基于3DMine小秦岭金矿三维建模研究

摘要：本文基于国内矿业工程软件3DMine，建立小秦岭程村金矿区的三维模型。根据钻孔、探槽、坑道等勘探资料建立地质数据库，采用面模型与体模型相结合的方式建立矿山岩层、矿体、坑道及地表的模型，实现了矿山地表地下三维可视化管理。

关键词：3DMine；三维地质建模；地质信息

中图分类号：O343文献标识码：A 文章编号：

3D modeling study of Xiao Qinling gold mine based on 3DMine

Jiao Xuejun1,2Zhu Jing1,2

(1Henan Engineering Research Center for Information Technology in Geological Prospecting,2Henan General Institute of Surveying and Mapping of Geology,

Henan Zhengzhou 450006 )

Abstract: Based on the domestic mining engineering software 3DMine, establishing XiaoQinLing Mountains ChengCun village gold mine zone 3D model. According to drilling, trenching, tunnels and other exploration data, establishing geological database, using the surface model and solid model of combination built mine rock, ore, tunnel and surface model, realization of the mine ground three-dimensional visualization management.

Keyword: 3DMine; 3D geology modeling; geology information

0引言

传统地质信息的表达方式主要有两种[1]，一种是采用平面图和剖面图来表达，将三维地质环境中的地质现象投影到某一平面（XY平面、XZ平面或YZ平面）上进行表达；另一种是采用透视和轴测投影原理，对三维地质环境中的地质现象进行透视制图，或是将它们投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强三维视觉效果，提高人们对目标体的三维理解。这两种方式都存在着空间信息的损失和失真问题，而且制图过程繁杂，信息更新困难。三维地质建模针对这些存在的缺陷，借助于计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体和地质环境。

三维地质建模[2]，是运用计算机技术，在三维环境中，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质分析的技术。

本次研究利用的三维地质建模软件是3DMine，3DMine广泛应用于地质、测量、采矿和生产管理等方面，实现了二维和三维界面技术的完美整合[3,4]。本研究借助3DMine实现矿体、岩层、巷道等多种地下地质元素建模，为三维地质信息化提供数据基础。

1 矿区地质概况

本研究的示范矿区位于小秦岭北坡。行政区划上隶属于灵宝市程村乡管辖，有村级公路相连，至灵宝城区41km，有柏油公路相通，灵宝市向西至西安，向东至洛阳，有铁路、公路及高速公路相通，交通便利。（见交通位置图1）。

图1 交通位置图

2 矿山建模技术路线

为了有效的利用与管理地质矿产资料，本次研究提出三维重构方法，本项目的技术路线如下：

（1）确立三维矿山建模方法流程

将国内外三维GIS和三维地质模型的长期研究成果进行归纳、分析和总结，将其从理论上系统化，并根据我省西部矿山特征及矿山勘查管理的需求，本项目决定采取线框模型与3D栅格模型相结合的建模方式构建地层模型、矿体模型及坑道模型，为实现矿山的三维可视化做好技术准备。

（2）选择示范区，对现有成果与资料进行归纳分类，建立矿山资源数据库

选择典型示范区，搜集矿山数据资料，包括钻孔数据、坑道数据、探槽数据、地质地形数据、区域地质数据、地质勘探剖面数据，对这些数据进行分类整理，构建以原始地质资料和勘探成果数据为核心内容的矿山资源数据库，为三维矿山建模做好基础数据准备。

（3）建立三维矿山模型库

选择三维矿山建模软件，采取选定的三维建模方法，对示范矿山进行地表、地层、矿体、坑道的建模，为实现三维矿山可视化建立模型库。

（3）开发三维矿山管理系统

基于三维信息管理平台，建立示范矿山的三维矿山管理系统，实现三维矿山的可视化，并实现矿山三维漫游、三维量测、剖面分析、实体与块体分析等功能。

3 地质数据库的建立

搜集了示范矿区相关资料，包括区域地质图1幅（图2）、地形地质图1幅、勘探线剖面图8幅（图3）、钻孔柱资料14幅、坑道素描图4幅（图4）、探槽素描图21幅（图5），遥感影像图1幅。

图2 区域地质图图3 勘探线剖面图

图4 坑道素描图 图5 探槽素描图

4 三维模型的构建

基于剖面的矿山三维重构是利用剖面上大量的点、线信息表达各个层面，进而来构建三维地质体的建模方法。剖面上的点、线信息属于某特定地层、断层、矿体边界[5]。此方法的建模步骤（图6）总体上分为三部分：剖面信息预处理、空间知识库的建立、矿山三维重构。

