基于GIS的矿山三维地质建模方法

基于GIS的矿山三维地质建模方法

王晓龙李江郭永超

招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿山东招远265414

摘要：目前,随着GIS技术的成熟和其应用领域的不断扩展,在能源、地学、地下工程和环境等领域中专业模型的缺陷也日渐突出。作为数字矿山的一个重要组成部分,三维地质建模不仅可以快速、适时地再现地质体的三维信息,直观地描述地下复杂的地质构造情况,而且对地质分析预测、矿山生产和决策提供了空间数据操作支持以及定性和定量分析的手段。本文论述GIS的矿山三维地质建模,分析数字矿山三维地质建模方法。

关键词：GIS；三维地质建模；数字矿山

随着现代勘探技术的进步,矿区信息化水平的提高,使得矿区三维地质建模与可视化技术成为地学信息研究的热点。三维地质建模是运用计算机技术,在三维环境下,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,并用于地质分析的技术[1],它是随着地球空间信息技术的不断发展而发展起来的,由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科。

一、GIS的矿山三维地质建模

1、采前地质建模。对象是受采动影响下的煤矿三维地质建模问题,其采前地质建模是问题解决的关键。建模的数据主要来源于钻孔数据、勘测数据以及随开拓而不断揭露的地质和工程数据。这些数据包含了空间和非空间、二维和三维的信息,甚至由于误差等原因,部分信息可能是不准确甚至是错误的,这就需要对收集的数据进行结构化处理和重新解释,保证所有数据在空间上的拓扑一致性[1]。(1)数据源。采前地质建模的主要数据源是钻孔数据及相关的勘测数据,如地质图、断面图以及地表和各水平煤层的顶底板等高线等数据,结合矿山地质属性和研究问题的目的,在GIS平台下建立相应的空间及非空间的数据库。(2)数据处理。地质图和断面图首先要标定坐标系,然后数字化处理成GIS可描述的点、线或面实体。该过程既可以从CAD数据转换处理,也可以从纸介质扫描数字化处理。由于GIS中的2维拓扑关系已经比较完善,数据可以在2维关系保证几何一致性的前提下,进一步转化成3维数据。等高线和钻孔数据用于生成真实的地质曲面,即以线和点作为输入插值生成曲面。如果没有等高线,可利用钻孔属性各标志层的位置,结合现有的地质揭露数据插值生成地质曲面。(3)地质空间模型。基于多元、多方法集成的思路,采用了GOCAD和ArcGIS相结合的地质空间建模步骤。ArcGIS提供全部GIS空间数据模型的描述及数据处理的全部空间实体,主要包括和采场有关的地表数据、钻孔、工作面、上下顺槽和运输巷道等;GOCAD作为专业地质建模软件解决GIS不能直接处理的复杂地质结构,主要包括断层、褶皱等特殊地质构造。两者通过中间的数据库Geodatabase的格式,使得空间实体通过属性的修改即可完成空间坐标的修正,最后通过双方都可识别的格式,如ShapeFile或者点坐标数据完成数据的交换。例如,经常遇到的断层数据,通过地质边界、断面图和钻孔数据,在GOCAD完成插值、层面相交的处理,完成断层的三维建模。

2、面向对象的聚合派生法面向对象技术用对象、对象类结构、对象间的通信来描述客观世界,为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径。面向对象的聚合派生法是对象模型的具体应用,可用来构造GIS不可直接描述数据模型。将模型划分为基础模型和应用模型两部分进行表述,其中基础模型由可描述空间模型点、线和三角形三类原型及由其通过循环聚合而成的聚合实体构成,它可以用来描述上覆岩层的层状实体模型;应用模型则是由基础模型通过一些附加条件派生而成,例如增加岩性描述、老顶断裂位置和采动标志等附加属性。

