三维矿体模型（精选三篇）
三维矿体模型 篇1
三维矿体建模是矿床采矿开拓生产过程中的重点和难点。目前矿体建模方法可分为三大类:表面建模方法[1,2,3,4]、内部体元建模方法[5,6,7,8]和面-体混合建模方法[9,10,11,12]。表面建模方法大多是通过三角形面片等精确地表示出矿体的外表面来表示矿体的空间几何形态,但无法对矿体内部进行属性查询,也无法进行较精确的储量计算等操作。内部体元建模方法用任意形状的体素划分矿体,算法简单,尤其是未经压缩的标准体元的数据结构简单、通用,对体内的不均一性具有一定的表达能力,空间分析容易实现;但不足之处是对空间目标的边界表达不清晰,数据量大,计算速度慢。面-体混合建模是一种解决非层状矿体模型的很好的方法,它既能保证模型的精度,又能够有效地描述矿体内部的属性,是当前大多数矿体建模软件如Datamine、Surpac、3DMine、GeoCOM等采用的主要方法。然而传统的面-体混合模型在表面模型和内部体元模型的边界处划分若干子块(SubBlock),子块的计算量会随着精度的提高而快速增加。针对这一问题,本文提出基于矢量栅格一体化(表面-体元一体化模型是在矢量栅格一体化的基础上提出来的)的建模思想,重点对表面-体元一体化矿体模型的生成方法进行介绍,采用剖分的体元代替子块,提高了计算精度,减少了数据冗余。
1 表面-体元一体化矿体三维模型的建立
1.1 传统表面-体元约束法
表面模型的数据结构是不规则三角网(3DTIN),体元模型的数据结构是三维栅格数据结构(BLOCK)。
表面模型是由一系列的近似平行的轮廓线进行连接获得的三维TIN。首先根据钻孔数据生成原始的地质勘探剖面图或地质中段平面图,然后交互式圈定出地质体(如岩层面)的轮廓线并产生一系列的节点,最后将这些节点一一对应并连接起来,生成三维TIN表面。
三维栅格数据是将研究区域划分为空块段,空块段由基点、方位、倾角、边界、厚度等参数控制。根据钻孔采样点的属性,采用克里格插值方法得到整个块段的内部属性。
为了建立表面-体元约束模型,最终需要利用矿体表面模型对矿体块段模型进行相交检测,判断体元是否与矿体的表面模型相交,保留矿体内部的块段。对于与矿体表面相交的体元,则对体元进行细分,划分成若干小块,只保留矿体内部的子块段,实现了对矿体表面的模拟与逼近。
1.2 改进的表面-体元约束法
本文在建立表面-体元约束模型时,直接将块段和三角面求交。将剖分后的内部块段以ARTP[10](Analogical Right Triangular Prism)形式进行保存。这种方法得到的矿体模型的边界是矢量的、精确的,不存在为了达到所需的精度而对矿体边界不断细分的问题。
进行表面和体元相交检测前,首先分析检测对象之间的关系。由于矿体表面模型是由n个三角面片组成的,所以,矿体表面模型和矿体块段模型的关系就转化为三角面片和块段体元的关系,主要有相切、相交、相离和包含的关系,如图1所示。
相交检测分为包围盒检测和精确相交检测2个步骤。
(1) 包围盒检测。
为了减少计算量,在进行求交计算之前先进行包围盒检测。基于包围盒的碰撞检测算法是一类重要的粗略碰撞检测算法,它不仅可以检测凸多面体,还可以检测凹多面体,对凹多面体不需要做特殊的处理,处理凹多面体和处理凸多面体方法一样,即包围盒法检测的对象不用区分被检测物体是凸的还是凹的[13,14,15]。
包围盒检测法的基本思想:使用外包矩形来代替复杂的几何体,对外包矩形进行粗略检测,当包围盒相交时,其包围的几何体才有可能相交;当包围盒不相交时,其包围的几何体一定不相交。这样可以排除大量不可能相交的几何体和几何部位,从而快速找到相交的几何体和几何部位。包围盒种类:沿坐标轴的包围盒AABB(Axis-Aligned Bounding Boxes),包围球(Sphere),沿任意方向包围盒OBB(Oriented Bounding Box),固定方向包围盒FDH(Fixed Directions Hulls)和一种具有更广泛意义的k-dop包围盒。本文采用AABB方法。体元是一个规则体,它的包围盒就是它本身,所以只需要求每个三角面片的包围盒。
通过包围盒方法作粗略相交检测以后,仍然会有一部分无关块段不能被剔除掉,如图2块段和三角面片的包围盒相交了,但是没有和三角面片相交,所以利用包围盒检测方法不能完全确定与矿体边界相交的体元。下一步则利用面和面求交点的方法对块段与矿体表面模型的关系进行精确的相交检测。
(2) 精确相交检测。
