（地图学与地理信息系统专业论文）矿床三维地质建模与成矿信息定量提取.pdf

、 、 ij ：。r ， 分类号v d c密级 硕士学位论文 f i j l iil i ti lfl ip illi y 1719 6 6 7 矿床三维地质建模与成矿信息定量提取 3d g e o l o g i c a lm o d e l i n ga n dm e t a l l o g e n i ci n f o r m a t i o n q u a n t i t a t i v ee x t r a c t i o no f o r ed e p o s i t 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 陈春 地图学与地理信息系统 地学与环境工程学院 指导教师：毛先成教授 论文答辩日期丝! 竺：坐! 乡答辩委员会主席 中南大学 。io 年f 只 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：跫二查日期：丝年翻日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ：兰竺年勘2 细 摘要 随着找矿工作的不断深入，地表露头矿越来越少，找矿难度越来 越大，传统的找矿方法已经难以满足目前的找矿需求，迫切需要建立 一套快速有效的成矿预测方法。目前，三维g i s 和三维地质建模技术 已经越来越广泛地应用在成矿预测方面。本文以“丁家山铅锌矿床三 维可视化预测研究项目为依托，对三维地质建模、品位估算和成矿 信息定量提取进行了研究。 通过分析丁家山铅锌矿床多年来积累的找矿勘探和生产勘探等 资料，并参考国内外著名地质三维软件的数据格式，提出了地质勘探 数据模型，建立了地质数据库，并以此为数据平台，采用d a t a m i n e 和v u l c a n 软件相结合的方式对地质体进行建模，提高了地质体三维 模型的准确性，得到了地质体的线框模型和块体模型。在地质体块体 模型的基础上，采用地质统计学的方法对矿体的品位进行建模，通过 普通克里格方法计算块体单元的品位。 对已知矿体的分布情况进行了分析，总结了丁家山矿区矿体的定 位规律，建立了控矿地质因素概念模型，并以此为基础，采用趋势形 态分析、形态起伏分析、空间距离分析、坡度分析和夹角分析等空间 分析方法对地质界面的t i n 模型进行各种分析，获取了控矿地质因素 变量。定义和计算了矿化指标，利用非线性回归方法对矿化指标与控 矿地质因素之间的关系进行了分析，提取了控矿指标，为进一步开展 丁家山铅锌矿床三维可视化预测工作奠定了基础。 关键词地质勘探数据模型，三维地质建模，地质统计学，空间分析 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to f p r o s p e c t i n g ，t h ea v a i l a b l eo u t c r o pm i n ei s b e c o m i n gl e s sa n dl e s s t h u s ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tc u r r e n td e m a n df o r m i n e r a l e x p l o r a t i o nb yu s i n gt h et r a d i t i o n a lp r o s p e c t i n gm e t h o d s t h e r e f o r e ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt oe s t a b l i s ha ne f f i c i e n tm e t h o df o r m e t a l l o g e n i cp r e d i c t i o n c u r r e n t l y , 3 dg i sa n d3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g t e c h n o l o g yh a v e b e e nw i d e l yu s e di np r o s p e c t i n g i nt h i sp a p e r , w e s t u d i e do n3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g ，g r a d ee s t i m a t i o na n dq u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n e x t r a c t i o n ，s p o n s o r e db yd