1999年首屆“國際數(shù)字地球”大會上提出了“數(shù)字礦山”（Digital Mine，簡稱DM）概念后，“數(shù)字礦山”科學研究與技術攻關悄然興起，2008年末被列為國家“863計劃”?！皵?shù)字礦山”是對真實礦山整體及其相關現(xiàn)象的統(tǒng)一認識與數(shù)字化再現(xiàn)，是在統(tǒng)一的時空框架下，科學合理地組織各類礦山信息，將海量異質(zhì)的礦山信息資源進行全面、高效和有序的管理和整合。三維建模軟件是實現(xiàn)“數(shù)字礦山”的基本工具，本文結合國內(nèi)外的三維軟件的功能和特點，簡要介紹了其在地質(zhì)找礦中的應用。

1 三維建模的基本方法

總得來說，模擬的方法主要有面模型、體模型和混合模型等[1]。

面模型主要是通過對地質(zhì)界面的模擬，然后組合成體的辦法。如表面（Surface）構模法、邊界表示（B-rep）構模法、線框（WireFrame）構模法、多層DEM構模法、斷面（Section）構模法；面模型可以較方便地實現(xiàn)地層可視化和模型更新，但其不是真三維的，也不描述三維拓撲關系。

體模型主要是直接構造體的辦法。如結構實體幾何（CSG）構模法、八叉樹（Octree）構模法、四面體格網(wǎng)（TEN）構模法、塊段（Block）構模法、實體（Solid）構模法；體模型模擬是真三維的，但也幾乎描述三維拓撲關系，模型更新也比較困難。

混合模型是由兩個或多個構模方法相結合來進行構模。如TIN-CSG混合構模法、TIN-Octree混合構模法、WireFrame-Block混合構模，體模型綜合面模型和體模型的優(yōu)點，相互取長補短，但其在技術實現(xiàn)上相對比較困難。

2 國內(nèi)外常用模擬軟件

近幾年來，國內(nèi)外在科學可視化（Sciv）

、三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）、三維地學模擬系統(tǒng)（3D Geosciences Modeling System，3DGMS）、三維有限元數(shù)值模擬（3DFEM）領域的研究進展迅速.真三維地層構模、地面與地下孔空間的統(tǒng)一表達、陸地海洋的統(tǒng)一建模、三維拓撲描述、三維空間分析、三維地層過程模擬等，已成為多學科交叉的技術前沿和攻關熱點，相應的理論、技術、方法與軟件系統(tǒng)不斷豐富和發(fā)展[2～5]。

國內(nèi)外的地學信息工作者圍繞著3DGMS，開發(fā)了一系列的三維地質(zhì)可視化軟件。從20世紀80年代開始，國外許多國家就展開了三維地學可視化系統(tǒng)的研究與開發(fā)。1988年法國Nancy大學的J.L.Mallet教授推出了GOCAD（地質(zhì)對象計算機輔助設計），其目的是滿足地質(zhì)、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設計需要。在20世紀90年代初期，開發(fā)了一系列基于UNIX操作系統(tǒng)和用于工作站環(huán)境（如LYNX、Vulcan/MapTek、Datamine、Mincom、Medysystem、Surpac、MK Eagleg等）；20世紀90年代中期以來，隨著微機性能的提高，一些3DGMS軟件開始移植到Windows操作系統(tǒng)和微機環(huán)境（如Micromine、Mincom、Geoquest、SiteView、Geovisual、MineMap、PC-Mine、Vulcan、GeoCAD等）；20世紀90年代后期，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和BIT操作系統(tǒng)的熱潮，相繼推出了一些基于BIT環(huán)境和支持網(wǎng)絡共享的系統(tǒng)（如Vulcan）。近年，微機性能得到大幅度的提高，基于工作站的3D GMS逐漸喪失當年的優(yōu)勢，基于Windows操作系統(tǒng)和微機環(huán)境的3D GMS開始成為主流[6]。美國、加拿大、英國等一些國家相繼推出多種代表性的地學可視化建模軟件。

國內(nèi)這方面的研究起步相對較晚，但也開發(fā)一系列的三維建模軟件。其中代表性的有1996年中國科學院地球物理研究所與勝利石油管理局在國家自然科學基金重點項目“復雜地質(zhì)體”中，開始追蹤研究GOCAD；長春科技大學在阿波羅公司TITANGIS上開發(fā)了GeoTrans GIS三維GIS，主要用于建立中國乃至全球巖石圈結構模型的三維信息；石油大學開發(fā)的RDMS、南京大學與勝利油田合作開發(fā)的SLGRAPH都是用于三維石油勘探數(shù)據(jù)可視化[7]，中國地質(zhì)大學開發(fā)的三維可視化地學信息系統(tǒng)（GeoView）。還有其他一些三維建模的軟件，可以說取得了一定的成果。

