yīng)技術(shù)，以深穿透地球化學(xué)方法為代表的地球化學(xué)勘查技術(shù)和高光譜遙感技術(shù)等一系列新技術(shù)在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。但是總的來說，我國目前礦產(chǎn)勘查技術(shù)相對(duì)落后，工業(yè)化對(duì)礦產(chǎn)資源的需求增長速度很快，儲(chǔ)量跟不上產(chǎn)量。這就需要加強(qiáng)勘探工作，在現(xiàn)有資源量基礎(chǔ)上形成一批新的可采儲(chǔ)量和可供開發(fā)的資源基地[3]。在這個(gè)過程中，新技術(shù)新方法的引入及各種勘查方法的有機(jī)結(jié)合是有效途徑[4]。

1 國內(nèi)礦產(chǎn)勘查中三維可視化軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

可視化指的是借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖形，在屏幕上顯示出來，并與用戶進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。礦產(chǎn)勘查的對(duì)象是具有空間三維特征的地質(zhì)實(shí)體。地質(zhì)實(shí)體還具有各種屬性特征。傳統(tǒng)的地質(zhì)信息表達(dá)方法主要是通過平面圖、剖面圖、軸測(cè)圖等2維或2.5維圖形來表述。由于不是真正意思上的三維模型，不便于勘查人員對(duì)空間地質(zhì)實(shí)體和空間環(huán)境的直接理解，甚至?xí)斐衫斫夂团袛嗌系氖д`。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，將科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的三維圖形圖像的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)日益成熟。

三維可視化中的數(shù)據(jù)屬于多源空間數(shù)據(jù)，多源數(shù)據(jù)的結(jié)合是三維可視化中的基礎(chǔ)性問題。曾新平等將線軌跡數(shù)據(jù)模型、面數(shù)據(jù)模型及三維柵格模型進(jìn)行綜合，開發(fā)出了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)[5]。王鵬針對(duì)地面瞬變電磁（TEM）數(shù)據(jù)，基于Matlab語言開發(fā)了能對(duì)“立體圖、“切片圖”和“等值面圖”三種圖形的綜合性可視化方法[6]。針對(duì)于傳統(tǒng)可視化方法中缺乏對(duì)多源數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)管理和索引機(jī)制，花杰等提出了一種改進(jìn)的四叉樹結(jié)構(gòu)，有效地提高了對(duì)多源地球物理數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)與管理的效率，現(xiàn)實(shí)了對(duì)多源地球物理數(shù)據(jù)快速空間查詢功能[7]。焦鵬等將空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫與三維可視化技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于三維數(shù)字地球的海量多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成可視化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維可視化環(huán)境下海量數(shù)據(jù)的高效管理和展示[8]。endprint

在三維可視化程序開發(fā)方面，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了有針對(duì)性的諸多探索。例如，吳沖龍等提出表達(dá)可視化、分析可視化、過程可視化、設(shè)計(jì)可視化和決策可視化是檢驗(yàn)地質(zhì)三維可視化軟件的水平和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)[9]。IDL語言語法簡單，對(duì)三維數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，是較理想的三維建模開發(fā)語言，在礦產(chǎn)資源模型的三維可視化領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。王振勝利用IDL語言建立了三維地質(zhì)礦產(chǎn)可視化模型[10]。鄧勇等利用IDL語言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，開發(fā)了針對(duì)三維激光掃描海量數(shù)據(jù)的去噪軟件[11]。錢爽等在Open Inventor的VolumeViz模塊基礎(chǔ)上，使用自動(dòng)控制分辨率的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)可視化速度的加速顯示[12]。美國航空航天管理局推出的開源軟件World Wind可以進(jìn)行多源地理空間數(shù)據(jù)的管理與可視化。李艷等以此為基礎(chǔ)，開發(fā)出可以處理海量三維空間數(shù)據(jù)的可視化控件，實(shí)現(xiàn)了開源空間域業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)集成[13]，該技術(shù)可以應(yīng)用于多維礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的管理。此外，肖海紅利用ArcGIS的3D制作程序ArcScene進(jìn)行了礦區(qū)地形三維可視化實(shí)現(xiàn)[14]。還有學(xué)者利用Surfer軟件對(duì)鹵水資源儲(chǔ)量進(jìn)行了三維可視化模型的建立[15]。