i n g j i a s h a n3 dv i s u a l i z e d p r o s p e c t i n go f p b z nd e p o s i t s b ya n a l y z i n gp r o s p e c t i n g a n d p r o d u c t i o n d a t aw h i c ha r e a c c u m u l a t e do v e rt h ey e a r s ，a n dr e f e r r i n gt ot h ed a t af o r m a to fs o m e f a m o u s g e o l o g i c a l 3 ds o f t w a r e s ，w e p r e s e n t e dad a t am o d e lf o r g e o l o g i c a le x p l o r a t i o ni nt h i sp a p e ga n db u i l tag e o l o g i c a ld a t a b a s ei n a c c o r d a n c ew i t ht h em o d e l b a s e do nt h eg e o l o g i c a ld a t a b a s e ，w eh a v e i m p r o v e dt h ep r e d i c t i v ea c c u r a c yo f3 dm o d e lo fg e o l o g i c a lb o d yb y c o m b i n i n gd a t a m i n ea n dv u l c a n w ea l s og o tw i r e f r a m em o d e la n d g e o l o g i c a lb l o c km o d e l o nt h eb a s eo fg e o l o g i c a lb l o c km o d e l ，w eu s e d g e o s t a t i s t i c sf o rm o d e l i n go nt h eg r a d eo fg e o l o g i c a lb l o c k ，a n dt h e n c a l c u l a t ei t sg r a d ep e rb l o c ku n i tu s i n go r d i n a r yk r i g i n gm e t h o d 。 i no r d e rt oe x t r a c tq u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o no nt h em i n e r a l i z a t i o n ，w e f i r s t l ya n a l y z e dt h eo r eb o d yl o c a l i z a t i o nl a wo fd i n g j i a s h a n ，a n dt h e n b u i l tac o n c e p t u a lm o d e lo no r e - c o n t r o l l i n gg e o l o g i c a lf a c t o r s b a s e do n t h ec o n c e p t u a lm o d e l ，w eo b t a i n e dt h ev a r i a b l eo n o r e - c o n t r o l l i n g g e o l o g i c a lf a c t o r sb ya n a l y z i n gt i nm o d e l m a n ys p a t i a la n a l y s e sa r e u s e df o rt i nm o d e la n a l y s i s ：t r e n ds h a p e a n a l y s i s ，s h a p er o l l i n ga n a l y s i s ， d i s t a n c ea n a l y s i s ，s l o p ea n a l y s i s ，a n g l ea n a l y s i sa n ds oo n i no r d e rt o q u a n t i t a t i v ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no r e - c o n t r o l l i n gg e o l o g i c a l f a c t o r sa n do r ed i s t r i b u t i o n ，m i n e r a l