國外軟件主要有EarthVision，3Dmove，Geosec，BASIN，Gemcom，GeoVisual，SiteView，F(xiàn)astTracker，YNX，Vulcan，DataMine，MinCom，Medysystem，MicroMine，PC-Mine，Surpac，Mine SOFT等；國內(nèi)軟件主要有Geoview，TitainT3M，GEIS，3DGVS，GeoMO3D等[2～8]。

3 軟件應用

3.1 DATAMINE

DATAMINE是世界礦業(yè)領域內(nèi)具有領先水平的采礦技術應用軟件。主要應用于地質(zhì)勘探、儲量評估、礦床模型、地下及露天開采設計、生產(chǎn)控制和仿真、進度計劃編制、結構分析、場址選擇，以及環(huán)保領域等。主要功能如下。

（1）基本功能：交互式3D設計，數(shù)據(jù)管理、處理及成圖。

（2）勘探：樣品數(shù)據(jù)輸入輸出，統(tǒng)計分析，鉆孔編輯，地質(zhì)解釋。

（3）地質(zhì)建模：地質(zhì)統(tǒng)計，礦塊模型，礦床儲量計算。

（4）巖石力學：構造立體投影圖和映射圖、建立巖石模型。

（5）露天開采：境界優(yōu)化，中長期計劃，采場及運輸?shù)缆吩O計。

（6）地下開采：采場設計、優(yōu)化，開拓系統(tǒng)設計。

（7）礦山輔助生產(chǎn)：測量，品位控制，進度計劃編制，配礦。

（8）復墾：環(huán)境工程，綜合回收，土地復墾和利用研究。

國內(nèi)主要用戶：用戶涉及有色、冶金、煤炭、核工業(yè)等多個行業(yè)，在其行業(yè)中的大型礦山、設計院、科研院所及高等院校中有很高的普及率和良好的市場反饋，目前有北京有色研究設計總院、安徽銅陵冬瓜山銅礦、安徽馬鋼集團姑山礦業(yè)公司、中國礦業(yè)大學（北京）、內(nèi)蒙古準格爾黑岱溝煤業(yè)公司、石家莊核工業(yè)第四設計院、中鋼石家莊設計研究院、鞍鋼集團鞍山礦業(yè)公司、中南大學地學院、中南大學資源與安全學院、中鋼秦皇島設計院、陜西四方金礦、北京礦冶研究總院等大批用戶。

3.2 Surpac Vision

Surpac軟件系統(tǒng)是澳大利亞SURPAC MINEXGROUP（簡稱SURPAC）的產(chǎn)品。從創(chuàng)建之始，SURPAC就致力于為礦產(chǎn)資源業(yè)開發(fā)采礦規(guī)劃及管理軟件系統(tǒng)，并且逐步將業(yè)務領域從澳大利亞拓展到全球，已從最初的測量工程軟件，發(fā)展成為一個綜合的礦山環(huán)境軟件。

應用范圍：勘探和地質(zhì)建模、鉆孔編錄、露天和地下礦山設計、采礦生產(chǎn)進度計劃、尾礦庫設計等。

主要功能：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、鉆孔編錄、數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)字地形的建模和等高線的繪制、基礎的和高級的地質(zhì)統(tǒng)計學分析、格狀解釋模型和等值線繪制、塊模型、斷層建模等。

國內(nèi)主要用戶：SURPAC（中文版）在礦山和地質(zhì)勘探領域擁有眾多用戶，由于SURPAC軟件功能強大，易學易用，用戶能夠獲得本地化的技術培訓和支持，SURPAC在中國獲得高速增長，目前，我國露天礦山、地下礦山、礦山設計及研究院所、地質(zhì)勘查單位、礦業(yè)大學等領域超過100家單位在使用SURPAC軟件。