块段和三角面片求交的问题被转化为块段顶点和三角形面片内外关系问题。相交块段的检测步骤:① 根据三角形的平面方程和法向量,逐一判断块段顶点在三角形的内部(-)还是外部(+);② 如果块段顶点全都在内(-),则块段属于内部块段;③ 如果块段顶点全都在外(+),则块段属于外部块段;④ 如果块段顶点一部分在内(-),一部分在外(+),则块段属于边界块段。
图3为矿体表面模型和块段模型相交检测求交点以后的结果。
1.2.2 ARTP体元剖分矿体边界不规则块段体元
本文提出采用ARTP体元的方法对边界块段进行剖分。ARTP主要优点在于几何形态上是3条棱线垂直水平面、顶底三角形面不一定平行的似直三棱柱。因此,本文没有采用四面体的表达方法,而是选择了ARTP对边界块段进行剖分。
ARTP体元如图4所示,图中A1,B1,C1,A2,B2,C2构成一个ARTP体元,其中三角形A1B1C1和A2B2C2在水平方向上的投影均为三角形A0B0C0,另外,ARTP体元还可能出现A1,B1,C1,B2,A2和C1,A2,C2,B2这样的特殊形状,分别可以看做是两点和三点重合的特殊情况。
引入ARTP体元可以将矿体模型的边界块段体元模型剖分成2个或者2个以上的邻接但不交叉的ARTP体元的集合,其主要步骤如下:
(1) 将1个规则块段体元分解成2个直三棱柱,如图5所示。
(2) 假定块段与n个三角面片相交裁剪后余下的部分就是块段和三角形所在的平面n次削切后余下的结果(前提条件是这n个三角形彼此连接构成一个封闭的无折叠的凸面,如果是凹面则反过来看就是凸面了),如图6所示。
(3) 图6中规则块段被n次平面削切的结果可看成是由若干个直三棱柱(或直三棱柱的变形ARTP体元)被n次平面切削后剩下的直三棱柱,即由ARTP体元拼合构成。
(4) 一般地,可将直三棱柱分成如图7所示的11种情况。阴影区域是被删除的,实线和虚线构成的空白区域为一个或多个直三棱柱或其变形。
按照切割的位置分类,主要分为以下4种情况:① 上下底面都被切割到;② 3个侧棱都被切割到;③ 侧棱和底面被切割到;④ 侧棱和顶面被切割到。
对交点所处的位置进行分类可以分成5种情况:① 在顶面上的交点;② 在侧棱上的交点;③ 同时在侧棱和顶面上的交点;④ 同时在侧棱和底面上的交点;⑤ 在底面上的交点。
属于①的交点要往底面上做垂线,可以把不规则体剖分成几个不同的ARTP模型;②、③、④、⑤的情况则不需要作垂线,就可以把不规则体元剖分成ARTP体元的组合。
(5) 直三棱柱的变形被n次平面切削的图形如图8所示。
在剖分的过程中同样会有如图9所示的情况出现,直三棱柱退化成了四面体或者五面体,这种情况可以通过剖分后每个子体元的顶点个数检测出来。
2 矿体一体化模型的实现
基于上述原理,本文对某铁矿某区域进行矿体一体化建模,得到如图10所示的三维可视化矿体整体图,其中内部为块段模型,边界为块段模型与表面模型进行相交后得到的ARTP体元。整个模型不仅能显示整个矿体的空间形态,还能反映矿体内各个部分空间品位的分布,通过设置颜色、材质、光照等参数,显示出矿体外壳和内部的块段,通过设置透明度虚化外壳,清晰显示矿体内部不同矿块的品位。
3 结语
提出一种表面-体元一体化矿体三维模型,与现有的表面模型块段模型相比较,有如下优点:
(1) 在数据模型上表面、体元、ARTP体元能够实现基于线性八叉树的一体化的表达,避免表面模型和块段模型分别存储的情况。
(2) 矿体模型的边界是矢量的,是精确的,不存在为了达到所需精度而不断细分矿体边界所带来的数据膨胀问题,为矿体体积计算、储量计算提供了更为精确的依据。
摘要：针对现有的矿体面-体混合建模方法要在表面模型和内部体元模型的边界处划分若干子块,存在子块的计算量随精度快速增加的问题,提出了一种基于矢量栅格一体化的矿体建模算法,重点研究了算法中表面与体元模型相交检测、ARTP体元剖切相交体元方法的实现。该算法采用剖分的体元代替子块,提高了计算精度,减少了数据冗余。
三维矿体模型 篇2
矿体品位和储量统计分析的三维可视化方法
运用三维可视化手段,可快速实现矿体品位和储量的高精度估算.其基本方法是:先用三维可视化软件根据矿床地质勘探资料建立起地质数据库,并建立矿体的三维实体模型,精确模拟矿体的形态;其次,建立矿体块体模型,应用块模型方法对矿体内部进行划分;在此基础上,采用地质统计学方法对矿体内部特性数据进行赋值估算,获得矿体内部所有块的特性数据,最后完成矿床品位和储量的统计分析和计算.本文借助大型三维可视化矿山软件Surpac,在建立某金属矿床的.地质数据库和矿体三维实体模型的基础上,建立了矿体的块体模型,分别采用普通克里格法和距离幂次反比法,对该矿床的品位和储量进行分析和估算,并将其结果与用传统的地质块段法计算的结果进行了对比和分析.实践证明,可视化方法不但效率高且结果可靠.
