矿山gis三维，矿业三维软件

实习十一(三) 资源量估算与矿体三维建模系统

一、基本要求

(1)了解资源量估算与矿体三维建模系统在地质矿产资源/储量中的功能和应用范围。

(2)了解资源量估算与矿体三维建模系统在地质矿产资源/储量的基本操作步骤和方法。

(3)了解资源量估算与矿体三维建模系统在断面法和地质块段法资源/储量估算的基本操作步骤和方法。

二、软件系统的简介

(1)该系统是基于国产地理信息系统软件平台MapGIS，综合了传统矿产资源储量估算方法、地质统计学的克里格法与3D建模技术，研究开发的具有自主知识产权、面向矿山以及固体矿产勘查项目的资源储量估算系统。

(2)该系统实现了从矿产资源勘查野外数据采集、数据管理、矿体圈定、地质建模、品位和资源储量估算全过程的数字化，实现了相关图表的生成自动化。

(3)系统实现的断面法和地质块段法，综合考虑了我国矿产资源储量估算的实际情况，与手工方法相比，减少了误差，提高了工作效率。

(4)在地质统计学资源储量估算方法方面，系统实现了普通克里格、泛克里格、指示克里格等方法，流程清晰、界面简洁、易于使用。

(5)系统实现的3D可视化矿体模型，建模功能全面、操作快捷。生成的模型充分展示了矿体空间形态和地质构造特征。

(6)系统已在全国多个试点矿区完成了资源储量试算工作。通过对比，结果可靠。

(7)进入系统:在MEMapGIS系统下，对某矿区的工程数据和分析结果进行编录和处理后可直接进入系统。

(8)具有数据组织模式及矿区平面图显示:工程数据组织，刷新矿区平面图，选择矿区平面图。

(9)具有数据检查及数据处理功能:检查勘探线基本信息、测量点信息、工程基本信息、样品及分层信息等;对取样分析表、成图颜色、折算及剖面元素进行预处理。

(10)实现勘探线剖面生成及分析:设定工业指标，生成勘探剖面及虚拟勘探线处理，单工程矿体圈定，剖面分析。

(11)实现资源/储量估算:地质块段法、剖面法、等高线法、等值线法、地质统计学法(克里格法、距离反比法等)，实现三维可视图效果。

(12)估算结果输出:估算图、表及报告生成和输出。

三、基本操作步骤

1.选择工作矿区

(1)通过行政区选择矿区。①首先，打开【固体矿产勘查储量估算子系统】，单击菜单中的【选择矿区图】;②选择省名;③单击【选择区域】，弹出矿区总表;④点击【确定】，返回矿区总表界面，【确定】后，进入选择的矿区。

(2)通过国际分幅形式选择矿区。①首先，打开【固体矿产勘查储量估算子系统】，单击菜单中的【选择工作矿区】下某种比例尺，如:【1/100000图幅选择】;②选择图幅名称;③按【确定】，进入该矿区;

(3)通过自定义任意比例尺接图表选择矿区。在MEMapGIS系统中，提供了自制任意比例尺的接图表，然后生成该接图表下的图幅矿区，在本系统中，可以选择这些图幅，然后进入该图幅下的矿区。

(4)进入另外矿区。用户可以关闭当前的工作矿区，然后重新选择某个工作矿区。

(5)进入最近矿区。用户可以直接进入最近操作的矿区。

(6)数据组织模式及矿区平面图显示。矿区平面图是使用户能够对整个矿区的勘探线及勘探工程有所全局了解的图件，该平面示意图是在基础数据视图中显示。通过该图件，将数据库中的勘探线及勘探工程信息按照水平投影的方式投至系统屏幕上，用户能够清晰地了解到勘探线的走向，及勘探工程的分布情况。基础数据的组织是按照勘探线方式组织的，如果未加入勘探线的工程，则将数据放在EngPool目录或虚拟勘探下。

2.数据检查

进入某个矿区后，利用数据检查工具可以在一定范围内有效检查用户在编录过程中输入的不合理数据。在开始所有的操作之前，应先用数据检查工具将所有的数据检查一遍，以避免在以后的操作中由于数据的不合理导致需要重新操作的问题，可以大大减少错误发生。检查方式可以是逐条勘探线检查，也可以全部勘探线一次检查。

(1)检查数据是否越界。边界值为图幅边界，勘探工程和勘探线都不能超出此边界，否则会报错。数据越界检查包括:勘探线基本信息、勘探线测量点、勘探工程基本信息、勘探工程测量点信息、勘探工程采样信息、勘探工程岩性信息检查。

(2)检查数据完整性。①勘探线基本信息表检查;②勘探线测量点信息表检查;③勘探工程基本信息检查;④勘探工程测量点信息检查;⑤样品分析信息检查;⑥分层岩性信息检查。

3.数据预处理

数据预处理模块主要完成原始样品表导出，当量折算数据更新、成图矿体颜色配置和注记更新、矿区矿体信息设置等功能(图11-4)。

图11-4 数据预处理对话框

(1)原始取样分析表导出。将原始取样分析表导出为EXCEL格式表格;单击【基础视图】，点击【固体矿产方案管理】→【数据预处理】→【导出取样分析表】。

(2)配置矿体成图颜色。设定矿体在剖面图上的成图颜色;单击【基础视图】，点击【固体矿产方案管理】→【数据预处理】→【矿石类型颜色配置】;弹出配置对话框，配置每个类型矿石在剖面上的成图颜色。双击【颜色框】修改颜色配置。