图6建模步骤

按照上述工作流程，在已有研究成果的基础上，本项目要进行以下几方面的工作：①对现有剖面到三维空间剖面转换方法进行改进，进行剖面误差评价。②对钻孔、坑道、探槽数据处理入库，并进行误差校正，提取各个地层的顶底板坐标，进行距离幂次网格加密，由三维网格点生成DTM，提取DTM边界。③对剖面与DTM边界进行空间不一致性探测与处理。④三维模型库建立与矿山三维重构。

矿山三维模型构建过程：

基础数据资料整理

选择标准的空间参考，对搜集到的地质数据资料进行坐标变化与属性整合，建立统一于中央经线为111度的3度带高斯-克吕格投影系的地质数据库（图7）。

图7基础数据资料

勘探线剖面生成

选择钻孔的开口、探槽壁等空间位置点，对勘探线平面图进行坐标转化，生成三维立体剖面线，为矿体生成提供数据基础（图8）。

图8 生成勘探线剖面

根据剖面生成矿体模型

图9 根据剖面生成矿体模型

对生成的三维剖面线进行三角片线间与线内连接，生成三维矿体模型（图9 ）。

利用顶底板面连三角网，生成岩层实体

图10 生成岩层实体

利用钻孔数据库提取各岩层顶、底板坐标，并对其进行网格加密，然后生成各岩层顶、底板，提取边线，最后连接生成各个岩层模型实体[6]（图10）。

5 块体模型与品位计算

3DMine软件引入块体模型概念是在空间上，在一定的范围内，确定一定尺寸的空间块体，相对应的块体都有一个质心点，在质心点上可以存储所有属性；同时，引进次级模块的概念，保证矿体边缘的块体尽可能地与矿体界线（曲面）相一致，从而得到准确的报告值。与地质统计学相结合，是应用数学方法对品位分布进行估值，是块体模型的重要特点之一。由于品位分布是在资源中受地质因素控制而明显存在的，从而形成一定约束条件下的品位模型。 在资源储量估算中，利用块体模型可以准确地进行资源量和品级报告。

距离幂次反比法[7]的一般步骤为：

1.以被估单元块中心为圆心、以影响半径R做圆，确定影响范围（三维状态下，圆变为球）；

2.计算落入影响范围内每一样品与被估单元块中心的距离；

3.利用下式计算单元块的品位Xb ：

（公式1）

其中，xi为落入影响范围的第i个样品的品位；di为第i个样品到单元块中心的距离。

本次实验的原始报告中矿体体重为1405.60kg，其中，（332）矿石量13.61×104t，金金属量386.17kg；（333）矿石量31.73×104t，金金属量1019.43kg。

通过矿体模型计算得到金金属量为1600 kg，误差在12%左右（图11）。

图11 矿体品味

6 结论

1）通过研究与示范区实践，掌握了地质元素的建模方法与流程，即采用钻孔数据为主的地质数据，建立以三角片为基础的面状模型与四面体为基础的体模型相结合的方法来体现地质体的外观形状与内在属性信息；

2）通过矿区、岩层、矿体、巷道的三维地质建模，实现了三维地质可视化，并对地质勘探与采矿起到一定的指导作用。

参考文献：

[1] 吴立新,史文中.Christopher Gold.3D GIS与3D GMS中的空间构模技术[J].地理与地理信息科学,2003,19(1):5-11.

[2] 王明华.工程岩体三维地质建模与可视化研究[A].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,2003.

[3] 孙璐,戴晓江.建立矿山三维模型中3DMine矿业软件的应用[J].中国非金属矿工业导刊,2011,87(1):60-61.

[4] 刘云,盖俊鹏,刘颖.利用3DMine软件建立矿山地质三维模型[J].矿业工程,2009,7(5):58-59.

[5] 陈爱民.基于剖面的矿山三维重构方法研究[D].长沙:中南大学,2008(5),40-43.

[6] 陈爱民,汤仲安,李光强等.基于钻孔数据的矿山三维建模[J].测绘工程,2009(4),18(2):19-21.

[7] 叶海旺,王荣,韩亚民等.基于3Dmine的鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区三维建模[J].金属矿山,2011:89-92.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。