三维软件其地质应用

1999年首届“国际数字地球”大会上提出了“数字矿山”（DigitalMine,简称DM）概念后,“数字矿山”科学研究与技术攻关悄然兴起,2008年末被列为国家“863计划”.“数字矿山”是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现,是在统一的时空框架下,科学合理地组织各类矿山信息,将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合.三维建模软件是实现“数字矿山”的基本工具,本文结合国内外的三维软件的功能和特点,简要介绍了其在地质找矿中的应用.

1三维建模的基本方法

总得来说,模拟的方法主要有面模型、体模型和混合模型等[1].

面模型主要是通过对地质界面的模拟,然后组合成体的办法.如表面（Surface）构模法、边界表示（B-rep）构模法、线框（WireFrame）构模法、多层DEM构模法、断面（Section）构模法；面模型可以较方便地实现地层可视化和模型更新,但其不是真三维的,也不描述三维拓扑关系.

体模型主要是直接构造体的办法.如结构实体几何（CSG）构模法、八叉树（Octree）构模法、四面体格网（TEN）构模法、块段（Block）构模法、实体（Solid）构模法；体模型模拟是真三维的,但也几乎描述三维拓扑关系,模型更新也比较困难.

混合模型是由两个或多个构模方法相结合来进行构模.如TIN-CSG混合构模法、TIN-Octree混合构模法、WireFrame-Block混合构模,体模型综合面模型和体模型的优点,相互取长补短,但其在技术实现上相对比较困难.

2国内外常用模拟软件

近几年来,国内外在科学可视化（Sciv）

、三维地理信息系统（3DGIS）、三维地学模拟系统（3DGeosciencesModelingSystem,3DGMS）、三维有限元数值模拟（3DFEM）领域的研究进展迅速.真三维地层构模、地面与地下孔空间的统一表达、陆地海洋的统一建模、三维拓扑描述、三维空间分析、三维地层过程模拟等,已成为多学科交叉的技术前沿和攻关热点,相应的理论、技术、方法与软件系统不断丰富和发展[2～5].

国内外的地学信息工作者围绕着3DGMS,开发了一系列的三维地质可视化软件.从20世纪80年始,国外许多国家就展开了三维地学可视化系统的研究与开发.1988年法国Nancy大学的J.L.Mallet教授推出了GOCAD（地质对象计算机辅助设计）,其目的是满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计需要.在20世纪90年代初期,开发了一系列基于UNIX操作系统和用于工作站环境（如LYNX、Vulcan/MapTek、Datamine、Min、Medysystem、Surpac、MKEagleg等）；20世纪90年代中期以来,随着微机性能的提高,一些3DGMS软件开始移植到Windows操作系统和微机环境（如Micromine、Min、Geoquest、SiteView、Geovisual、MineMap、PC-Mine、Vulcan、GeoCAD等）；20世纪90年代后期,随着网络技术的发展和BIT操作系统的热潮,相继推出了一些基于BIT环境和支持网络共享的系统（如Vulcan）.近年,微机性能得到大幅度的提高,基于工作站的3DGMS逐渐丧失当年的优势,基于Windows操作系统和微机环境的3DGMS开始成为主流[6].美国、加拿大、英国等一些国家相继推出多种代表性的地学可视化建模软件.

国内这方面的研究起步相对较晚,但也开发一系列的三维建模软件.其中代表性的有1996年中国科学院地球物理研究所与胜利石油管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中,开始追踪研究GOCAD；长春科技大学在阿波罗公司TITANGIS上开发了GeoTransGIS三维GIS,主要用于建立中国乃至全球岩石圈结构模型的三维信息；石油大学开发的RDMS、南京大学与胜利油田合作开发的SLGRAPH都是用于三维石油勘探数据可视化[7],中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统（GeoView）.还有其他一些三维建模的软件,可以说取得了一定的成果.

国外软件主要有EarthVision,3Dmove,Geosec,BASIN,Gem,GeoVisual,SiteView,FastTracker,YNX,Vulcan,DataMine,MinCom,Medysystem,MicroMine,PC-Mine,Surpac,MineSOFT等；国内软件主要有Geoview,TitainT3M,GEIS,3DS,GeoMO3D等[2～8].

3软件应用

3.1DATAMINE

DATAMINE是世界矿业领域内具有领先水平的采矿技术应用软件.主要应用于地质勘探、储量评估、矿床模型、地下及露天开采设计、生产控制和仿真、进度计划编制、结构分析、场址选择,以及环保领域等.主要功能如下.

（1）基本功能：交互式3D设计,数据管理、处理及成图.