(3)更新折算元素。在圈定方案中，为了综合考虑矿石的价值，会设定一些当量折算元素用于圈定矿体，当原始元素值改变或增加后需要对原有的当量折算元素进行重新更新。

操作步骤:单击【基础视图】→【固体矿产方案管理】→【数据预处理】→【折算更新】。

(4)修改剖面元素标注。在勘探剖面图件输出时，根据不同的要求需要在矿体上标注不同元素的品位值，修改剖面元素标注功能可以设定矿体品位标注。

操作步骤:单击【基础视图】→【固体矿产方案管理】→【数据预处理】→【编辑/修改圈定显示元素】。

4.工业指标设置

矿产工业要求，具体体现为矿产工业指标(简称工业指标)，它是在当前技术经济条件下，矿产工业部门根据矿产资源供需情况，对矿产质量和开采条件所提出的要求。主要用于矿体圈定、划分矿石类型、品级和计算储量，是评价矿产工业指标的主要依据。矿产开发的不同阶段所采用的工业要求或工业指标的内容不尽相同。

(1)控制参数。有边界品位、最低工业品位、边际品位、最小可采厚度、夹石剔除厚度、特高品位下限值、矿体倾向和倾角、表外矿最小厚度、穿鞋戴帽(鞋/帽厚度、鞋/帽最多样品个数、鞋帽最低品位)、表外矿圈入方式、与表内矿混圈(夹石剔除品位按夹石品位)、表内矿中表外矿的厚度大于表外矿最小厚度单独圈出(夹石剔除品位按边界品位)。

如果用上述方法圈出的表内矿中，出现连续边界样品和夹石的品位大于边界品位而小于最低工业品位，且夹石厚度小于夹石剔除厚度，需要单独作为表内矿圈出。这时，夹石的定义为品位小于最低工业品位的样品。

(2)新建圈定方案

1)简单圈定方案设定。简单方案设定适用于矿产勘查普查和预查阶段资源量估算圈矿指标的设定。在【基础视图】标签中，选择菜单【固体矿产方案管理】→【简单圈定方案设定】，弹出【工业参数设置】对话框(图11-5)。

2)复杂圈定条件设定。复杂圈定条件设定适用于详查、勘探阶段，矿区地质和矿床研究程度比较高时的工业指标的设定。由于在详查或勘探阶段矿区使用的圈定指标涉及的条件较多，例如需要在圈定矿体的同时划分出矿石类型及工业品级、针对不同的矿石类型或矿石品位设置不同开采指标等，系统通过圈定指标向导来引导矿区工作人员完成这一系列圈定指标的设置。①新建方案。在【基础视图】标签中，选择菜单【固体矿产方案管理】→【复杂圈定方案设定】，弹出【新建方案】对话框(图11-6)，在该界面中设置:方案名，圈矿时的预赋产状，指标类型，成图比例尺，设置圈定时是否进行矿石品级划分，勘探深度和开采方式，录入当量折算元素。②工业指标设置。在设置完【新建方案】对话框之后点击【下一步】进入【工业指标设置】对话框，根据【新建方案】中不同的设置，工业指标设置对话框会弹出不同的对话框进行工业指标设置。具体包括以下3种情况:Ⅰ.单指标圈定模式;Ⅱ.双指标圈定模式;Ⅲ.划分工业品级圈定模式;Ⅳ.勘探深度约束设置。如果在【新建方案】中选中了【深度约束】选项，在设置完【工业指标设置】窗口之后将进行勘探深度约束设置;设置露天开采和坑采时的不同开采指标，同时设置开采深度段。设置完之后点击【完成】，结束方案设置(注:如果设置了露采，坑采的深度，单工程矿体圈定时，露采或坑采的高程范围会统一使用该界面中设置的开采指标)。

图11-5 简单圈定方案设置———工业参数设置对话框

图11-6 圈定指标向导

(3)选择圈定方案。在本系统中，每次进行矿体储量计算都是按方案来进行存储的，而方案的选择和设定就是在单工程圈定的时候进行的，每套方案对应一组圈定参数，圈定参数的不同都会使以后的操作产生不同的结果，因此，设定方案和对每套方案进行参数设置是相当重要的。用户可以选择某个已存在的方案作为当前方案。菜单【固体矿产方案管理】→【选择圈定方案】，选择某方案，点击【将选择的方案作为当前方案】(图11-7)。

图11-7 选择圈定方案

5.生成勘探线剖面

(1)显示勘探线剖面。如果该勘探线剖面已经生成过，只需要进行显示，如选择【0号勘探线】，系统自动进入剖面视图生成的剖面图。

(2)重新生成勘探剖面。如果该勘探线的剖面还未生成或者希望改变现有剖面的比例尺设置，则选择【重新生成剖面】，此时会弹出比例尺选择对话框，需要进行比例尺的选择，目前本系统支持3种比例尺:1∶1000，1∶2000和1∶5000。系统自动生成的剖面包括图名、剖面地形线、槽井坑钻工程，同时自动填充钻孔的岩石花纹等信息。