i z a t i o ni n d e xw a sd e f i n e da n d c a l c u l a t e d f i r s t ，f o l l o w e db ye s t a b l i s h i n g i t s r e l a t i o n s h i p b e t w e e n o r e c o n t r o l l i n gg e o l o g i c a lf a c t o r sb yu s i n gn o n l i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d f i n a l l yw ee x t r a c t e dt h ef a v o r a b l ei n d e x ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o r d i n g ii a s h a n3 dv i s u a l i z a t i o n - b a s e dp r o s p e c t i n go fp b z nd e p o s i t s w o r d s ：g e o l o g i c a l d a t am o d e l ，3 d g e o l o g i c a lm o d e l i n g ， t a t i s t i c s ，s p a t i a la n a l y s i s 目录 摘要i a b s t r a c t i 目录i 第一章绪论l 1 1 选题背景1 1 2 相关技术研究现状2 1 2 1 三维g i s 与三维地质建模2 1 2 2 地质统计学3 1 3 研究目标和研究内容4 1 3 1 研究目标4 1 3 2 研究内容4 第二章矿床的空间数据模型6 2 1 矿床地质勘探数据模型6 2 2 矿床的三维空间数据模型7 2 2 1 三维空间数据模型概述7 2 2 2 丁家山矿床三维空间数据模型的选择8 2 2 3 线框模型9 2 2 4 体素模型1 0 第三章地质体三维建模与可视化1 2 3 1 三维地质建模的流程1 2 3 2 地质数据库的建立和导入1 3 3 2 1 建立地质数据库13 3 2 2 地质建模数据的导入1 4 3 2 3 地面高程数据的构建导入1 8 3 3 地质体三维模型的建立1 9 3 3 。l 地质体界线的圈定1 9 3 3 2 地质体线框模型的建立2 4 3 3 3 地质体块体模型的建立2 9 第四章基于地质统计学的品位建模3 2 4 1 地质统计学基本理论3 2 4 1 1 区域化变量3 2 4 1 2 变异函数3 2 4 1 3 变异函数理论模型3 3 4 1 4 克里格法3 4 4 2 组合样的统计分析3 4 4 3 变异函数模型的建立3 5 4 3 1 实验变异函数计算3 5 4 3 2 理论变异函数拟合3 8 4 3 3 变异函数结果分析4 0 4 3 4 理论变异函数交叉验证4 0 4 4 品位估值4 0 第五章成矿信息定量提取4 4 5 1 成矿信息提取的基本思路4 4 5 2 矿体的定位规律和控矿因素概念模型4 4 5 2 1 矿床矿体定位规律4 4 5 2 2 控矿因素概念模型4 5 5 3 控矿地质因素变量提取4 5 5 3 1 地质界面分析的基本流程4 5 5 3 2 趋势形态分析和起伏分析4 6 5 3 - 3 地质界面的空间距离分析5 0 5 3 4 地质界面坡度分析和夹角计算5 2 5 3 5 控矿地质因素变量的计算5 5 5 4 矿化指标提取5 7 5 4 1 矿化指标的定义5 7 5 4 2 块体属性的确定5 8 5 4 3 矿化指标的计算5 9 5 5 矿化指标与控矿因素之间的关系6 0 第六章结论与展望6 4 6 1 结论6 4 6 2 展望6 4 参考文献6 6 致谢7 l 攻读学位期间主要的研究成果7 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 矿产资源是人类生产和生活资料的基本源泉，是生产力构成的主要要素之 一，作为人类社会发展的重要物质基础，它具有不可再生性、耗竭性和分布不均 匀等特点l l # j 。随着经济的快速增长，矿产资源的消耗也相应的急剧增加，同时 由于大部分矿山超量开采、采富弃贫、综合利用水平偏低和后续找矿工作投入太 少等原因，矿产资源越来越少，矿产资源的不足已经成为制约我国可持续发展的 瓶颈，也直接关系到国家的经济安全。因此，在传统找矿方法的基础上，寻找快 速有效的找矿新方法，是一项刻不容缓的任务。 随着找矿工作的不断深入，地表露头矿已经越来越少，找矿费用日益增长， 找矿难度日益增大，新发现的矿床数量明显减少，找矿主体己从原来的露头矿转 向深部隐伏矿。