二、数字矿山三维地质建模方法

1、矿山数据获取及分类。地质数据是地球在长期演变过程中经历各种地质作用的记录,各个矿区长期的地质勘探研究工作积累了大量的各类数据和资料,包括地质图、地形地貌图、地区构造体系图、矿产图、岩相图和地质灾害图等及与之相应的地层、古生物、构造、岩性资料等,还包括各种物探、化探、钻探、遥感影像、规划设计和点云数据等资料。地质数据采集和处理设备包括传统测量、电子测量、地质钻探、地震探测、地质雷达、全站仪、三维激光扫描仪、GPS测量以及数字扫描仪和服务器等.地质数据获取方式包括本地和远程服务.对于通过传统设备如电子测量、地质钻探、地震勘探等采集获取到的数据进行矢量化处理,并进行正确分析、理解和判断,确定标志层,依据相应的规则,进行地层对比,完成数值解析工作;对于采用最新设备如三维激光扫描仪、GPS等获取的数据,需要进一步完成去噪、解析和识别等工作。用各种地质手段和方法所获得的原始采样数据和部分指示性数据尽管存在着一定误差,但总体上数据精度较高,可看作硬数据,为确定性数据,如钻孔数据、三维激光扫描仪获取的点云数据、地形测量数据等.而根据已有数据,结合专家经验知识,通过分析、解释、推断、内插和外推所得到的各种解释数据,其精度和可靠性较差,可视作软数据,多为不确定性数据,如地质图、地区构造体系图、物化探数据、剖面数据、遥感数据和属性数据等。在三维建模时,GeoSIS系统提供各种转换接口引擎,兼容来自异构系统的数据,如MapGis或ARCGIS的图层数据、VisualModFlow/GMS/FeFlow地下水模拟软件的数据、GOCAD/3DMAX/AutoCAD的模型等,建立一个异构系统的集成平台.此外,还有其他的一些数据,包括工程数据、原始纹理图像等。

2、复杂地质构模。数字矿山中地质构模的最大瓶颈是采样数据的稀疏,导致矿体尖灭、断层及其尖灭或分叉、褶皱、侵入岩等复杂地质构模十分困难,如何建立复杂地质模型是多种构模方法集成的核心技术问题，复杂地质构模的主要步骤如下。(1)采用各种空间插值方法,结合解析和推演方法,建立地质体的表面模型,精确模拟地质体的空间展布，一个典型矿山部分研究区域获取并经过耦合之后的主要样本数据:钻孔数据和剖面数据,构建矿区断层表面模型;将断层分为尖灭和非尖灭2类情况,通过断距hi的计算公式,可以推导出断层线上任一点pi(xi,yi,zi)(i=1,2,…,n)的上下盘;结合来自其他源的断层数据,再进行局部重构断层表面模型。其中,公式(1)为三角形断层面,公式(2)为椭圆形断层面,H为断层的最大断距,s为断层线上各点连接所得折线的长度。

(2)通过利用SSI布尔运算、曲面合并算法和交互式编辑引擎等,使表面模型无缝连接;同时,进行网格优化,以增强可视化效果,并适应于工程计算的需要，矿区断层网络构建过程中的某2条相交逆断层的处理结果,转换了3个视角便于可视化分析。(3)采用块跟踪技术,实现体元模型的构建,对地质体内部进行单元剖分.现有的体元模型都有其优势和缺陷,一个简单的六面体网格模型,边界形状类似“阶梯”,需要占用大量的存储空间才能提高复杂地质体的刻画精度;一个Pillar模型,它沿着断层及其倾向排列网格,但是难以有效处理“Y”类型的断层;显示一个Faulted模型,能够灵活地描述地质体的几何特征,尤其是断层的空间分布,但是边界网格分裂等方法相对繁杂.体元构模时在实体边界上应尽可能逼近表面模型,它的可靠性直接影响属性模型的精度,关系到矿体品位等储量估算的准确性.在矿山数字化建设中,需要根据矿山数据、矿体特征以及应用目标等具体情况,选择适合的体元模型。

经过研究国内已有大量的研究成果和商业化的系统,但是在矿山现有勘探程度条件下,如何提高三维地质模型和资源模拟精度、准确评价空间信息可信度以及如何指导矿山的开采规划设计工作、提高灾害模拟评价的准确性,为安全生产管理提供科学的决策依据,提高矿山开采效率等,依然是三维地质建模领域需要深入思考和研究的课题。

参考文献：

[1]曾钱帮,何小萍.三维地质建模的数学模型与显示方法[J].工程地质计算机应用,2016,(3).

[2]朱良峰,潘信,吴信才.三维地质建模及可视化系统的设计与开发[J].岩土力学,2015,(5).

[3]李清泉，李德仁．三维空间数据模型集成的概念框架研究［J］．测绘学报，2015，(4)．