6.单工程矿体圈定

单工程矿体圈定的目的是为了充分展示矿体的连续性，为在勘探线剖面上进行矿体连接做准备工作。单工程矿体圈定是根据矿床工业指标，包括边界品位、最低可采厚度、夹石容许厚度等参数进行单勘查工程中矿体的圈定和处理。系统根据给定的工业指标(单指标、双指标)控制参数，对单个工程进行矿体圈定;对双指标(穿鞋戴帽)圈定，可根据控制参数调整矿体边界“穿鞋戴帽”的厚度，并对特高品位进行处理。由程序自动进行单工程矿体圈定，难于满足矿区的特殊要求，特别是在剖面图上进行矿体连接后，从矿体整体来考虑，需要修改部分单工程矿体的边界，因此拟采用人-机交互方式来对单工程圈定结果进行修改，并实时在屏幕上显示修改结果，直至满足地质人员的要求为止。单工程矿体圈定的结果可用报表输出。步骤包括:①按当前指标圈定;②显示圈定结果;③修改圈定结果;④删除圈定结果;⑤圈定结果的外延;⑥确定夹石标识;⑦输入圈定结果矿体编号及产状;⑧修改矿石品级;⑨单工程圈定结果输出。

7.剖面分析

(1)剖面单工程圈定结果图显示。如果在勘探剖面上新增了工程，需要重新生成剖面底图，重新生成之后，如果成图方式、比例尺和原来的剖面底图一致，则可以将圈定的结果直接显示出来，可以在此基础上进行下一步工作。

(2)空间与属性交互式矿体连接。系统提供了方便的人机交互矿体连接规则，进行剖面上矿体边界线的确定，并自动计算矿体在勘探线剖面图上的面积与品位。①工程间矿体面积连接。选择菜单【矿体连接类型设置与连接】，弹出【连接设置对话框】(图11-8)，选择连接类型为【矿体】，连接方式为【矿体间连接】，确定后，点击相邻两个工程上要进行连接的圈定结果(矿段)，即可自动连接，连接后，显示连接面积和相关品位。②矿体外推。用户通过矿体连接设置对话框的选择，能够方便地在剖面图上进行矿体的尖推、平推，包括任意长度的鼠标指定尖灭点，规定工程间的比例的终止点，或者规定任意长度的外推终止点(系统允许设定外推的距离为某一设定的长度并允许设定角度;平推方式时，提供连接到地表的处理功能)。

图11-8 矿体连接类型设置与连接

(3)夹石的尖灭。生成夹石面积与矿体的连接相同。不过必须在矿体连接面积的基础上才能生成夹石面积。

(4)输入矿体编号。选择菜单，则右端会出现矿体编号设置列表框，鼠标在剖面图上点击某个矿体面积，矿体变化列表注明该面积号;选择某面积号，则剖面图上闪烁该矿体面积，通过双击列表框方式，可以输入矿体编号。对于面积很多的情况下，可以通过快捷方式输入矿体号。状态下拉框，选择【刷新】，出现矿体号，选择需要的矿体号，点击剖面上的某个面积，则该面积自动赋上所选择的矿体号。

(5)更新矿体真实厚度。矿体产状是计算矿体厚度重要指标，【根据产状更新圈定结果】提供了矿体产状统一录入，并更新矿体真厚度的功能。菜单操作———矿体产状编辑:①双击输入矿体倾向;②双击输入矿体倾角，圈定结果矿体产状更新;③“给没有产状的圈定结果赋产状”，表示如果原有的圈定结果中已赋了矿体产状，那么统一更新的时候只更新没有赋产状的部分圈定结果;④“统一赋产状”，表示将依据矿体编号统一更新圈定结果中的矿体产状信息。

(6)矿体连接面积输出。可以输出所有剖面的矿体连接面积，也可以输出某个剖面的矿体连接面积。

(7)勘探线剖面图件制作。①统改系统颜色;②图框设置;③责任表的设置;④样品品位表的生成;⑤图件输出(选择【工程输出】→【工程输出窗口】→【文件】→【设置参数】，弹出【设置】对话框，按要求设置后，点击【确定】)。

(8)矿体连接面积输出。

8.地质块段法储量估算

在剖面视图上，用户已将矿体名称输入到每一个连接面积上，而此过程中系统自动将矿体名称回填到了单工程圈定结果上，据此，根据地质块段法的原理，系统具备了产生“若干个不同厚度的理想板块体”的条件。据此，系统通过数据库中的信息，根据投影方式，将整个矿区的带有相同矿体号的见矿工程投影到水平面或垂直面上。通过鼠标勾线的方式，将一个矿体划分为若干个块段，系统自动计算出各个块段的储量。

(1)生成矿体投影图。进入【块段投影图】→【投影】→【传统地质块段法】，此时会弹出矿体选择对话框，选择要投影的矿体编号，输入该矿体的倾向、倾角、比例尺等信息，点击【确定】。

*如果该矿体该比例尺的投影图已经生成过，系统会自动提示工程已存在，可以选择【直接显示】;

*如果矿体的倾角小于等于45°，可以选择生成矿体的水平投影图;

*如果矿体的倾角大于45°，可以选择生成矿体的垂直纵投影图。

对于探矿工程的水平投影图，考虑到实际工作，用户可以选择【将工程投影到勘探线上面】，也可以选择按实际空间位置投影①(图11-9)。针对不同的储量计算要求，可以同时投影剖面矿体尖灭点到矿体投影图上②。

块段平均品位的计算可以采用加权平均和算术平均方式。

如果选择水平投影，则直接进入矿体投影图;如果选择垂直纵投影，进入垂直纵投影的基线确定视图，这时视图上显示的是矿区平面图;单击【绘制基线】，在平面图中，在垂直于勘探线方向绘制一条基线，确定纵投影的投影基线的起点和终点，单击【确认】，系统自动生成矿体的垂直纵投影图。