作 者：罗周全 张保 刘晓明 鹿浩 李畅 LUO Zhouquan ZHANG Bao LIU xiaoming LU Hao LI Chang 作者单位：中南大学资源与安全工程学院,长沙,410083 刊 名：有色金属（矿山部分） ISTIC英文刊名：NONFERROUS METALS(MINE SECTION) 年，卷(期)： 60(5) 分类号：P628+3 关键词：品位 储量 三维模型 距离幂次反比法 普通克里格法三维矿体模型 篇3
随着信息技术的快速发展和地质勘查工作的不断推进, 地质勘查项目管理系统得到了进一步的完善及应用, 而MICROMINE体系不但为地质人员应用高新技术降低了门坎, 而且极大地提高了研究精度和效率, 丰富了成果表现形式和服务形式。随着数字地质调查系统完善和应用, 已逐步成为国内地质调查领域的主流软件和工具。其具有勘探线剖面生成与编辑, 地质块段法储量计算, 剖面法储量计算, 采样平面图法, 地质统计学储量计算, 采空区动态储量管理、矿体三维显示与分析等功能, 输出各种与储量计算有关的表格与图件。
1 工程地质及项目概况
1.1 工程地质
第一、自然地理概况:矿区位于河北崇礼县四台嘴乡东坪村西0.5Km。距县城约20Km, 崇礼—宣化葛峪堡旅游公路穿过矿区, 交通方便。矿区地处燕山山脉西段与坝上衔接地带, 洋河水系上游清水河与白河水系上游红土河分水岭西侧, 海拔1450-2000m, 属中低山区。属东亚大陆型季风气候, 冬寒夏凉, 四季温差较大, 无霜期短, 一般125天左右。年降水量265.2-681.1毫米。区内土地少, 农作物产量较低, 适合发展林业和畜牧业。第二、矿床地质特征:采矿权范围为1号脉群的部分地段。1号脉群共由42条矿脉构成, 采矿权范围仅涉及14条矿脉。各矿脉均赋存在硅钾化二长岩蚀变带内, 只有1-1号脉出露地表, 其它均为盲矿体。除1-1号脉规模最大外, 尚有1-8号脉工业储量大于1000Kg, 且矿体连续对应性较好。由含金石英脉和硅钾化蚀变岩型矿石组成。1-1号脉:地表出露在1-12线间, 断续长度800米。地表出露最高标高1671米, 工程控制最低标高1213米, 控制最大斜深650米。 (1) 1-1号脉圈出三个工业矿体, 编号1-1-1、1-1-2、及1-3, 其中1-1-1号矿体规模最大, 储量占1号脉群总储量的40.7%。矿体厚度0.12-12.2米, 平均2.38米, 变化系数119%, 属稳定型。矿体最高品位627×10-6, 平均9.91×10-6, 变化系数为191%, 属很不均匀型; (2) 1-8号脉赋存在1-1号脉下盘, 同属一构造系统, 是1-1号脉分支。1-8号脉圈定五个工业矿体, 编号1-8-1、1-8-2、1-8-3、1-8-6、1-8-7, 其中1-8-1、1-8-6是主要矿体。
1.2 项目概况
包括两点内容:第一、项目主要工作要求。利用钻孔和其他地质数据建立矿体三维模型;利用地表测量数据建立数字地形模型 (DTM模型) ;利用坑道和竖井等工程数据建立巷道三维模型;建立品位模型;计算储量并进行储量对比。第二、项目主要的工作内容。主要利用1号脉群钻孔资料进行重新整理, 建立了数据库;在1号脉20~31线范围内的全部钻孔控制矿体重新进行解译、建立地质模型计算了储量。收集整理了现在矿山的主要生产坑道资料, 在软件中生成了三维实体图形。对多年来形成的采空区范围进行了大致确定, 重新练习并成功披覆了地表DTM图像。
2 数据库建立
(1) 数据准备。用MICROMINE进行矿体的圈定和资源量估算, 需要至少三种基本数据。
