基于DGSS体系的资源储量估算与矿体三维建模信息系统研究与实现

李丰丹,刘 畅,李超岭,吕 霞

(1.中国地质调查局发展研究中心,北京100037;2.中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083)

随着信息技术的发展,国内外已开展了大量矿产储量评价软件研发方面的工作,这些软件各有优势,为资源储量估算与矿山应用提供了有效工具和方法手段[1-3]。在目前的实际生产应用过程中,国内矿山和管理部门基本上采用国外的软件(如:M icrom ine软件)进行资源储量估算和管理工作,除了花费大量的金钱不说,这些软件侧重于数据采集后的处理过程,需要用户重新组织数据才能满足软件要求,其资源管理模式也难以满足国情需求。而国内尚未研发出贯穿于不同比例尺地质填图、矿产预查、普查、详查、勘探和开采等各阶段的软件,更缺少从野外数据采集到勘查数据的整理与综合分析、资源储量估算、矿体三维建模、成果表达等一体化组织与管理的软件。

从1999年开始,地质调查主流程信息化团队经过多年关键技术研究和软件开发工作,于2002年实现了基础地质调查全过程数字化;从2004年开始,实现了矿产地质调查与勘查数据采集全过程数字化;从2008年开始,实现了固体矿产勘查从二维到三维数字化过程。到目前为止,集 GPS、GIS、RS技术为一体的数字地质调查软件体系(DGSS)已基本实现,并建立了数字地质调查数字化流程,实现了从地质矿产资源调查野外数据采集到地质成图、矿体圈定、品位估计全过程的数字化[4]。数字地质调查软件体系由数字地质填图系统 (RGM ap)、探矿工程数据编录系统 (PEData)、数字地质调查信息综合平台 (DGSInfo)、资源储量估算与矿体三维建模信息系统 (REInfo)等四大系统构成。作为DGSS不可缺少的一部分,REInfo的研究思想是基于 GIS、数据建模与数据库、地质统计学以及三维建模等核心技术,实现了从数据采集与管理、矿床地质建模、品位估计和资源储量估算、三维矿体建模和成果图表输出的全过程数字化,为矿产勘查项目全过程数字化提供了完全符合业务流程需求和要求的国产化软件,为矿山勘查项目成果报告编制提供了有效工具和平台。本文正是从固体矿产资源储量估算的实际业务流程出发,在探讨关键技术的基础上,详细阐述了REInfo的一些重要功能特性的研究与实现方式。

1 REInfo软件构架与关键技术研究

1.1 软件构架

REInfo基于二维 GIS基础平台和三维空间数据管理引擎,将业务流程的数据信息纳入统一的管理平台,在应用层提供了传统估算方法、地质统计学法、三维建模等功能模块,软件构架如图1所示。

图1 REInfo软件体系结构

REInfo在软件框架设计过程中,充分考虑了与数字地质调查软件体系 (DGSS)的完整性,将资源储量估算过程涉及的原始探矿工程数据管理与综合处理功能纳入到数字地质调查信息综合平台 (DGSInfo),但对用户而言,系统提供的软件功能是全面的 (图1),并且DGSInfo和REInfo对基础数据的访问接口是唯一的,无须重新组织数据;换句话说,数据综合处理阶段和资源储量估算阶段的数据和系统是连通的,无须靠数据交换即可实现信息整合。

DGSInfo提供了探矿工程数据综合、处理、制图过程过程相关功能,包括:槽井坑钻探矿工程数据、勘探线数据、采样分析数据的录入与组织管理,自动输出槽井坑钻探矿工程数据采集表、素描图、矿区平面图,多模式多用途钻孔综合柱状图应用等。

REInfo提供的功能主要包括:基于条件表达式设置工业指标,勘探线剖面图生成与编辑,单工程 (单指标、多指标)矿体圈定与人机交互编辑,规则与交互式剖面矿体连接 (直线、曲线模式),地质块段法、剖面法、地质统计学法 (含距离加权反比法)资源储量估算,煤矿资源储量估算,采空区动态储量管理,矿体三维显示与分析,各种表格与图件输出等。

REInfo系统的界面设计采用标签视图方式,将不同阶段工作进行按照“标签+列表+视图”方式进行展现,即不同的工作阶段用不同的视图展现,而对于不同视图之间的切换则通过不同的标签实现;每个视图控制的菜单功能、数据组织列表根据该工作阶段进行定制。