（2）勘探：样品数据输入输出,统计分析,钻孔编辑,地质解释.

（3）地质建模：地质统计,矿块模型,矿床储量计算.

（4）岩石力学：构造立体投影图和映射图、建立岩石模型.

（5）露天开采：境界优化,中长期计划,采场及运输道路设计.

（6）地下开采：采场设计、优化,开拓系统设计.

（7）矿山辅助生产：测量,品位控制,进度计划编制,配矿.

（8）复垦：环境工程,综合回收,土地复垦和利用研究.

国内主要用户：用户涉及有色、冶金、煤炭、核工业等多个行业,在其行业中的大型矿山、设计院、科研院所及高等院校中有很高的普及率和良好的市场反馈,目前有北京有色研究设计总院、安徽铜陵冬瓜山铜矿、安徽马钢集团姑山矿业公司、中国矿业大学（北京）、内蒙古准格尔黑岱沟煤业公司、石家庄核工业第四设计院、中钢石家庄设计研究院、鞍钢集团鞍山矿业公司、中南大学地学院、中南大学资源与安全学院、中钢秦皇岛设计院、陕西四方金矿、北京矿冶研究总院等大批用户.3.2SurpacVision

Surpac软件系统是澳大利亚SURPACMINEXGROUP（简称SURPAC）的产品.从创建之始,SURPAC就致力于为矿产资源业开发采矿规划及管理软件系统,并且逐步将业务领域从澳大利亚拓展到全球,已从最初的测量工程软件,发展成为一个综合的矿山环境软件.

应用范围：勘探和地质建模、钻孔编录、露天和地下矿山设计、采矿生产进度计划、尾矿库设计等.

主要功能：地质数据库、钻孔编录、数据分析工具、数字地形的建模和等高线的绘制、基础的和高级的地质统计学分析、格状解释模型和等值线绘制、块模型、断层建模等.

国内主要用户：SURPAC（中文版）在矿山和地质勘探领域拥有众多用户,由于SURPAC软件功能强大,易学易用,用户能够获得本地化的技术培训和支持,SURPAC在中国获得高速增长,目前,我国露天矿山、地下矿山、矿山设计及研究院所、地质勘查单位、矿业大学等领域超过100家单位在使用SURPAC软件.

程天赦[9]介绍了澳大利亚SSI公司开发的三维可视化矿山工程软件SURPAC的主要模块和功能特点,并将SurpacVision与普通GIS软件相对比,分析了SurpacVision软件功能的专业性和针对性.在此基础上,结合金属矿山开采的主要步骤,综合论证了这套软件系统在我国金属矿山数字化建设中的推广应用前景.吴亚民[10]以武山铜矿中段生产探矿资料为例,阐述了应用SURPAC软件建立地质数据库和矿体实体模型,块体模型的赋值的方法、技巧,简述了建立数字化矿床的方法和步骤.

3.3MICROMINE

MICROMINE软件是澳大利亚MICROMINE国际矿业软件有限公司开发的大型专用矿业软件.

应用范围：它主要用于地质勘探、资源评估、储量计算及露天矿和地下矿矿山设计和开采.

主要功能：MICROMINE提供了与其他数据库和相关软件接口的功能,使该系统的数据可被其他数据库管理系统和相关软件查询和编辑,能够实现各种工程和矿体的三维立体显示和成图,并根据地质统计学的方法和原理提供进行矿体品位和储量估值的各种方法,同时还可以进行矿山的开采设计以及数字地形模型的建立.

国内主要用户：经历了20多年的发展,MICROMINE是一套成熟的矿业专业软件MICROMINE被认为是业界最易学的软件.它提供强大的功能满足地质人员、测量人员和采矿人员需求的同时却不需要繁琐的长时间的培训.

昆明理工大学杨建宇[11]用大型三维矿业软件系统MICROMINE建立了云南北衙金矿的三维模型,包括地形模型、矿床三维线框模型、矿床三维品位模型、采矿工程模型,并进一步探讨了基于该模型之上的储量计算、矿山动态管理、经济评价等方面的应用；2007年陈爱兵[12]应用MICROMINE软件技术在个旧锡矿x号矿体,建立了三维实体模型,并进行了储量计算.中南大学龚元翔[13]以某露天铁矿为研究对象,利用MICRONMINE软件建立露天矿山的三维实体模型.结果显示,建立的三维实体模型能更加准确、直观反映矿床与工程实体的形态及其空间分布关系.根据建立的三维实体模型,进行了储量计算、开采境界优化、坑内公路设计等工作,并为后期的生产计划编制和生产过程控制提供了可靠的依据.张宏达[14]论述了MICROMINE软件功能和特点,介绍了黄金行业工程设计中应用计算机软件的现状,分析了MICROMINE软件在中国黄金行业的应用前景.