但目前我國在大比例礦產(chǎn)勘查上三維可視化軟件主要依賴于國外，如Surpac、Micromine、Discover等在國內(nèi)礦業(yè)軟件中占有一定的比例。國內(nèi)這方面的軟件開發(fā)還處于初步階段。中國地質(zhì)科學(xué)院資源研究所開發(fā)出了集三維礦山管理、地質(zhì)勘探、三維可視化和科學(xué)分析預(yù)測(cè)于一體三維GIS軟件“探礦者”，并在工程實(shí)踐中取得一定應(yīng)用效果[16]。另外，集傳統(tǒng)方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法于一體的三維礦山軟件3Dmine，基于數(shù)字化礦山整體解決方案的礦山數(shù)字化軟件系統(tǒng)Dimine，在礦產(chǎn)三維可視化工程實(shí)踐上都得到了廣泛應(yīng)用[17-18]。Dimine還在礦產(chǎn)勘查人才培養(yǎng)上獲得了很好的教學(xué)效果[19]。

2 三維可視化化技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中應(yīng)用的現(xiàn)狀

三維可視化技術(shù)在礦產(chǎn)勘查上的應(yīng)用正逐步擴(kuò)展。涉及到儲(chǔ)量預(yù)測(cè)及估算、礦產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和共享、礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。大比例尺成礦預(yù)測(cè)是礦田發(fā)現(xiàn)深部隱伏礦床的重要途徑，三維可視化信息分析技術(shù)為大比例尺礦產(chǎn)預(yù)測(cè)提供了非常有效的信息管理分析工具[20]。李章林等采用距離平方反比法，通過礦體品位模型確定出礦體在三維空間的分布情況，并在實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的三維可視化基礎(chǔ)上計(jì)算出礦體儲(chǔ)量[21]。高樂等利用三維建模軟件對(duì)礦區(qū)內(nèi)空間地質(zhì)、物探、化探、鉆孔等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，在立體成礦預(yù)測(cè)上獲得很好的效果[22]。地質(zhì)資料信息的高效管理和有效共享，可以為地球科學(xué)的研究者提供一個(gè)交流的平臺(tái)，確保礦山工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性，減少勘探和開采風(fēng)險(xiǎn)，并且將大大提高固體礦產(chǎn)開發(fā)的效率[23]。同時(shí)也能為不同領(lǐng)域的末端用戶提供一個(gè)理解復(fù)雜和不斷變化的數(shù)據(jù)集的工具。宋相龍采用瓦片金字塔模型實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的復(fù)合三維可視化，實(shí)現(xiàn)了為地質(zhì)工作者提供可視化區(qū)域礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)信息共享與服務(wù)[24]。何原榮等基于VRMap SDK，對(duì)礦區(qū)三維模型與土地變化分析模型進(jìn)行有機(jī)集成，用于直觀展示礦區(qū)土地破壞的情況[25]。辜寄蓉等利用三維GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采礦對(duì)環(huán)境影響的三維可視化分析[26]。

3 展望

地球科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)可視化是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。多源數(shù)據(jù)的綜合，傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代新技術(shù)的結(jié)合是三維可視化技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中必然遇到的問題。針對(duì)于海量的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，需要有效、快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，因此，對(duì)多源大數(shù)據(jù)的有效處理及分析將是礦產(chǎn)勘查軟件未來一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。利用大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智慧礦產(chǎn)勘查，關(guān)鍵是找準(zhǔn)大數(shù)據(jù)與地質(zhì)找礦的結(jié)合點(diǎn)。與主流的GIS軟件進(jìn)行集成，充分應(yīng)用其成熟的空間分析技術(shù)也是一個(gè)值得研究的問題。另外，目前國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦產(chǎn)勘查軟件已經(jīng)得到一定應(yīng)用，但是其開發(fā)水平和質(zhì)量如何，還需要在工程實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，并注重與國外軟件的應(yīng)用效果進(jìn)行比較研究。除此之外，礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何在利用三維可視化技術(shù)在礦產(chǎn)開采之間就進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)，還有很多基礎(chǔ)工作需要進(jìn)一步深入。

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（責(zé)編：張宏民）endprint