(2) 文件校验。由原始数据输入MICROMINE系统后, 用软件进行逻辑检查后, 修正错误, 人工再检查, 确保在数据转抄、转换和导入过程中没有错误发生。错误的坐标更正;错误的品位数据更正;能检查出缺失的数据;能检查出数据的不一致性。
(3) 形成组合分析文件。工程定位文件 (钻孔, 探槽, 坑道, 浅井等) ;样品分析文件;岩性文件;其它文件 (地形数据等) 。
(4) 数据库建立。只要为钻孔数据库定义了井口、测斜和区间文件之间的关系, MICROMINE中的钻孔功能就只需要一个数据库, 而不是几个外部文件 (井口、测斜和区间) 了。钻孔轨迹只需生成一次。创建钻孔数据库时, 会自动生成轨迹坐标并保存在数据库中。打开数据库时, 轨迹坐标被放到存储器中。这样提高了任何钻孔功能访问数据库的速度。既然数据库用来保存和管理井口、测斜和区间文件之间的关联, 那么它也可以用来保存相关的元数据和显示设置。
3 三维矿体模型建立
3.1 地质剖面解译
第一、工业指标。 (1) 边界品味:金矿体 (Au≥1.5×10-6) ; (2) 矿床 (区) 最低平均品位 (Au≥3×10-6) ; (3) 最小可采厚度 (最小可采厚度≥0.90米) ; (4) 夹石剔除厚度 (夹石剔除厚度≥2.00米) 。第二、解译过程。根据剖面端点坐标, 剖面视域范围, 由软件自动生成剖面, 在此基础上, 圈定、连接、标注各地质要素 (如地层界线、岩体界线、地层或岩体代号、断层 (带) 界线、矿体界线等) 。矿体边界的连接要根据边界品位设定, 并按照地质矿产行业标准, 沿剖面线进行相应的外推。
3.2 地质模型建立
在MICROMINE的三维视图环境中调入各剖面圈定的多边形地质体界线、矿体界线, 建立三维地质实体或矿体实体。按照剖面或探槽顺序, 连接各多边形, 并按照地质矿产行业标准, 沿矿体走向进行适当的外推, 封闭多边形边界, 形成实体。
3.3 资源储量估算
矿山三维可视化的核心任务是建立地质模型, 并在此基础上选择适当的方法进行资源储量评估。认真校对第一条勘探线剖面, 按照地质规范, 做好剖面解译工作才能在三维环境中正确连接矿体。在利用Micromine软件的距离反比加权法计算资源量时, 结合了近几年矿山生产实际坑道资料, 所以计算结果与原报告值有差值。
东坪金矿矿脉多, 矿体形态复杂, 使用Micromine软件建立了地质模型、DTM模型及开拓系统工程, 能更加真实地反映生产现状, 其模型可以用来指导生产和储量管理。并结合后续地质资料、物化探资料可以进一步用来指导深部找矿。
总之, 在传统的地质现象表达中, 通常是以二维平面图和剖面图来表示地质勘探和矿山生产成果, 这种方式存在着表达信息不充分, 缺乏直观感等特点。Micromine软件能合理地将空间数据和属性数据有效融合, 有利于实现分析成果的空间表达, 能对存储、分析和处理复杂数据结构的信息提供更有效的支持。三维技术在矿山的应用对实现资源储量动态管理和指导矿山生产有重大意义。
参考文献
[1]朱学礼.基于DGSS体系的数字地勘及矿体三维建模技术在新城金矿中的应用[J].黄金科学技术, 2011, 19 (6) :65-68.
[2]龚国清, 刘修国, 倪平泽, 等.三维矿床建模技术在阿舍勒铜矿的应用[J].金属矿山, 2010 (12) :120-122.
[3]杨成杰, 吴冲龙, 张夏林, 等.基于实体与块体混合模型的三维矿体可视化建模技术[J].煤炭学报, 2012, 37 (4) :553-558.
[4]李本军, 刘晓威.矿山地质环境保护与治理恢复方案技术要求探讨[J].中国环境管理干部学院学报, 2011, 21 (4) :22-25.
[5]张洪姣, 王李管.非煤矿山地质资源数字化管理研究[J].金属矿山, 2011 (2) :125-128.