从理论上分析，目前的老矿山都处于有利地带，具有良好的成矿 地质成矿条件，是区带找矿过程中发现的地质、地球物理和地球化学以及遥感异 常的良好叠加部位，而且大多已经进行过一些前期地质工作，并有大量已揭露矿 体的各种信息显示，因而对后续找矿工作的进行提供了良好的前提条件。其次， 过去的勘探工作由于生产技术的局限，基本都停留在5 0 0 米以上，因而对于大多 数老矿山而言，5 0 0 m 以下是深部隐伏矿体良好的找矿空吲2 1 。 目前，由于深部隐伏矿体预测在向多元信息综合预测方向推进，传统的经典 找矿方法有一定的局限性。而g i s 作为空间信息技术的基础平台，具有强大的 空间信息分析和管理能力，是处理海量数据和多元信息的有利工具。因此，将 g i s 技术和传统找矿方法结合已经成为目前深部隐伏矿体预测的新思路。 传统的二维g i s ( 2 dg i s ) 只能表达二维或2 5 维面上的信息，对于三维空 间信息往往不能很自然地处理。三维g i s ( 3 dg i s ) 正是针对二维g i s 的缺陷， 借助于计算机可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达空间实体。伴随 着三维g i s 发展起来的三维地质建模技术充分利用了矿山各种原始数据，并基 于地质构造的空间构架及其相互关系，对矿床地质信息进行提取，建立多源地质 体的物理模型和数学模型，最后有效实现各种不规则地质体的三维可视化与重建 【3 ，4 】。基于这种三维g i s 和三维地质建模技术下的真三维空间数据环境，地质体 与地质环境可更接近自然表达，从而使得g i s 技术能够很好的运用在隐伏矿体 预测的过程中，为成矿预测起到辅助决策作用。 本文以福建省尤溪县梅仙镇丁家山矿区铅锌矿床中的主要地质对象为例，对 地质体的三维建模和品位估算进行了研究，并在地质体三维模型的基础上，深入 论 开 很 发 分 了 国 旦 业 应用。近年来，随着图形学理论与技术在不同领域的应用与发展，用户对三维 g i s 的需求日益增长，国内外g i s 软件厂商也开始着力研发三维g i s 软件和模 块，对三维g i s 的应用和发展起到了很好的推动作用，如e s r i 公司的a r c v i e w 3 da n a l y s t 模块、g e o m e d i at e r r a i n 模块、吉奥公司的c c g i s 和g o o g l e 公司的 g o o g l ee a r t h 等。 目前，虽然三维g i s 发展比较迅速，但是三维空间数据模型理论与建模技 术尚不成熟，严重制约着三维g i s 深入发展和应用。同时，由于各行各业具有很 大的差异，研究通用的三维空间数据模型和建模技术难度非常大。因此，不同的 行业应用常常具有不同的应用模型，三维地质模型和建模技术就是随着三维g i s 开始应用于地质、矿山等领域发展起来的。某些发达国家的地质学家对地质三维 建模理论和三维地学信息系统进行了系列研究。b a k 、s m i t h 和r a p e r 在1 9 8 9 年提 出了地学信息的三维表示和一些地学三维模型；1 9 9 3 年，h o u l d i n gsm 在其专著 “三维地学建模：地质特征描述的计算机技术”中将地质三维数据模型概括为孔 数据、图件数据、体元数据和三维格网数据，三维地质建模即地质描述以这些数 据为数据源来表利8 】；从1 9 9 6 年起，已在英国l e e d s 、新西兰o t a g o 、英国b r i s t o t 、 美国弗吉尼亚州等地举行地质计算机会议，内容包括地质建模、模拟和可视化。 随着三维地质建模理论的完善和三维建模市场需求的增长，逐步产生形成了三维 地质建模的商业化矿业软件，著名的商用矿业软件主要有加拿大k i r k h a m g e o s y s t e m s 公司的m i c r o l y n x + 系统、澳大n 亚m a p t e k 公司的v u l c a n 系统、澳大利 亚m i c r o m i n e 公司的m i c r o m i n e 系统、澳大利亚s u r p a cm i n e x 公司的s u r p a cv i s i o n 系统、法n n a n c y 地质学校的g o c a d 等。 2 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 我国的地质学家及相关学者也对三维地质建模进行了大量的研究，主要包括 三维地质建模理论与方法射、基于国外矿业软件在地质、矿产、工程地质等领 域的应用、三维地质建模软件开发等工作，尤其是在类三棱柱( 吴立新、齐安文 等，2 0 0 2 ) 【1 4 1 5 】、似三棱柱( 龚健雅、程朋根，2 0 0 4 ) 【1 7 ，1 8 1 等三维空间数据模 型方面还取得了较有影响的成果。但是到目前为止，我国对三维地质建模理论和 方法方面的研究还不够系统，缺乏真正商用化的具有自主知识产权的三维矿业软 件【1 1 。 