3.4VULCAN

VULCAN系统是个集地质工程、环境工程、地理地形、测量工程、采矿工程等于一体的,主要用于地表及地下三维数据的处理,形成三维立体模型的工程软件系统.

主要包括以下模块.

（1）Envisage3DEditor-Vu1can-软件的核心模块.包括文件管理、图形编辑、视图管理、空间面的形成与蝙辑、道路设计、测量、地质数据的管理、露天矿的开采设计等.

（2）DatabaseEditor（Dbeute）-数据库编辑模块.主要包括钻孔数据库的结构设计（Datasheet文件）钻孔数据库的编辑等.

（3）BoreholeGraphics[Bhgute]-钻孔图的编辑摸块主要包括：Mapfile（钻孔图文件）的形成.

（4）GridReserves[Rsvute]-用格网模型计算储量楼块.

（5）Advanced2DGridModelling[Gdealc]-高级二维格删馍型创建模块.

（6）Plottingfiles-用于形成绘图文件.

宋子岭[15]应用VULCAN软件成功地建立了元宝山露天煤矿的矿床地质模型,进行地质储量管理,形成采场测量验收现状图,并编制各种开采生产计划；中南大学张普斌[16]利用Vulcan软件系统对乌奴格吐山铜一钼矿床地质体进行三维可视化研究,建立了矿体及断层的三维模型,并采用现代地质统计学方法进行了矿体品位和储量估算,为矿山更直观地研究矿体的形态产状特征及生产规划提供了科学依据；石菲菲[17]运用Vulcan三维可视化软件,对锡铁山铅-锌矿区3062m中段以下5～75线之间的主要矿体进行三维可视化研究,全方位、真实地表达近年来的地质勘探成果,并通过储量计算与找矿预测,为下一步地质勘探工作提供科学依据,为矿区信息化建设提供基础资料；中科院地理所吴健生[18]在VULCAN的软件环境下对新疆阿舍勒矿体进行三堆计算机模拟和可视化研宽,建立阿舍勒铜辞矿的三堆矿体模型和地质模型,以便更直观的研究和分析矿体的形态主化规律,同时在把矿体细分为小的长方体块的基础上,利用现代数学地质统计方法中的距离反比法和普通克立格方法对矿体进行品值估算和储量计算.3.5Geoview[19]

GeoView是由中国地质大学（武汉）国土资源信息系统研究所研制的具有自主知识产权的可视化地学信息系统平台.

主要特点：该系统采用多S结合与集成的方式,融合了常用数据库技术（DBMS）、辅助设计技术（CADS）、地理信息系统技术（GIS）、地球空间定位技术（GPS）、遥感技术（RS）、专家系统（ES）、三维建模和空间分析技术（3DS）.

应用范围：八大应用系统（地质调查系统GeoSurvey、水文泥砂系统GeoHydroloy、地质灾害系统GeoHazard、河道信息系统GeoRiver、盆地模拟系统GeoPetroModeling、数字矿山系统GeoMine、城市管线系统GeoPipe和水电地质三维系统GeoEngine）,完成了数十个与地质相关的软件研制项目.

3.6GeoMo3D

全称：三维地学建模系统.

简称：GeoMo3D.

首次发表日期：2005年6月6日,当前版本号：3.0.

开发单位：东北大学.

应用范围：本软件适用于测绘、城市规划、采矿、地质、矿山设计与规划、资源勘察与评估、水利工程建设、岩土工程、防灾减灾设计等行业.

特点和功能：以钻孔资料作为主要的数据源,其他遥感、物探、化探资料为辅助数据源的真三维地学模拟软件.能采用TIN、多层DEM、广义三棱柱（GTP）、规则六面体等多种建模方法建模.通过灵活的三维交互技术,可以对所建立的地质模型进行任意的剖切、虚拟开挖设计与漫游等操作,可以进行空间度量、面积、体积统计、拓扑查询等多种空间分析,能与多种软件如有限元分析软件、AutoCAD等进行数据交换.

3.7MAPGIS-TDE[20,21]

开发单位：中国地质大学MAPGIS公司.

