矿床建模技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.3,矿床构模技术,相关术语理解,数值构模技术,几何构模技术,体视化构模技术,矿床模型：,也称矿化模型，是借助计算机、地质统计学等技术建立的关于矿体的分布、空间形态、构造以及矿山地质属性（如品位、岩性等）的数字化矿化模型，是实现储量计算、计算机辅助采矿设计、计划编制、生产管理以及采矿仿真的基础。,矿山工程：,是一项不断获取数据、分析数据和处理数据的过程，具有工程隐蔽性、地质条件复杂多变性等特点，需要在工程的勘查、设计和施工过程中获取各种各样的数据和信息，并对这些数量大、种类多的数据进行快速处理、及时反馈，从而指导工程施工。,可视化技术在数据处理和信息综合表示方面，具有高效性、直观性等特点，成为在矿山工程中应用的热点。,相关术语理解,数值模型：,包括块段模型、网格模型以及断面模型等，之所以称其为数值模型，是因为研究这些模型的出发点在于使其作为载体，用于地质统计方法中的品位估值。故有人也称它们为地质统计学模型。,具体包括：,块段模型,网格模型,断面模型,数值构模技术,其研究和应用,始于,20,世纪,60,年代初，美国的,Kennecott,铜矿公司首先提出了块段模型。,其实质,是用一系列大小相同的正方体（或长方体）来表示矿体，假定各块段在各方向上都是相互毗邻的，即模型中无间隙。每一块段的品位通过克立格法、距离反比法或其它估值方法确定，并认为其品位为一常数值。,主要用于,描述浸染状金属矿床的空间分布，多用于露天大型矿山。,特点,：形态简单，规律性强，编程容易，特别利于品位和储量的估算。,明显的缺点,：描述矿体形态的能力差，矿体边界误差大，尤其对于复杂矿体的描述，其误差大得有时让人难以接受。,块段模型,要减小块段模型在边界处的误差，必须减小块段尺寸。,但用地质统计学方法估值时，块段大小与信息样品间距有关，一般取最小信息样品间距的,0.5,倍。当样品稀疏时，描述的矿体边界十分粗糙。,为此，,A.H.Axelson,等人在第四届,APCOM,会议上提出了一个可变尺寸三维块段模型，即变块模型。,变块模型：,是指在某一方向上块段的尺寸可变化，构模时，可使模型中部块段尺寸较大，边部块段尺寸较小，从而增加了边界模拟精度。,块段模型变块模型,20,世纪,70,年代，变块模型技术有了新进展，出现了,SEAMSYS,控制数据软件包和,OBMRYZ,咨询系统，允许块段尺寸在一维或多维方向变化，使变块模型更加灵活实用。,20,世纪,80,年代末，英国矿业计算有限公司推出了,DATAMINE,系统核心数据库，该系统特点是可在矿体的各部分随意变换块段大小，能够表示品位的细致变化，可处理较复杂的地质结构。,但为精确模拟边界，必须把边界部分的块段划得更小。但这些小块的估值不一定可靠，且计算机容量有限，故此模型的发展受到一定的限制。,块段模型变块模型,国际计算机协会首创了网格模型。,网格模型,：在矿层面上（或投影面上）划分二维平面网格，网格形态为正方形或矩形，对每一网格进行估值计算，在网格的垂直柱体方向记录矿体厚度。,用于,描述比较平缓的层状矿体，也可构造具有严重褶皱和断层的矿体。,特点,：将三维问题简化成二维问题，提高模型效率。,缺点：,也是边界确定不准，且其适用范围很窄。,发展：,目前该技术已被广泛用于,GIS,的地形数据和地层可视化，且网格形态也得到发展，采用三角形网格。,网格模型,断面模型：,是再现传统手工方法（用一系列平面或剖面图模拟矿床）的矿床构模技术，通过平面图和剖面图上的地质信息描绘矿体形状。,实现方法,有两种：,一是在屏幕上显示出具有钻孔和钻孔信息的断面，然后利用屏幕光标圈定矿岩边界，以人机交互方式确定地质边界；,另一是通过人工或计算机将钻孔断面标绘在图纸上，人工圈定地质边界，然后将最终边界进行数值化。,适用于,急倾斜矿体。,优点,：将三维问题平面化，大大简化模型设计和程序编制，同时在地质描述上，也是最方便、适用性最强的构模技术。