1 2 2 地质统计学 地质统计学是由法国著名学者马特隆教授于1 9 6 2 年创立的，现在已经发展 为- f - j 新兴边缘学科【l9 1 。地质统计学研究可以分为两大派：以法国g 马特隆为 代表的“枫丹白露地质统计学派”和以美国a g 儒尔奈耳为代表的“斯坦福地 质统计学派 。前者提出多元地质统计学的基本思想，形成了简单克立格、普通 克立格、泛克立格以及析取克立格等套理论和方法，上述方法所有计算均依赖 于实际样品数据，并求得区域化变量理论模型的若干参数，故称为“参数地质统 计学；后者提出了无须对数据分布做任何假设的指示克立格法和概率克立格法 以及快速条件模拟等一套方法【2 叫。随着需求和应用的不同，许多不同的数学方 法不断引进克里格法，多学科结合形成各种新的克里格法，如稳健克里格方法、 协同克里格方法、协同指示克里格和因子克里格。 地质统计学开始主要是为了解决矿产资源的储量计算发展起来的，如今已经 应用于地质行业的各个方面，如水文地质学、海洋地质学、物化探遥感数据处理 等。同时，随着地质统计学的完善，也用于地质矿产业以外的其他领域，如林业 资源估计、农业作物产量估计、气象业中的大气降雨量估计、环保业中的大气和 土壤污染估计、海洋业的鱼群密度估计等。随着地质统计学的应用越来越广，国 内外出现了许多地质统计学计算软件，如1 9 9 8 年牛津大学开发的g s l i b 地质统 计学程序包【2 i 】、美国斯坦福大学开发的可重用的地质统计学程序库g s t l 2 2 】、 北京科技大学地质系侯景儒教授组织开发的s m i c k 系统、西安石油学院王家华 教授组织开发的k m s 克里格绘图系统等1 2 3 1 。 目前，虽然地质统计学应用非常广泛，但是地质统计学作为一个新的边缘学 科还需要迅猛向前发展，该学科可能会向以下几个方向发展 2 4 - 2 8 】： ( 1 ) 各种方法综合使用。目前地质统计学的方法技术很多，也很成熟，各 种方法都能在一定范围内独立解决问题。但每种方法都有其使用条件和使用范 围，为此需要研究方法的适应性及各种方法如何各尽所能，综合运用，从而使计 算结果更为可靠。 章绪论 ( 5 ) 地质统计学程序系统和绘图系统将会进一步完善，更智能化。 1 3 研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 通过对国内外三维地质建模和成矿信息提取的研究现状分析，结合丁家山铅 锌矿床实际情况和项目需求，本文对地质体三维建模和成矿信息提取的相关技术 进行了研究，其研究目标如下： ( 1 ) 通过对已收集的地质勘探、生产地质、物化探、综合研究等方面资料 的整理和分析，提出通用的地质勘探数据模型。 ( 2 ) 在地质勘探数据模型的基础上，采用线框模型和块体模型对地质体进 行三维建模，为地质体空间分析和成矿信息提取奠定基础。 ( 3 ) 采用地质统计学的方法，对矿体品位进行估算。 ( 4 ) 确定矿化指标，采用空间分析方法对地质界面进行分析，计算控矿地 质因素变量，并分析控矿地质因素与矿化指标的定量关系，最后提取出有利于成 矿的控矿指标。 1 3 2 研究内容 本文主要研究内容为： ( 1 ) 对丁家山矿床现有的地质勘探数据结构进行分析，同时研究国外著名 的三维建模软件的数据结构，如d a t a m i n e 、v u l c a n 等，提出地质勘探数据模型。 ( 2 ) 对现有的三维空间数据模型进行分析和总结，结合丁家山实际地质情 况，选择合适的数据模型对地质体进行了三维建模。 ( 3 ) 在建立的三维地质块体模型的基础上，采用变异函数对矿床地质特征 进行分析，并利用普通克里格法对矿体的块体单元品位进行估算和验证。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 通过对地质资料和地质体三维模型进行研究，总结出了矿体定位规律， 建立了控矿因素概念模型，对地质界面进行趋势起伏和形态分析，采用g i s 空间 分析方法计算控矿地质因素变量，并定量分析控矿地质因素与矿化指标之间的关 系。 5 图2 - 1 地质勘探工程数据e - r 图 地质勘探数据模型中开孔数据包括钻孔号、开孔坐标( x ，y ，z ) 、终孔深 度等；地质编录数据包括钻孔号、开始深度、截止深度与岩石编码等；测斜数据 包括钻孔号、测井深、倾角与方位角等；样品分析数据包括样品号、孔号、开始 深度、截止深度、品位与岩石编码等；岩性编码数据包括各种岩石的编码和岩性 6 中南大学硕士学位论文 第二章矿床的空间数据模型 描述。各数据的关系表描述如下所示( “”表示可扩展字段) ： 表2 - 1 地质勘探数据模型关系表 表名字段 c o l l a r s u r v e y g e o l o g y s a e p l e r o c k c o d e 钻孔号( h o l e - i d ) ，开孔坐标x ( x ) 。