对于垂直纵投影，可以通过直接输入矿体的方位角来生成矿体垂直纵投影图，这种情况则不需要进行基线的确定。

图11-9 设置投影图成图要素及成图方式

(2)地表高程线处理。在矿体垂直纵投影图中，提供对地表高程线的操作。

操作步骤包括:①导入地表高程线;②添加地表高程线;③矿体投影点处理。

系统提供矿体投影点的增加、删除功能，用于控制处理采空区(天窗)的边界。在已经生成的块段投影图上单击右键，弹出右键菜单，选择添加投影点，弹出对话框，选择该投影点属于那条勘探线。①工程间约束生成投影点:右键菜单→【投影点操作】→【带控制添加点】，或点击菜单【操作】→【带控制添加投影点】，设置尖灭比例，尖灭类型为【工程—工程】;点击外推工程，再点击约束工程，生成外推投影点。②工程与勘探线间约束生成投影点:右键菜单→【投影点操作】→【带控制添加点】，或点击菜单【操作】→【带控制添加投影点】，设置尖灭比例，尖灭类型为【工程—勘探线】;点击【外推工程】，再点击【约束勘探线】，生成外推投影点。③勘探线间约束生成投影点:右键菜单→【投影点操作】→【带控制添加点】，或点击菜单【操作】→【带控制添加投影点】，设置尖灭比例，尖灭类型为【勘探线—勘探线】;点击两条约束勘探线生成约束比例线，在约束比例线上点击生成投影点。

(3)勾画矿体边界。在已经生成的块段投影图上单击右键，弹出右键菜单，选择【勾画矿体边界】，即可依次选择矿体的边界点(红色圆点)来勾画矿体边界，在矿体的两端勘探线处，需要对矿体边界进行外推，系统提供的方式有根据矿区勘探线间距的1/2、1/3和1/43种外推距离。

在矿体边界处，对于水平投影，分别单击数字“2”、“3”、“4”键;对于垂直纵投影，分别单击［F2］、［F3］、［F4］键，此时会显示两条分别距离边界勘探线1/2、1/3和1/4勘探线距离的3条直线。

(4)划分矿体块段。右键菜单→【块段划分】，提供在矿体投影图的任意位置进行块段划分功能，单击图上某个位置并按［F8］键增加新的控制点或单击【见矿工程】来确定块段边界。右键点击结束(若要该块段形成封闭界线，则按住［Ctrl］键不放，然后右键点击【结束】)。在块段内的所有工程都参与品位和储量计算。

(5)计算块段储量。在计算块段储量之前，可以通过块段注记模板选择某个注记方式。单击右键菜单上【块段储量计算】后，左键点击要计算的块段，即弹出【输入块段信息】对话框，根据对话框上的提示输入相应信息后，单击【确定】，即在块段上显示其对应的储量情况。

(6)储量估算结果输出。图件输出，块段储量计算表输出。

9.断面法及其他

系统可进行剖面法储量估算，图表分析，地质统计学法储量计算等，并可对矿体进行三维可视化显示。

三维数字矿山建模技术示范

以国内外现有成熟地质体三维建模软件为平台，结合3S技术、数学地质、虚拟现实技术，建立各种三维地质模型、工程模型，并形成结合多种技术的三维地质体建模方法体系和矿山多类型数据的综合分析流程，形成数字矿山可视化-数据管理一体化三维建模技术示范研究，为我国找矿勘探工作提供一套便于推广的数字矿山三维建模技术方法体系。三维数字矿山建模在云南个旧和四川拉拉铜矿进行了示范。

云南个旧数字矿山建设情况将结合建设的整个技术流程，包括基础数据的收集和预处理、各种实体模型的建立、集成与系统功能研发等方面。

(一)数据收集与预处理

数字矿山仿真系统的构建以整个矿山为对象，具有范围大、数据量大等特点。在确定了研究区的区域范围、地理位置、仿真类型、效果要求以及实现平台的基础上，收集了研究区矿山相关的地上、地下、地理、地质等的数据资料，并对基础图件和数据进行了矢量化、空间校正等预处理，为基于GIS及三维建模软件分别建立矿山地上地下真三维实体模型奠定基础。

收集了个旧东区30m分辨率的DEM数据和0.5m分辨率的WorldView2遥感影像，并进行了投影转换、校正、融合等处理。针对地质体建模全面系统的收集了个旧高松矿田的矿区构造地质图(局部中段地质图)、工程分布图、坑道平面图、地质勘探线剖面图、钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等。通过数码相机采集真实的图片素材作为纹理数据，并利用图像处理软件进行校正、匹配，转换等处理。利用激光高度计获取地表建筑长宽高尺寸数据。

(二)三维实体建模

本系统在对各种建模算法适用于不同实体的建模进行研究分析的基础上，针对地形地貌、地质体、井巷工程、二维资料以及地物景观等进行了相关建模方法的研究。

1.地形建模

地形实体模型可以真实地反映地表地形地貌的情况，本研究利用数字高程数据(DEM)和遥感影像数据，基于Grid形式表达，对地表进行了建模，很好地反映出了矿区的总体地表情况(图4-27)。

图4-27 个旧东区三维地形模型图

2.地质体建模

三维地质建模包括地层实体模型、构造实体模型、已知矿体实体模型和岩体实体模型等。地层实体模型可以直观地显示研究区内的区域成矿地质背景，清楚的表达矿区地层与矿体的空间位置关系及矿体主要的集中层位；通过构造实体模型可以清楚地掌握断层与矿体的位置关系及断层对矿体开采的影响，直观地显示和更好地揭示出区域不同类型的断裂的形态趋势和属性特征，对于把握整个研究区的构造格局具有重要作用；构建矿体模型能准确掌握矿体的几何空间形态与位置，且为品位估值奠定基础；岩体一般被认为是在成矿期为成矿作用提供成矿物质、成矿热液和热源的证据，建立岩体实体模型对于矿体位置有较大的指示作用。图4-28为地质体建模的技术流程图。