1.2 关键技术

1)创建了集野外数据采集、成果综合、资源储量估算和矿体三维建模与表现的全过程信息化,为矿产资源调查工作提供了有效工具和平台。

以数字地质调查系统为基础,通过数据”层”模型、数据流”池”技术、不同阶段数据模型继承技术、数据互操作技术,研究开发高效的面向矿山地质的多源异构、多尺度、多维动态勘查综合资料数据一体化存储与管理空间数据引擎,建立了多源异构、多尺度、多维动态勘查综合资料数据一体化存储与管理技术,解决了地质调查工作流程与软件流程一致性难点,实现了从野外数据采集到成果综合、资源储量估算全过程数字化,大大减低了使用难度和满足了地质人员工作习惯。在单机上高度集成了传统的资源储量估算方法、地质统计学方法和三维矿体建模模块,为矿产勘查项目成果报告编制提供了有效工具和平台,大大提高了资源储量估算和报告编制的效率和成果精度。

2)创建了矿山地质多源数据和多种资源储量估算方法耦合三维建模关键技术与方法,建立了三维地质建模、品位估计与资源储量估算相结合的无缝流程。

基于地质块段法、剖面法、底板等高线法、地质统计学等方法的资源量估算方法,研究与提出了适合矿山地质空间数据多源异构特点和应用需求的三维地质建模技术方法,包括:多源地质数据匹配及一致性处理技术;基于地表高程数据、地物化遥数据 (图)、探矿工程数据 (槽井坑钻数据)、多约束条件的单工程矿体圈定模式、勘探线剖面图等多源数据耦合三维地质结构建模技术;三维地质结构模型约束下的地质体 (矿体)内非均值属性参数空间分布变化模型建模;建模算法的选择及交互方式自适应机制;模型重构的反馈机制及修正技术等。在此基础上,建立了三维地质建模与资源量估算相结合的无缝流程。

2 系统功能特性研究与实现

2.1 基于无缝一体化技术的数据组织与管理

REInfo提供了多元 (源)异构、多尺度、多维动态勘查综合资料数据一体化存储与管理平台,基于业务流程的无缝一体化数据模型建模技术[4],保证了采集、存储、处理等各阶段数据的继承性和交换过程的信息完整性,支持地形地质图数据、工程地质编录数据的组织管理;动态辅助绘制生成的勘探线剖面图、矿体投影图、中段图、纵剖面图等成果图件可以进行统一保存;通过三维 GIS平台实现地形、勘探工程、矿石品位、勘探线剖面的三维建模及矿体表面和品位模型数据的数据库建库和存储。数据格式主要包括:

①不同比例尺地质图件,如地形地质图、勘探线剖面图、钻孔柱状图、矿体投影图等,其存储格式主要为Map GIS、JPG、TIF等;②数据库资料,如工程编录信息,其存储格式多为ACESS文件;③数字高程模型数据;④三维建模数据;⑤文字与报表,如Wo rd、Excel、TXT文本。

通常情况下,资源储量估算过程是按勘探线来组织探矿工程数据的。考虑到实际工作模式,系统提供一种工程池 (EngPool)机制来存储临时的工程编录信息,如果需要将这些未编勘探线号的工程纳入资源储量估算流程,则可以通过统改勘探线号方式或者采用虚拟勘探线技术来实现(图2)。在数据组织过程中,难免会出现一些错误的信息。系统提供了数据检查工具,对数据进行一定范围的有效性与准确性的检查。

本系统提供了矿区数据批量导入导出工具,实现了矿区数据快速交换 (图3)。交换的数据包括地形地质图,矿区边界范围,勘探线信息 (勘探线起始点坐标、各测量点坐标),勘探工程基本信息 (工程编号、测量坐标),勘探工程地质编录数据 (比如:地表工程的导线信息、刻槽样等;钻探工程的测斜信息、分层信息、劈心样等),取样分析结果。