开孔坐标y ( y ) ，开孔坐标z ( z ) ，终孔深度( m a x d e p t h ) ， 孔号( h o l c _ j d ) ，测井深( d e p t h ) ，倾角( o b l i q u i t y ) ，方位角( a z i m u t h ) ， 孔号( h o l c _ i d ) ，开始深度( d e p t h _ f r o m ) ，截止深度( d e p t h _ t o ) ，岩石类型( r o c k _ t y p e ) ， 样品号洲o ) ，孔号( h o l e _ l d ) ，开始深度( d e p t hf r o m ) ，截止深度( d e p m j o ) ， 品位( r o c k _ g r a d e ) ，岩石编码( r o c k _ t y p e ) ， 岩石编码( r o c kt y p e ) 岩性描述( r o c k _ d e s c r i p t i o n ) ， 在地质勘探数据模型的五个表c o l l a r ( 开孔数据关系表) 、s u r v e y ( 孔测斜数 据关系表) 、g e o l o g y ( 地质编录关系表) 、s a m p l e ( 样品分析关系表) 、r o c k c o d e ( 岩性编码表) 中，其中h o l ei d 字段为c o l l a r 表中的关键字，是s u r v e y 、 g e o l o g y 、s a m p l e 的外键，s u r v e y 、g e o l o g y 、s a m p l e 通过h o l e i d 与c o l l a r 表 相关联，另外r o c k c o d e 中r o c k _ t y p e 字段是g e o l o g y 、s a m p l e 外键。其逻辑结 构图见图2 2 。 s u r v e y c o l l a r h o l ei d 厂 p kh o l d i d x d e p t h y o b l i q u i t yz a z i m u t h m a x d e p t h g e o l o g y h o l d i d d e p t h f r o m d e p t h _ _ t o r o c k _ t y p e 图2 - 2 地质勘探工程数据表逻辑结构图 2 2 矿床的三维空间数据模型 2 2 1 三维空间数据模型概述 三维空间数据模型大致可以划分为3 类：基于表面表示的数据模型( 面模型) 、 基于体表示的数据模型( 体模型) 、混合结构数据模型【3 l 】。不同的三维空间数据 模型适用于不同的空间情况，其侧重点不同，功能也存在差异 3 2 , 3 3 】。 ( 1 ) 基于面表示的数据模型 基于面表示的数据模型以物体边界为基础定义和描述空间实体，模型主要表 7 厂- i l 据模型 采用面模型虽然可以处理复杂的地质结构，但是难以解决内部属性显示，以 及剖切和挖掘等地质问题，所以在面向地质体建模的过程中，经常需要采用基于 体表示的数据模型。基于体表示的数据模型通过体信息来描述对象的内部，而不 是通过表面信息。它将三维空间物体抽象为一系列邻接但不交叉的三维体元的集 合，其中体元是最基本的组成单元，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以 进行3 d 空间操作和分析。根据体元的不同，可以建立起不同的数据模型。其优 点是数据结构简单，便于实现空间分析；缺点是表达空间位置的几何精度低，数 据量大，三维图形输出效果较差。目前，基于体表示的数据模型主要有块体模型 4 1 - 4 3 】、八叉树模型4 4 4 8 1 、结构实体几何模型【例和四面体模型【3 7 1 等。 ( 3 ) 基于混合结构的数据模型 基于面模型的构模方法侧重于空间实体的表面表示，其优点是便于显示和数 据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的构模方法侧重于空间实体 的边界与内部的整体表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计 算速度慢。为了集成面模型和体模型的优点，一些学者将两种或两种以上的数据 模型进行综合并加以改进，形成了一体化结构数据模型，即混合结构数据模型。 r o n g x i n gl i 采用边界表示和结构实体几何模型描述规则对象，用t i n 和八叉树 描述不规则对象，提出了c s g o c t r e e 混合数据模型1 5 0 j ；史文中曾经提出了不规 则三角网与八叉树混合数据模型【5 l j ；李德仁院士等提出了基于t e n 和o c t r e e 的数据结构的混合数据模型5 2 】；龚健雅针对矿山管理系统提出了面向对象的矢 栅一体化数据模型5 3 j ；程朋根结合地勘工程研究了矢量与栅格集成的面向对象 的混合数据模型。