根据收集的工作区的地质图、中段平面图、工程部署图、实测勘探线剖面、大中比例尺地质平面图以及图切剖面图等，进行三维空间校正后，提取出地层、矿体、岩体、断层等地质体的轮廓线，并对各勘探线剖面进行连接、平滑，最终基于轮廓线重构面技术形成三维实体模型。对于岩体实体模型一般可以通过钻孔的岩性资料进行推断，或者根据岩体等深线资料插值生成。本书研究区范围内地表无岩浆岩出露，但在深部有隐伏花岗岩体分布，岩体模型主要根据收集到的岩体等深线插值生成岩体实体模型。为使三维数字模型能够更加明显地展示出该区各地质体的特点，在Z轴方向上对模型进行了适当的拉伸，这样的处理对研究区实体模型展示及预测分析工作十分有利。

图4-28 地质体建模的技术流程图

3.井巷工程建模

坑道实体模型的建立有助于地质工作者一目了然地看出矿区内坑道工程的实际部署，并且在三维空间工程里可以与其他三维实体模型相叠加，可以更好地了解矿区内矿体的勘探情况和其他的地质条件，为下一步工程勘探部署建议提供重要参考资料。

本书研究主要采用顶板中心线加巷道断面法建立巷道模型，从实测中段平面图提取巷道，进行格式转换，投影、配准、数字化等操作，作为巷道建模的中心线。为实现快速模型构建，我们对巷道分三级处理，将巷道适当的抽象为不同的对象实体。对巷道内部以及采矿和运矿系统进行了建模方法研究，为地下可以进入巷道以及对采矿运矿等知识的科普提供三维模型。

4.二维、三维一体化

与矿山研究与管理相关的其他资料包括地质图、物探和化探异常信息以及行政区划图、资源规划图等，包含大量的有用信息，但多以二维平面图件表达，因此，在建立的三维空间模型中有效的集成这些传统的二维的地、物、化、遥信息是很有必要的。本书探究了将长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机融合的方法，实现二维信息三维模型一体化集成与表达，为综合研究提供一个有机的辅助平台。如基于准确地理坐标，以地质图叠加DEM高程数据，建立了矿区的地质地形模型，以物探图件、化探图件，叠加DEM高程数据，基于Grid表达，建立矿区的物化探图件模型。以勘探线剖面、化探剖面、化探剖面，基于三维空间关系恢复的三维校正与立剖面，建立了勘探线剖面与中断平面关系模型、物探剖面模型和化探剖面模型等。

其他二维地学数据如钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等表数据可以以数据库的方式实现一体化集成。对于相机采集的真实图片素材、激光高度计获取建筑物的高度数据、钻探原始地质编录资料以及相关的图片、视频、动画等结构化与非结构化数据选择相应的存储与建模方式，为实现最终的一体化集成做准备。

5.地物建模

地表建筑物的建模主要采用多边形建模方法，根据遥感数据或建筑底图，建立相应的楼体拉伸多边形，再采用处理好的图片做成纹理贴图。进行建模时要平衡速度和质量的关系，尽量将模型简化，可以采用贴图技术表现模型上的细节。对于主要建筑进行了楼内布局和设备的建模方法研究，实现了地上进楼。

(三)系统的集成与功能研发

通过上述步骤完成的各类实体模型是相对独立的，尚未实现真正意义上的联系，需在此基础上，进行模型的集成与信息系统的开发。系统集成主要是根据用户的需要设计友好的操作界面、预先设计导览路径、创建交互操作功能等。

1.系统结构

三维数字矿山系统结构(图4-29)。系统主要通过虚拟现实软件VRP实现系统的集成和开发，切制剖面等部分功能在Visual Studio2008环境下用C++语言结合DirectX图形库开发实现。三维矿山系统实现系统导览、集成管理、信息查询、综合分析及切制剖面等功能，图形用户界面友好。

图4-29 数字矿山系统结构图

2.界面设计

在保证基本的软件功能实现的同时，系统为用户提供简洁、大方、美观、友好的程序界面，通过各命令按钮方便用户的控制操作，系统界面设计如图4-30所示，主要通过对话框组织各类功能命令。

图4-30 系统界面、菜单、控制面板设计图

3.功能设计

三维数字矿山系统的功能(图4-31)，主要包括系统导览、集成管理、信息查询、综合分析和切制地质剖面等5个模块。

图4-31 数字矿山系统功能图

(1)系统导览：系统导览功能主要包括对地表地形及对地下地质体模型的浏览。系统通过创建相机和设计路径，可以浏览矿山虚拟场景，实现对地上地表地形的浏览以及地下地质体的动态固定路径浏览以及任意交互漫游浏览。

(2)集成管理：地学研究根据研究对象和特点分为不同的学科，从而使各个领域具体且深入，同时，地学研究需要各个学科的成果交融，从不同角度综合反映，提高整体认识水平。然而，随着研究的深入和高新技术的发展，不同学科成果内容和形式各异、数据格式类型不兼容，导致地学数据孤立分散等问题越来越突出，不利于地学的综合研究发展。对此，研究实现了传统的二维数据资料与建立的三维实体模型的集成管理、同步显示和操作，为矿产资源预测研究提供一个基础平台。

