三维地学建模在数字矿山中的重要作用

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翻新时间：2023-08-06

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三维地学建模在数字矿山中的重要作用

摘要：三维地学建模是数字矿山建设的关键技术之一，也是数字矿山实施的基础。文中列出约20余种由地矿领域提出、或由其他领域提出但适合于地矿领域应用的空间建模。介绍了线框模型、序列断面模型和多层DEM模型的基于面元模型的三维地学建模。

关键词：三维地学建模，数字矿山，面元模型

中图分类号： TU205 文献标识码：A

1 前言

数字矿山（Digital Mine，简称数字矿山）是在统一的时空框架下，对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分。

2 三维地学建模分类

三维地学建模（3D Geosciences Modeling，简称3 DGM）是数字矿山战略实施的关键技术。矿山本身就是一个真三维动态地理/地质环境。而且，所有的矿山活动均是在真三维地理/地质环境中进行的。因此，要真正实现数字矿山，那也应是真三维的，即必须以3DGM为基础，而目前3DGM的研究很少。数字矿山是21世纪新经济条件下利用信息技术改造传统产业的矿山科技创新与发展战略，3DGM则是实施数字矿山战略的关键技术，其理论研究及软件开发在数字矿山中发挥着巨大作用。3DGM就是为了解决地学领域中遇到的三维问题。如三维地层、断裂、矿体和巷道的真三维动态显示、剖面的生成、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积、储量的计算等问题而提出来的。因此，数字矿山的三维地学模型是联结真实矿山世界和计算机中抽象的矿山世界的桥梁。三维地学模型作为数字矿山的核心内容和基础，它不仅反映了真实矿山中三维空间实体及其相互之间的联系，而且为数字矿山中的三维空间数据组织和三维空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。

矿山地质三维建模包括矿床建模和环境底层建模两类，前者仅对矿床本身进行建模，后者要对矿床及其环境地层进行整体建模。其中，矿床模型是借助于计算机、地质统计学等技术建立起来的关于矿体的分布、空间形态、构造以及矿山地质属性的数字化三维矿化模型，它是实现储量计算、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；环境地质的三维数字模型是矿山开采设计、采动影响分析、矿山安全评价的数字化基础环境。矿山工程是一项不断获取、分析和处理数据的过程，具有工程隐蔽性、地质条件复杂多变性等特点，需要对工程的勘察、设计和施工过程中获取各种各样的数据和信息进行快速处理、可视化建模和分析，以便指导采矿规划、设计与开采活动。

由于地质空间对象分布的不连续性、复杂性及不确定性，适合于规则、连续、相对简单及确定性空间对象的三维空间建模方法并不能够完全适合3D地质空间模型。自20世纪60年代初出现了块段模型迄今，空间建模方法约20余种。可将三维地学模型分类如表1所示。

表1 三维地学建模分类

3 三维地学建模

3.1 面元模型

面元模型有很多实现形式、除了地形建模常采用的等高线模型、表面模型之外。还有线框模型、序列刨面模型和多层DEM模型等多种形式。

1. 线框模型

相框模型利用约束线来建立一系列解释图形，如线段、曲线、多边形，以表达矿体边界。其实质是把矿体轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形；然后拼接这些多边形面形成一个多边形格网来模拟矿体外部轮廓。

2. 序列断面模型

传统地质制图的手工方法是用一些列平面或剖面图模型矿床的，序列断面模型的实质正是传统地质制图方法的计算机实现，即通过平面图或剖面图来描述矿床，记录地质信息。

3. 多层DEM建模

首先基于各地层的界面点按DEM的方法对各个地层进行插值或拟合；然后以断层为约束，根据各地层的属性对多层DEM进行交叉划分处理，形成空间中严格按照岩性进行划分的三维地层模型的骨结构。

4 展望

三维地学建模技术是数字矿山的核心技术之一。随着数字矿山技术的日趋成熟，数字矿山的建设已经从概念走到了现实世界中。并且，伴随着非可再生资源的日益紧张，资源价格日益上涨，我国的矿山开采企业的经济效益也得到了很大的改善，对数字矿山的建设提供了很好的经济基础。同时，矿山开采企业在朝着集约化、规模化的道路发展，对信息化管理的手段需求日益迫切。国家也在一直提倡用信息化改造传统工业，提升传统工业的发展水平和信息化水平。数字化信息化的进程将使得矿山开采企业从中获益，能够显著提高企业生产效率和降低人力成本。可以用“五有”来概括上面的话――有技术、有财力、有需求、有政策、有效益。总之，数字矿山的建设可谓是正逢其时，改善我国的数字矿山建设的落后局面显得异常迫切。