洪雄提出了基于t i n 和似三棱柱( s t p ) i ”】的3 d 混合构模技术 【5 5 1 。 2 2 2 丁家山矿床三维空间数据模型的选择 地质对象形态各异，千变万化，为了很好的对现实复杂地质对象进行抽象和 8 中南大学硕士学位论文第二章矿床的空间数据模型 表达，需要针对不同地质情况采用不同三维空间数据模型，在某些特殊的应用中， 可能还要提出具有针对性的应用模型。一般情况下，三维空间数据模型的选择主 要考虑以下几个方面的因素：参与建模的数据来源、格式和分布特征；建模 对象特征、形态与类型；建模的应用目的与需要；模型操作的方便性。 丁家山铅锌矿床的数据源主要包括离散点三维坐标、钻孔数据、数字高程模 型、二维矢量图像( 平面图、剖面图) 等。对于平面图与剖面图，适于采用线框 模型对地质体几何轮廓进行建模；对于三维离散点，易于采用面模型，如用t i n 进行表面建模。 丁家山矿区地质建模对象包括点状、线状、面状和体状地质体，还包括矿床 中的控矿作用分布与矿化分布，这些对象既有离散又有连续特征。因此，对于地 质体的几何建模，可以用基于面表示的模型进行建模，而对于矿床中的矿化分布 与控矿作用分布，宜采用基于体表示的模型进行描述。 丁家山铅锌矿床的三维地质建模既需要对地质体的几何形态进行重构，又需 要为地质体成矿信息定量提取奠定基础，所以建立的模型既需要基于面表示的数 据模型又需要基于体表示的数据模型，有利于表达地质体的表面形态和内部属 性。 从模型操作功能来看，既需要对丁家山三维地质模型进行编辑、修改和重建， 又需要利用空间分析方法对地质模型进行分析。对于三维模型编辑、修改、重建 和可视化，宜采用面表示模型进行操作。对地质对象的空间分析，则宜采用易于 进行操作与空间分析的体模型。 综上所述，本文研究采用适合从地质剖面图中建立地质体的线框模型对地质 体几何轮廓建模，采用能对地质体内部属性进行表达的体素模型对地质对象进行 表达与存储。体素模型从线框模型通过体素化的方法生成。而对于地表的建模， 则采用从地表三维离散点生成t i n 来实现。 2 2 3 线框模型 线框模型是用来表示空间实体几何形态的一种表面模型，也称几何模型，它 通过一组定义界面的边界来表示对象形状，如图2 3 所示。线框模型构建的实质 是把目标对象空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系 列多边形，然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界或 开挖边界。这些多边形在有些系统里面可以成任意形状，但在某些系统里面则被 限制为三角形。当采用多边形面时，除三角形外，如果一个多边形面的顶点不在 同一平面上，面的定义就有多重性的危险。因此，有些系统就将多边形面限于三 角形，如d a t a m i n e ，v u l c a n 等，避免了面的定义的模糊性和简化了模型管理程 9 2 2 4 体素模型 图2 - 3 线框模型 象 不 体素模型是二维栅格模型在三维空间上的扩展，因此也可称为三维栅格模型 ( 3 da r r a y ) 。在该模型中，将建模空间划分为一组规则的立方体三维阵列。立 方体可称为体元( v o x e l ) ，其值为0 或l ，l 表示物体被占据，0 表示物体为空 3 5 1 o 体素模型是根据一定的地质形态，按照一定规格尺寸，把空间区域划分成许 多小块，通过给每个小块属性赋值，把空间连续的模型离散化。规则的小块或单 元( 称为体元) 集合中的每一个小块或单元都具备一定的属性，如品位、岩石类 型等。在体素模型中，使用最多的是等边长的正方体体元。在部分三维地质建模 软件中( d a t a m i n e 、3 d m i n e ) 习惯将体素模型称之为块体模型。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章矿床的空间数据模型 x c ；佗z c c e l l 啪贿7 磷搁如7 o 黝 酾0 0 毫l 图2 - 4 体素模型结构图 体素模型一般定义在固定的立体空间内，体素单元坐标则是体素单元的质心 坐标值，如图2 4 所示【l 】。同时为体现体素单元的大小，一般采用分辨率表示 单个体素单元的长、宽、高的长度。在三维建模过程中，不同的分辨率对矿体或 者岩体的三维模型构造影响重大，如图2 5 所示【4 3 ，不同分辨率其体素模型差 别非常明显，当体素模型分辨率过大时，不能准确表达三维地质的表面形态，而 当模型分辨率过小时，则大量占用物理空间，造成浪费。因此选择合适的体素模 型分辨率至关重要。 