如图4-32为系统数据集成管理界面，通过下拉列表的形式对各二维资料和三维模型进行集成与组织管理。另外，系统设计的“分区式”数字矿山建设集成组合方案，可以按照矿区(矿段)与矿山(矿田)分片、分期进行数字矿山建设，便于矿山生产与管理，将不同区域范围的矿区(矿段)与矿山(矿田)，不同阶段形成的研究成果一体化集成，为矿区的生产、管理提供服务。

图4-32 系统数据集成管理界面图

(3)信息查询：数据信息查询是数字化矿山系统的重要组成部分，需要对已有收集到的研究区的地层岩性信息等数据建立地质基础属性数据库，并加入了矿区实拍照片图件，实现了地层信息属性查询及实拍照片的热链接功能。系统通过使用ADO数据库接口，使三维虚拟场景的对象与地质属性数据库建立联系，实现了属性信息的查询。个旧高松数字矿山系统主要实现了地层信息查询和实拍图片信息查询。如图4-33为地层信息查询界面，在场景中右键地层实体模型可以查询该地层的属性信息，如地层描述等。系统还实现了坐标信息的查询功能，点击模型可获取模型的坐标位置信息。

(4)综合分析：对个旧高松数字矿山系统的建设实现了叠加分析与综合信息分析功能，主要包括二维数据与三维模型的叠加分析、多模型组合叠加分析。

在二维、三维一体化叠加分析方面，本书将个旧高松矿区长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机地结合起来的方法，实现二维资料、三维模型一体化集成与表达与叠加分析，为个旧高松矿区的综合研究提供一个有机的辅助平台。解决了矿区长期积累的不同资料、不同数据、图件、图像以及不同文件类型资料的集成显示、对比及以往这些二维、三维资料分别运行不同软件系统显示调用，很难配准进行综合分析的难题(图4-34)。

图4-33 地层信息查询界面图

图4-34 综合分析界面图

(5)切制剖面：前面提到将二维的地、矿、物、化、遥资料叠加到三维模型上以及由二维剖面图生成三维模型，是由二维到三维，实现了个旧高松矿区二维资料和三维模型的统一管理。而切制剖面功能实现了由三维模型获取二维信息的功能，实现由三维到二维的切剖面功能，对已有的三维模型进行任意剖切，获取任意方向的地质剖面图，给地质工作者提供任意方向的剖面信息，辅助找矿和地质勘查研究，以及模型准确度评价。

对个旧高松数字矿山的切制剖面功能主要包括垂直切剖面、等间距平行切剖面、按坐标切剖面3种不同方式切剖面方法。其中等间距平行切制剖面是根据勘探线剖面的需求设计开发的，可以同时生成间距一定距离的一定数量的平行剖面。按坐标切制剖面法可以通过输入剖面起点和终点的XY坐标进行切剖面。利用系统的切剖面功能，可以进行矿区三维地质实体的任意剖切和等间距平行剖切，如图4-31和图4-32为对个旧高松地层模型进行垂直切剖面，图4-35为切剖面模式设置界面图，图4-36为在模型上拉出的一条勘探线剖面，对切制的剖面图片可进行数字化处理，按照不同的地质体类型、单元边界分别形成不同的文件图层，相同节点通过捕捉功能保证各模型单元边界重叠无缝。数字化后的剖面可转换为不同格式，服务于下一步的分析与应用，如进行成矿过程的数值模拟等的应用研究。

图4-35 切剖面模式设置界面图

图4-36 三维模型拉剖面设置图

(6)系统打包发布：对个旧高松数字矿山的建设集成完整之后，为了可以做到无须安装任意移植，我们对矿山系统进行打包发布，生成可独立执行的exe文件。同时可以输出为可网络发布的形式，客户只需要事先下载安装一个1M左右的插件，即可在线下载个旧高松的矿山场景或在线互动漫游。在打包生成exe文件之前，可以根据个旧高松的生产情况、保密情况或是针对不同客户不同需求等方面决定仿真系统的内容、功能，以及工区范围等，进行不同版本系统的打包发布。

(7)开采复原分析：该功能主要是恢复了开采前的矿山形态，并对采空的地层、矿体、岩体可以进行单独查看。如图4-37为开采复原分析界面及复原后的地层显示。

图4-37 开采复原分析界面及复原后的地层显示图

什么是矿山三维地理信息系统

地理信息系统(GIS)是一种以采集、储存、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。与一般信息系统的差别是,它采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构及其动态变化规律的。从学科的角度,GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科,具有独立的学科体系;从功能上,GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能。煤矿三维地理信息系统(煤矿三维GIS)是用于描述煤矿地质信息、井下环境和设备的应用软件。煤矿三维地理信息系统能够有效地建立矿山空间数据库,实现矿山的全景显示、动态显示,真实、直观、准确、清晰地表现地层、断裂、矿体及围岩形态,表达钻孔、矿井(竖井、斜井)、巷道、探槽、采空区、采矿区、采矿工作面形态,表达各种机械设备的配备与运转状况,表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地应力场等三维现象。煤矿三维地理信息系统可以有效地利用现有资料对未采区和采掘工作面前方、深部及外围的地质构造、矿体变化、矿床分带及其它开采条件进行预报预测。2国内现状中国煤矿GIS应用起步较晚,与国际水平相比有较大差距,煤矿行业迫切需要一个适应于中国国(

矿区三维地质建模的数据需求与数据组织

矿区三维地质建模的主要目标是根据收集的原始数据如钻孔数据和分析解释数据如地质师根据地质知识建立的地质剖面图，在三维地质建模软件支持下，建立三维地质模型，估算资源量，为矿山的设计与开发服务。