基于基础GIS软件平台MAPGIS,利用功能强大的三维可视化开发平台MAPGIS

-TDE,设计、开发具有自主版权的三维地质建模及可视化系统.MAPGIS-TDE包括MAPGIS内核模块、MAPGIS-TDE基础平台、MAPGIS-TDE构建平台和基于MAPGIS-TDE的应用系统等4个层次.基于MAPGIS-TDE的三维地质建模及可视化系统分为地质数据管理、二维地质分析、地质断面处理、地质结构建模和地质属性建模等5大功能模块.系统实现时,将空间数据库划分为基础地理图形库、区域地质数据库、工程地质数据库、水文地质数据库、地球物理数据库、地球化学数据库等6类.该系统不仪提供了强大的地质数据管理、三维地质建模以及模型的可视化功能,还为专业技术人员提供了一个可视化的分析、设计平台.

4三维预测

通过建立矿区的三维模型,对深部或进行成矿预测,国外今年来取得了丰富的成果.2002年美国科特兹山通过建立二维和三维模型,以及后期的钻探验证,发现了270t金矿体,平均品位达9.5g/t[22]；2004年加拿大NickleRimSouth通过三维建模和钻探,发现了矿床,矿石资源量达1370万吨.

近年来我国学者也进行了大量的探索,取得了一些可喜的成绩.

王功文[23]根据云南普朗斑岩铜矿床地质特征以及矿区72个见矿钻孔中8145个岩芯样品的铜含量分析数据,采用GIS空间分析技术和利用邻近距离统计分析方法,优化和提取了矿床定位预测所需点位的数据信息（包含三维空间坐标及其对应的铜含量数值）.在此基础上,选用反距离权重内插法,在比例尺1∶10000的尺度上,确定了该矿区铜元素在海拔3171～4319m不同高度的空间分布状况,并利用3DGIS的规则六面体成像技术和邻近采样点插值法,建立了该铜矿床含矿岩体（铜含量不小于0.2%）和铜矿体（铜含量不小于0.3%）的三维模型,确定含矿岩体和铜矿体的形态为“锥状体”.最后,在综合分析云南普朗铜矿床特征及其保存条件和剥蚀状况以及钻探资料和矿床三维空间特征的基础上,确定矿床的南西侧具有较好的找矿潜力,认为矿床的东、北两侧深部是有利的成矿远景区.

陈建平[24]在现代成矿预测理论研究基础上,利用已有的商业三维地质建模软件,建立了一套基于三维可视化技术的隐伏矿体三维立体定量预测方法和流程,结合云南个旧锡矿实例探讨大比例尺隐伏矿体三维定量预测的数据预处理、三维地质建模过程和三维定量预测方法.使用三维可视化技术结合找矿信息量法确定了研究区找矿有利靶区,计算了含矿远景单元的找矿概率,估算了工程验证区金属资源矿体量.应用实例表明了应用三维可视化技术进行隐伏矿体三维定量、定位和定概率的有效性.

邹艳红[25]认为广西大厂矿田长坡一铜坑矿区矿床形成与分布的主要控制因素有地层岩性、岩浆岩体和断层、褶皱构造.结合大厂矿田多年来积累的地质资料信息,提取了钻孔、坑道采样化验数据与地质体的几何取点等矿床隐伏矿体预测专题数据,建立了各种地质体几何模型；以此为基础进行控矿地质条件的定量分析,以立体单元形式对地质空间进行分割抽样,提取了立体单元控矿作用定量化指标；通过一种有效的矿床三维数学模型建立方法,对矿床地下三维空间中隐伏矿体进行了定位、定量预测和结果验证,并开发了预测结果的三维可视化动态查询系统.

5存在的问题

到目前为止,在地质体三维可视化模拟方面已经进行了大量的研究,但其在理论、方法、技术和软件等方面都尚有不足之处,仍需在实践中不断的探索.

地质软件还不能很好的表达完整的复杂地质体模型,对地质信息所包含的巨量信息的处理还不充分,动态数据模型的实施更新也不成熟,为地质工作者提供三维地质环境、分析有关地学问题解释的技术有待完善.而且三维地质模型的好坏过多地依赖于地质专家的水平,但往往建模人员不懂地质,地质人员不懂建模,导致模型建立的自动化程度有待提高[26].同时国外3D模拟软件的一般比较昂贵,每套平均都在5～15万美元之间,维护起来也比较昂贵,导致国内用户使用成本偏高,因而,国外的3D软件现在还未在中国市场大规模的应用.但是,对着近年来国民经济的飞速发展,尤其是地质找矿突破找略的提出,对3D软件将会有更为强烈的市场需求,给国内的软件开发提供了巨大的机遇期.

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[17]石菲菲,朱谷昌,杨自安.三维可视化技术在锡铁山矿区信息化建设中的应用研究[J].矿产与地质,2007,4（21）：472-475.

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[20]朱良峰.三维地质建模及可视化系统的设计与开发[J].岩土力学,2006,5（27）：828-832.

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