图2 - 5 不同分辨率下的体素模型效果图 体素模型具有位置隐含、结构简单、操作方便的优点，对体内的不均一性具 有很好的表达的能力，有利于进行空间量算，分析与计算，但这种模型占用的存 储空间大，尤其在空间位置的表达精度要求较高时，占用的存储空间将里三次方 增长，因此在实际应用中往往需要将体元模型存储为压缩格式。 中南大学硕士学位论文 第二章地质体三维建模与可视化 第三章地质体三维建模与可视化 由于矿产资源是不可再生资源以及地质对象形态各异，千变万化，所以地质 体的三维建模是一个相当重要同时也是非常复杂的问题。它不仅是储量统计与计 算的基础，也是进行计算机辅助采矿设计的前提。实际上，地质体三维建模就是 在考虑地质因素的前提下，试图应用计算机技术将埋藏在地下的，并不为人完全 了解的地质实体用图形的方式表示出来，其中涉及到空间信息管理、地质解译、 空间分析和预测、地学统计以及实体内容分析等技术。这种图形化了的地质模型 不仅反映了地质体的空间形态、构造等，还必须反映出地质体内部包含的主要地 质信息，如品位、厚度等。 3 1 三维地质建模的流程 三维地质建模没有约定俗成的流程，面对不同的应用的可能有不同的流程。 但是通过分析有些学者的三维地质建模的文章和研究国内外著名三维矿业软件 的三维地质建模模块，发现三维地质建模过程有一个基本的共同点：对原始数据 进行处理，然后导入建模软件，生成线框模型，最后再转换成实体模型。根据项 目的实际应用需求，并且结合项目采用的三维矿业软件( d a t a m i n e 和v u l c a n ) ， 本文采用以下思路对地质体进行三维建模，具体流程为： 1 收集矿床地质勘探资料，对地质资料进行整理和分析，建立矿床基础资料 数据库； 2 依据矿床地质勘探资料，进行地质体对象的抽象和编码，并且将地质勘探 数据导入到三维矿业软件中。 3 根据导入的地质勘探数据，圈定地质体界线； 4 根据圈定的地质体界线，采用线框模型构建面表示的地质体几何模型，对 地质体进行表面建模； 5 通过矿床地质空间的离散化，对地质体进行体素化，建立块体模型； 6 对导入的样品分析数据进行组合，然后采用地质统计学方法建立块体的品 位预测模型，并对矿体块体单元的品位进行计算。 如图3 1 所示，是上述建模流程的图形化表达。 中南大学硕士学位论文 第三章地质体三维建模与可视化 搜集原始地质资料 数据整理和录入 建立地质勘探数据库 将数据导入建模软件i组合样品 建立线框模型 地质统计分析 建立块体模型l 变异函数计算和拟合 用克里格方法对品位 进行估算 二二 交叉验证 图3 - 1 地质体三维建模的流程 3 2 地质数据库的建立和导入 地质数据库在三维地质建模应用中，可以分为广义和狭义两种。广义的地质 数据库既包括传统意义上的由一些数据表组成的数据库，也包括一切跟地质项目 相关的经过整理的有效文档和图件等数据；狭义的地质数据库就是指传统意义上 的数据库，由地质勘探数据形成的数据表和相关元数据组成。由于地质现象复杂 多变，仅仅靠地质勘探数据很难准确的对地质现象进行描述，需要其他各种地质 信息，才能够相对j 下确的表达地质体。本文以下所指的地质数据库是指狭义的地 质数据库。 3 2 1 建立地质数据库 收集跟项目相关的所有纸质资料和电子资料，根据地质资料的种类和用途， 对资料进行筛选和分类，然后将所有的纸质资料数字化，最后将全部电子资料进 行归档汇总，形成原始的地质资料库。 钻孔数据是地质三维建模的最直接数据，由于原始的钻孔数据不能完全满足 三维建模的需要，因此需要按照地质勘探数据模型，对原始数据进行处理，形成 狭义的地质数据库。首先，对钻孔数据进行如下处理：删除没有品位的信息的 南大学硕士学位论文 第三章地质体三维建模与可视化 孔；删除矿体外的钻孔；为了满足d a t a r a i n e 和v u l c a n 软件的需求，将向 钻孔的倾角设为负值；修正钻孔数据中由于人为因素造成的错误。 将钻孔数据按照地质勘探数据模型建立狭义的地质数据库，由五个基本表组 ：钻孔开口信息表( c o l l a r ) 、钻孔测斜信息表( s u r v e y ) 、钻孔地质编录表 g e o l o g y ) 、钻孔样品分析表( s a m p l e ) 和岩性编码表( r o c k c o d e ) ，具体表结 参考表2 1 ，其中s a m p l e 表中的品位字段应该改为“p b 品位 和“z n 品位 两个字段。 3 2 2 地质建模数据的导入 为建立地质体的三维模型，必须预先将准备好建模用的各种地质原始数据， 如地形数据、勘探工程数据等，导入到d a t a m i n e 中。丁家山铅锌矿床的地质建 模数据主要包括：勘探线数据、勘探工程数据和地面高程数据。 ( 1 ) 勘探线数据的构建导入 勘探线的空间方位和走向数据对于地质体三维可视化建模也是必不可少的。 从原始的地质资料数据库中，获取了丁家山矿床2 0 条勘探线的起止点平面坐标， 但是这2 0 条勘探线对于整个丁家山矿床的三维建模工作是完全不够的，因此， 本文提出了虚拟勘探线的概念，并构建了5 6 条虚拟勘探线。虚拟