（一）数据需求

可用于矿区三维地质建模的数据资料主要有：

（1）按生产阶段可分为前期地质勘探资料和后期生产探矿资料；

（2）按数据形式可分为图形数据和属性数据；

（3）按数据来源可分为地质资料、勘探工程资料、物探资料及化探资料。

其中，地质资料主要指地质队提供的地质报告及相关附件；物探资料和化探资料指采用物化探方法所获得的各种成果数据及图件；勘探工程资料主要包括①钻孔或坑道开孔（坑）坐标、方位、倾角（或坡角）等工程空间位置数据；②钻孔或坑道所揭露的岩层的岩性及产状、构造的性质、矿化带或矿体的特征；③样品分析数据；④各种图件（钻孔柱状图、坑道编录图、采样位置图、工程布置图、中段图等）。

资料收集时，尽量一次性将所需资料收集齐全，以便对资料的全面分析，从而确保初始模型的准确性。同时还要随着矿山的开发，不断地收集补充新的资料，使所建模型日臻完善和准确。

从矿山或地质队收集来的资料大部分是文本形式的，并且往往是重复杂乱的，很不规范。因此，要遵循三维数据库所特定的格式，首先对这些资料进行数字化和系统整理。资料整理的一般步骤如下：

（1）资料分类 按重要程度对资料进行分类，优先整理重要的部分；

（2）数据录入 将重要资料中的文字和数据录入电脑，并扫描或数字化相关图件；

（3）数据校对 原始资料录入以后，一定要进行全面校对，查漏补缺，并修正自相矛盾的地方，以保证数据资料的准确性，为下一步工作奠定良好的基础。

具体来讲，建立矿区三维地质模型，需要收集如下资料：

（1）探矿工程（钻、槽、井、坑等）相关成果数据；

（2）矿区地形地质图；

（3）勘探线剖面图；

（4）其他相关数据，如工业指标、体重、断层、矿相分界线等。

（二）数据组织

1.探矿工程相关成果的数据组织

地质数据一般可通过如下方式获得：

（1）钻探——通过钻孔，来获取基本岩性与取样分析数据；

（2）坑探——坑道取样数据；

（3）槽探——刻槽取样数据。

其描述地质信息的基本形式见表3—1。

表3—1 地质数据描述表

说明：①工程号用来确定工程的代号如钻孔号；②工程起点坐标描述工程的起点坐标；③测斜数据描述工程的轨迹线。

不管是钻探、坑探还是槽探，都可以认为是从一个起点，顺着工程的方向，从…到…来描述工程，只要给定工程的开口坐标和轨迹线（测斜数据），就可以在三维空间，确定某段岩石的品位、岩性、坐标等情况。

在矿区三维地质建模中，为了管理方便，将表3-1分为工程坐标表（表3-2）、测斜表（表3-3）、岩性表（表3-4）与化验表（表3-5）。

表3—2 工程坐标表

表3—3 测斜表

表3—4 岩性表

表3—5 化验表

在实际工作中，用Excel建立工程坐标表、测斜表、岩性表与化验表。

2.矿区地形地质图的数据组织

以MapGIS的数据格式进行组织。需要注意的是：①MapGIS中的坐标与实际坐标一致；②地形等高线需要赋高程值。

3.勘探线剖面图的数据组织

以MapGIS的数据格式进行组织。

GIS发展历史与发展趋势

经过了多年的发展，各行业对 GIS 的认识和掌握程度日益提高，GIS 本身的技术水平和软硬件设施也日臻完善，其综合性和先进性也得到充分体现，这使得 GIS 在资源环境和社会经济等领域得到了广泛应用，发挥了重大的作用。目前，GIS 应用领域已包括测绘、政府、建筑、地质、环保、农业、城乡规划、灾害监测等各个部门。

1. GIS 发展历史

回顾 GIS 发展的历史，可以归纳为三个发展阶段。20 世纪 50 年代中期到 80 年代后期，是 GIS 的开发时期，该阶段的 GIS 软件是以地图为基础进行单机、集中式处理，具有数据处理系统和管理信息系统初期设计的主要特点。80 年代末到 90 年代初是 GIS 第二个发展阶段，这一阶段 GIS 在快速发展的计算机硬件和软件支撑下得到了迅速发展，商品化GIS 软件正式进入传统的软件市场，并在各行业中得到广泛应用。90 年代中后期以来，是GIS 的第三个重要的发展历史时期，此时 GIS 普遍采用了面向对象的软件技术，极大提高了 GIS 的二次开发能力，实现了空间数据和属性数据的一体化存储。在此基础上还逐渐形成了 “3S”技术集成，在一定程度上实现了矢量数据、图像数据一体化存储、叠加和矢量-栅格数据的相互转化。

在地学应用方面，GIS 发展主要经历了以下几个阶段: 20 世纪 70 年代末，一些数学地质专家、遥感地质专家、计算机地学处理专家积极开展了这方面应用工作; 80 年代中后期，GIS 的地学应用特别是矿产资源评价预测处于实验成熟期; 进入 90 年代，GIS 在地学和其他领域得到空前广泛应用; 90 年代初期，美国矿产资源评价预测广泛应用了包括GIS 在内的计算机信息处理技术，90 年代中后期，GIS 在矿产预测方面采用了多种数学模型，如模糊逻辑法、代数法、神经网络法，这些工作极大地推动和丰富了地学研究与 GIS的结合。