2.2 基于条件表达式的符合多元素、多品级的单工程矿体圈定模式

单工程矿体圈定是勘探线剖面的矿体圈连及资源储量估算的基础,传统的单工程圈定过程主要依靠人为判断及手工计算,工作量大且易出错。本系统提供了一种基于条件表达式及多矿石品级分类的综合矿体自动圈定的方法,将每种矿石品级的圈定条件用条件表达式的方式进行组织,利用程序的自动解析来完成样品所属的矿石类型和矿石品级的判断,最后基于矿石自然类型等条件来进行自动化的矿体圈定[5]。具体实现过程中将所有的圈定判断条件以圈定的矿石品级或矿体为单位进行组织并转化为表达式语句。针对多元素折算、共生矿物含量扣除等要求,生成的条件表达式不但包含逻辑判断语句,还支持计算式的求值。通过条件表达式的判断,确定样品所属的矿石品级,同时根据最低可采厚度、夹石剔除厚度等工业指标判断矿体连续性,最后生成连续矿段[5-6]。图4为某矿区不同品级的条件表达式示意。

图2 虚拟勘探线技术实现

图3 数据的导入导出

图4 条件表达式浏览

由于系统自动进行单工程矿体圈定,可能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,从整体来考虑,需要修改部分矿体的边界。因此采用人-机对话方式,对单工程圈定结果进行修改 (见图5),包括:合并与拆分圈定结果、修改单个圈定结果上下边界、生成与删除圈定结果,并实时在屏幕上显示修改结果,直至满足矿区要求为止。每次修改后,程序自动将修改结果写入单工程圈定结果数据库中并替换原来的记录。

图5 单工程矿体圈定结果交互修改过程

2.3 基于规则与交互方式的剖面矿体圈连过程

剖面矿体圈连是在单工程矿体圈定的基础上,分析两个相邻见矿工程其矿体厚度圈定后是否均合乎工业要求,赋存部位是否互相对应,是否符合地质规律,在此基础上,将这两个工程所见的矿体连接成同一矿体。本系统通过将地质人员在进行剖面矿体连接的一些基本要求与规则进行参数化处理,基于属性与规则判断的方法,采用“规则+交互”方式连接矿体,并允许扩展,从而实现复杂条件下的工程间矿体圈连。为方便用户选择圈连规则,系统提供各种约束条件规则,在选择某一规则的基础上进行空间与属性交互式连接矿体,例如可以选择外推的约束方式,可以选择连接面积的曲线或直线方式。剖面矿体圈连后,系统自动计算矿体的面积和品位等。地质人员可以根据地质实际情况进行适当的修改矿体圈连结果 (图6)。另外,考虑到地质统计学法合成样分析范围约束、空块模型约束、品位估值约束需要用到圈连好的矿体,系统提供一种勾绘轮廓线方式快速获得剖面上矿体边界和夹石边界,以便快速构建三维空间内的矿体轮廓 (图7)。

2.4 提供多种传统资源储量估算方法和地质统计学法应用流程

本系统提供了地质块段法、垂直断面法、水平断面法、不平行剖面法等传统资源储量估算流程;各种方法应用过程充分利用 GIS辅助工具和三维模拟工具提高计算精度和效率 (图8、图9)。地质块段法估算过程,为了满足交互过程用户操作的灵活性和准确性,系统提供了如下功能:对矿体投影图件的点线区编辑,允许定义规则外推矿体,可按勘探线和工程约束方式设置外推块段的距离和外推点方向,根据块段的尖灭点个数计算块段厚度,利用投影图面积拓扑检查处理矿体包含关系,允许处理加密工程。垂直断面法估算流程中,对于块段的划分,系统提供了可视化划分块段、基于三维环境动态构建块段等模式。

图6 规则加交互方式的矿体圈连

图7 轮廓线绘制方式

图8 地质块段法交互过程

在矿山储量统计时,往往需要根据矿权界线、开采界线统计资源储量;又例如在深部找矿工作中,同样存在统计深部钻探或外围加密工程控制的资源储量的需求。传统方法估算流程中将这些约束条件多样化,为基于不同高程范围及矿界约束条件的储量估算与统计和提高精度提供了有效手段 (图10、图11)。

此系统提供完整的地质统计学法估算资源储量的应用流程,包括实验变差函数计算 (图12)、理论变差函数拟合 (图13)、结构套合功能、搜索椭球设置、交叉验证和克立格估值等功能模块[7],其中估算方法有:简单克立格法、普通克立格法、指示克立格法等。同时提供完整的样品等长度组合,基于矿体三维表面模型约束的空块划分和边界细分处理,资源储量分级,多模式统计汇总等功能。