,缺点：,对矿床的表达上不完整，对复杂矿体效果不理想，常需要其它构模方法配合使用。,断面模型,以上三种模型只适用于形状简单、开采规模较大的矿体。由于主要用于解决品位估值问题，故在表示地质构造和矿体边界方面存在着明显误差。尤其对于复杂性很大的矿床和开采环境下，误差难以接受。,原因有二：,一是界线的近似性：数值构模法都是采用离散化的块段来模拟矿体，而实际地质过程和开采过程均不形成块段形体，故在复杂地质和开采条件下，必然存在着界线的近似性。,一是与地质统计学的基本原理矛盾：运用该构模方法来模拟复杂矿体时，为提高边界模拟精度，自然想到要减小块段尺寸。而尺寸降到地质统计学中最优尺寸之下时，导致品位估计精度下降，从而造成与地质统计学的基本原理相矛盾。,迫切需要较为精确的构模技术，来模拟矿体空间几何形态。,数值构模技术总结,计算机几何造型技术发展为解决问题提供技术手段。,20,世纪,80,年代末，随着计算机几何造型技术和,CAD,软件系统发展，各种以图形系统为基础的采矿,CAD,软件相继出现，使矿化模型的名称五花八门，有线框模型、边界模型、表面模型、实体模型等。其中有些有区别，有些是同种构模方法的不同称谓。,但有一共同特点，即暂时抛开品位估值问题，首先考虑矿体空间几何形态模拟。,几何模型,主要用点、线、面来,描述矿体空间几何形态，至于品位估值则用数值模型实现。,根据计算机图形学中的定义及分类方法，分为线框模型、表面模型和实体模型三类。,几何构模技术,线框模型：,是将面上的点用线段连接起来，形成一系列多边形，然后将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采边界。,优点：,输出图形是线条图，符合工程图习惯，完全适合于从任何方向得到三视图、透视图的要求。,缺点：,由于该模型用棱边来代表物体的形态，只包含物体的部分信息，故利用它输出剖面图、消隐图以及进行其它一些较深入的图形分析时会遇到障碍。,线框模型,表面模型：,又称曲面建模，在线框模型基础上，增加物体中的面信息，用面的集合来表示物体，即用若干块小曲面（曲面元素）拼接而成，通过建立点、线、面的信息表构模。,优点：,克服线框模型的多个缺点，能满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图等需要，能较精确定义矿体的外部几何形态，三维表示具有一定的严密性和完整性。且需要数据量少，运算时间短，故适合矿体形态的模拟。,缺点：只有物体各个面的信息，物体实心部分存在于表面的那一侧是不明确的，无法计算和分析物体的实体性质，如物体的表面积、体积、重心等，也不能将物体作为一个整体去考察它与其它物体相互关联的性质，如是否相交等。,表面模型,实体建模：,是在表面模型的基础上，增加了实体存在于面的那一侧的信息。,具体做法：,是确定各个面的方向，面的正向为物体内部指向外部的方向。依照右手法则，各线段按逆时针方向排列，大拇指所指方向即为面的正向。,特点,：,易于,实现物体空间结构分析、体积运算、立体显示等，适合于矿体结构分析和经济分析。,根据实体数据模型的不同，分为边界表示法、构造实体几何法、半空间表示法、八叉树表示法等。,实体构模技术已日臻成熟，其中以加拿大,Lynx,系统中提供的三维元件构模技术最具代表性。该构模方法在计算机中以用户熟悉的和真实的地质或开采形体的几何形态为基础，以交互方式模拟生成由地质表面和开采边界面构成的三维形体（称为元件）。元件不仅表示一个形体，也表示封闭的体积及形体中的地质特征的分布。元件的尺寸和形态及其中的详尽程度由用户指定，以符合应用的需要，其精度水平也由用户提供。,实体模型,几何模型,：通过表面信息来描述三维矿体，但不直接涉及矿体内部的物理属性信息（如品位、岩性等）的表示，故难于进行品位的估值计算。,数值模型,：主要用于描述形状简单、开采规模较大的矿体，特别利于品位与储量的计算；其明显的缺点是描述矿体形态的能力差，致使矿体的边界误差大，难于描述产状复杂的矿体。