2. GIS 未来发展趋势

从系统角度看，在未来的几十年内，GIS 将向着数据标准化 ( Interoperable GIS) 、数据多维化 ( 3D/4D GIS) 、系统集成化 ( Component GIS) 、平台网络化 ( Web GIS) 和应用社会化 ( 数字地球，DE) 的方向发展。

互操作地理信息系统 ( Interoperable GIS) 是 GIS 系统集成平台，它实现在异构环境下多个地理信息的系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。

三维或四维地理信息系统 ( 3D/4D GIS) 是从以往静态的二维 GIS 模型向三维、四维、甚至多维的动态模型转换，从而实现利用 GIS 表达世界真三维空间数据场。目前 3DGIS 已开始应用于许多行业中，如矿山三维 GIS 的构建，地质构造模型的三维可视化，城市三维景观制作，三维可视化在固体矿产中的应用，三维可视化在地震解释中的应用，三维 GIS 在地质灾害中的应用，三维 GIS 在数字区调中的应用等。

Com GIS ( Component GIS) 是面向对象和构件技术的地理信息系统，是把 GIS 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终 GIS 应用。

Web GIS 是 Internet 和 WWW 技术应用于 GIS 开发的产物，是实现 GIS 互操作的一条最佳解决途径。从 Internet 的任意节点，用户都可以浏览 Web GIS 站点中的空间数据，制作专题图，进行各种空间信息检索和空间分析。随着 Internet 的飞速发展，Web GIS 的发展更加广阔，它改变了 GIS 数据及应用的访问和传输方式，使 GIS 真正变成了大众使用的工具。

数字地球 ( DE) 是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一处理地球问题和最大限度地利用信息资源。数字地球是 GIS 的延伸，建立数字地球的核心技术包括 GIS 与数据库、遥感、遥测、信息技术等。遥感、遥测技术用来完成数据采集、处理和识别，GIS 和数据库技术用于完成数据存储、检索、集成、融合、综合和分析，从而完成数字地球的核心功能，光缆、卫星通信技术以及计算机网络等技术则完成海量空间数据的传输任务。

建设数字矿山的核心技术是什么

智能化的煤矿开采技术可以实现综合开采设备的全自动化操作，从而达到可视化远程控制状态。

对于煤矿企业来说，在煤矿开采的过程当中，必然会面临开采人员的人身安全问题，尤其是地下煤矿开采活动，为了能够降低安全事故的发生概率，并且对已发生的事故能够做出及时的响应。

这时候煤矿智能化技术的研发与应用作用就凸显出来了，一方面，有效地构建了一个能够准确定位井下工作人员的具体位置的感知区域，为发生危险时进行搜救提供了更加有力的帮助；另一方面，通过与云计算和边缘计算的充分结合，促进了设备数据的完美互通，从而对地下环境实现实时动态监控。

通过监控中心与指挥中心的互联互通以及相互协作，不仅能够实现工作面的可视化，同时还提高了井下作业的安全性，实现了地面指挥中心对井下作业相关情况的及时捕获，并针对突发事故做出及时的反应。

煤矿的地质信息会随着采掘工作的进展而发生不同变化的动态信息。将地址信息精准化是煤矿采掘的基本也是核心，也是智能模块形成的基础条件。

所以，开发工作面使用智能采掘系统及装备，将采掘数据与地址信息自动采集、处理、分析从而构建一个精确的动态巷道图，将矿井内部全方位信息透明化，从而实现将地质信息、测量数据及巷道掘进动态，形成三维电子图进行管理。Hightopo根据矿山现场的 CAD 图、鸟瞰图、设备三视图等资料还原外观建模，搭建 3D 轻量化大型智慧矿山，围绕以数字化开采、高速掘进、智能通风排水供配电、筛煤工艺等内容为主体的三维立体可视化管理系统。

通过其引擎强大的渲染功能，真实还原采煤机井下运动工况的行进效果，利用可视化图表将采煤机运行的关键数据进行直观呈现。设有记忆割煤、滚筒换向、自动往返及故障诊断的联动控制功能，针对采煤机故障诊断提供切实的数据依据，加速扼杀故障的萌芽。通过地面调度室即可远程遥控操作，由此达成井下少人化作业，加大煤炭资源的开采效率，为采煤机的高效安全生产奠定基础。

在煤炭开采过程中，可以实现机械设备处于全面控制并且被实时监控的状态。例如，采煤专用设备，液压支架、供电设备等。此外，根据实际工作环境，设计合理的施工工序，实现井下作业控制系统与地面控制中心控制系统集中控制综采工作面，不仅可以实现煤炭开采流程全自动，还可以实现井下作业的可视化，从而在很大程度上提升了井下作业的安全性以及提高煤炭开采的工作质量。

HT 也提供结合 GIS 地图展示矿山领域解决方案，产品的定位在于运用产品强大的可视化技术，通过无人机航拍，加后期数据处理，无缝融合 HT 原有 3D 模型，实现了矿山宏观和微观融合一体化的需求，很好的解决了传统人工实景建模工作量巨大的问题。

针对环境态势、掘采进度、设备运作、工况状态等信息进行高精度实时监测，赋予数据空间属性，使复杂因素可视化。形成一套可被洞察的参考数据，为开采作业监管提供强有力的决策支撑。

随着国家环境保护力度的持续加大及能源消费结构的转型，正倒逼煤炭产业必须走绿色智能的清洁化生产之路。云技术、大数据时代的到来，煤炭行业如果想恢复改革开放时期的繁荣景象，就必须紧跟时代步伐，运用大数据，结合云技术将智能化技术运用到开采工作当中。

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