图9 垂直断面法交互过程

图10 断层约束

图11 高程范围约束统计

图12 实验变差函数计算

图13 理论变差函数拟合

2.5 三维地质建模与资源储量估算相结合的无缝流程

此系统基于三维平台提供的三维数据建模和分析功能,实现了基于无缝一体化技术的实体或矿块建模流程,并结合资源储量估算过程,提供最直观的分析决策手段 (图14～图17)。建模的层次包括以下几个方面:

1)能够根据数字高程模型、勘探工程测量数据等进行原始数据三维模型显示。

2)矿体的实体建模以勘探线剖面图为基础,采用基于轮廓线重构面的方法来对矿体进行连接,并通过剖面上的矿体截面形态来构建三维矿体表面,并能够自动计算矿体体积、品位等信息。

3)在矿体边界约束条件下,将地质统计学法估值结果进行三维显示,以立方体或长方体表示块体(体元)模型,对边界区域进行局部单元细化。

4)提供剖切矿块模型工具,整合显示不同方向的切割面,从而达到分析目的。生成的剖切模型可以存储成二维 GIS格式文件,并加载到矿体剖面图、矿体中段图中。

图14 矿体表面模型

图15 矿体块体位模型

图16 三维剖切

图17 采空区三维管理

5)实现了基于采空区储量动态管理功能,允许用户充分利用三维环境下的体求交手段快速获取采空区储量信息。

6)基于真实三维坐标建模方式,允许按轮廓线勾画矿体外边界并构建三维真实空间形体,从而为地质统计学法估算过程的边界约束提供了更准确的矿体形态。

2.6 成果表达标准化与 GIS辅助工具提高图表制作过程的效率

本系统实现了从野外数据采集、管理、综合处理到成果图件管理与输出一体化,利用各种灵活的 GIS辅助工具动态制作地形地质图、工程素描图、钻孔柱状图、勘探线剖面图、矿体投影图、中段图、纵剖面图、品位吨位图等;GIS辅助工具包括样道、样品品位表、责任表、图框的自动生成,注记模板的设置与注记的交互处理等,大大提高了成图过程的效率。成果表达的另一重要方式是报表,本系统将单工程矿体圈定结果、地质块段法、剖面法估算结果等按照EXCEL报表格式进行自动模板式输出。图表生成过程充分考虑国家标准、行业标准,并遵循实际地质工作习惯。

3 总结

REInfo提供了面向数字地质矿产调查与数字矿山的解决方案,获得了矿区地质人员的高度评价,本系统的应用不但为地质人员应用高新技术降低了门坎,而且极大地提高了研究精度和效率,丰富了成果的表现形式和服务形式;为他们获得详实的矿产资源储量提供了数字化、可视化、智能化的辅助工具;同时也为下一步的矿山开采设计、矿床经济评价提供了参考依据,使矿山地质工作人员直接感到了新技术在提高效率和精度等方面带来的好处。目前,本系统已广泛应用于矿产资源调查评价、全国危机矿山接替资源调查等项目,涉及全国地质、煤炭、冶金、有色、武警黄金、化工、建材等部门,在找矿工作中发挥了重要作用,取得了明显的地质效益和社会效益。

[1] 李赋屏,蔡劲宏,任建国.矿业软件在矿产储量评价中的应用 [J],桂林工学院学报,2005,25(1):26-30.

[2] 姜华,秦德先,陈爱兵,等.国内外矿业软件的研究现状及发展趋势 [J].矿产与地质,2005,19(4):422-425.

[3] 陈国旭.支持传统方法的矿产资源储量估算软件研究进展[J].国土资源信息化,2009,(2):8-12.

[4] 李超岭,杨东来,李丰丹,等.中国数字地质调查系统的基本构架及其核心技术的实现 [J].地质通报,2008,27(7):923-944.

[5] 倪平泽,刘修国,李超岭,等.3D矿床建模技术在数字矿产勘查中的应用 [J].地球科学—中国地质大学学报,2010,35(3):444-452.

[6] 李超岭,等.数字地质调查系统操作指南 [M].北京:地质出版社,2011.

[7] 刘海英,刘修国,李超岭.基于地质统计学法的三维储量估算系统研究与应用 [J].吉林大学学报:地球科学版,2009,39(3):541-546.