,由此提出一个问题：能否构造一种模型，既能进行矿体空间几何形态的描述，又能进行品位、储量等物理属性的表达？,体视化技术的迅猛发展，将使此问题解决成为可能。,近年来，体视化技术的迅速发展，为矿床模型与开采设计计算机辅助系统的建立，提供了更先进、更有效的手段。,体模型：,利用体视化技术，建立矿床、地质构造和开采设计的矿化模型，不仅能表达矿体的空间几何形态，而且通过体数据所蕴涵的信息，揭示矿体内的结构及属性，展现矿床、地质构造和采矿工程的位置特征、属性特征和空间关系特征。,体模型与实体模型的区别：,实体模型，构模过程中只能用于三维物体表面的几何表示，不能表示物体内部的结构与属性，不能刻画物体的真正结构。,体模型不仅能表达矿体的空间几何形态，还能实现对矿体内部结构与各种属性的显示与描述，解决了传统模型对矿床几何描述和对矿床属性描述的分离问题。,体视化构模技术,3.4,地矿工程三维可视化及虚拟现实技术,体视化技术概述,引言,体视化的基本概念,体数据的类型,处理过程,体视化应用,对体视化技术的研究可追溯到,70,年代初期。当时，射线天文学、地质学和医学成像等领域已开始研究从投影来计算空间数据场的反演方法，生成了一些初级的体数据，但那时还没有提出“体数据”这一术语。,直到,1987,年，,B.H.McCormick,等人根据“科学计算可视化研讨会”会议内容，正式提出了“科学计算可视化”,(Visualization in Scientific Compution,缩写为,ViSC),术语。,根据不同侧重面，“可视化”分成三个分支：,即科学可视化（侧重科学和工程领域数据的可视化）、数据可视化（比科学可视化范畴广，还包括经济、金融、商业等领域中数据的可视化）和信息可视化（网上超文本、图象、文件等抽象信息的可视化）。,体视化是科学可视化中的一个重要分支。,体视化概述,引言,目前体视化技术从概念、原理、方法等得到全面发展，形成了一套完整的体系，已作为一个相对独立的研究领域出现。,体视化是在计算机图形学、图象处理、计算机视觉及人机交互技术等学科的基础上发展起来的。,计算机图形学研究物体的描述方法及从几何描述生成显示图象的方法，其中一些显示技术（如可视性算法、光照模型等）被借鉴过来；,图象处理主要研究从图象到图象的变换，其中图象滤波和变换方法被借鉴过来；,计算机视觉是对图象进行解释，给予每个图象元素一个符号描述，其中分类方法被借鉴过来。,体视化概述,引言,体视化目的,是从复杂的体数据中产生图形，表现物体内部的信息，使人们能够看到通常看不到的物体内部结构，帮助人们分析和理解体数据。,传统计算机图形学与体视化的区别,：,前者只能用于物体表面的几何表示、变换和显示，采用连续的几何模型描述，以边和面等基元来描述物体；,后者用于研究包含物体内部信息的体数据的表示、操作和显示，采用有限的离散采样，以三维基元（体素）来描述整个物体，包含了物体内外的全部信息。,可见，两者的根本差别在于表示模型的不同，由此导致对物体的处理、操作、变换、分析和显示的方法截然不同。,体视化概述,引言,体数据,(Volume Data,Volumetric Data),：,是指对某种物理场（温度场、压力场、流速场、射线传播衰减场等）的离散采样，可以看成是在有限空间中对一种或者多种物理属性的一组离散采样。表示为：是,n,维空间的采样点,(Sample point),的集合，因此也有人把体数据称为数据集（,Dataset,）。,体视化,(Volume Visualization),：,指处理和分析从实验获得的、扫描器测得的或由计算模型合成的等各种来源的体数据，并对这些体数据进行表示、变换、操作和显示的学科。,体素,又称为体元，是组成体数据的最基本单位。通常体素有两种定义：一种将体素定义为中心点在采样点的小长方体，这一长方体内的值是相同的，均为该采样点的采样值；另一种定义是将八个相邻的网格点为顶点的小长方体作为一个体素，这一小长方体内的值是变化的，有人称这种体素为细胞。,体视化概述,基本概念,1