程天赦[9]介紹了澳大利亞SSI公司開發(fā)的三維可視化礦山工程軟件SURPAC的主要模塊和功能特點，并將Surpac Vision與普通GIS軟件相對比，分析了Surpac Vision軟件功能的專業(yè)性和針對性。在此基礎上，結合金屬礦山開采的主要步驟，綜合論證了這套軟件系統(tǒng)在我國金屬礦山數(shù)字化建設中的推廣應用前景。吳亞民[10]以武山銅礦中段生產(chǎn)探礦資料為例，闡述了應用SURPAC軟件建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和礦體實體模型，塊體模型的賦值的方法、技巧，簡述了建立數(shù)字化礦床的方法和步驟。

3.3 MICROMINE

MICROMINE軟件是澳大利亞MICR OMINE國際礦業(yè)軟件有限公司開發(fā)的大型專用礦業(yè)軟件。

應用范圍：它主要用于地質(zhì)勘探、資源評估、儲量計算及露天礦和地下礦礦山設計和開采。

主要功能：MICROMINE提供了與其他數(shù)據(jù)庫和相關軟件接口的功能，使該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可被其他數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和相關軟件查詢和編輯，能夠?qū)崿F(xiàn)各種工程和礦體的三維立體顯示和成圖，并根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計學的方法和原理提供進行礦體品位和儲量估值的各種方法，同時還可以進行礦山的開采設計以及數(shù)字地形模型的建立。

國內(nèi)主要用戶：經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，MICROMINE是一套成熟的礦業(yè)專業(yè)軟件MICROMINE被認為是業(yè)界最易學的軟件。它提供強大的功能滿足地質(zhì)人員、測量人員和采礦人員需求的同時卻不需要繁瑣的長時間的培訓。

昆明理工大學楊建宇[11]用大型三維礦業(yè)軟件系統(tǒng)MICROMINE建立了云南北衙金礦的三維模型，包括地形模型、礦床三維線框模型、礦床三維品位模型、采礦工程模型，并進一步探討了基于該模型之上的儲量計算、礦山動態(tài)管理、經(jīng)濟評價等方面的應用；2007年陳愛兵[12]應用MICROMINE軟件技術在個舊錫礦x號礦體，建立了三維實體模型，并進行了儲量計算。中南大學龔元翔[13]以某露天鐵礦為研究對象，利用MICRONMINE軟件建立露天礦山的三維實體模型。結果顯示，建立的三維實體模型能更加準確、直觀反映礦床與工程實體的形態(tài)及其空間分布關系。根據(jù)建立的三維實體模型，進行了儲量計算、開采境界優(yōu)化、坑內(nèi)公路設計等工作，并為后期的生產(chǎn)計劃編制和生產(chǎn)過程控制提供了可靠的依據(jù)。張宏達[14]論述了MICROMINE軟件功能和特點，介紹了黃金行業(yè)工程設計中應用計算機軟件的現(xiàn)狀，分析了MICROMINE軟件在中國黃金行業(yè)的應用前景。

3.4 VULCAN

VULCAN系統(tǒng)是個集地質(zhì)工程、環(huán)境工程、地理地形、測量工程、采礦工程等于一體的，主要用于地表及地下三維數(shù)據(jù)的處理，形成三維立體模型的工程軟件系統(tǒng)。

主要包括以下模塊。

（1）Envisage 3D Editor-Vu1can-軟件的核心模塊。包括文件管理、圖形編輯、視圖管理、空間面的形成與蝙輯、道路設計、測量、地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理、露天礦的開采設計等。

（2）Database Editor（Dbeute）-數(shù)據(jù)庫編輯模塊。主要包括鉆孔數(shù)據(jù)庫的結構設計（Datasheet文件）鉆孔數(shù)據(jù)庫的編輯等。

（3）Borehole Graphics[Bhgute]-鉆孔圖的編輯摸塊主要包括：Mapfile（鉆孔圖文件）的形成。

（4）Grid Reserves[Rsvute]-用格網(wǎng)模型計算儲量樓塊。

（5）Advanced 2D Grid Modelling[Gdealc]-高級二維格刪饃型創(chuàng)建模塊。

（6）Plotting files-用于形成繪圖文件。

宋子嶺[15]應用VULCAN軟件成功地建立了元寶山露天煤礦的礦床地質(zhì)模型，進行地質(zhì)儲量管理，形成采場測量驗收現(xiàn)狀圖，并編制各種開采生產(chǎn)計劃；中南大學張普斌[16]利用Vulcan軟件系統(tǒng)對烏奴格吐山銅一鉬礦床地質(zhì)體進行三維可視化研究，建立了礦體及斷層的三維模型，并采用現(xiàn)代地質(zhì)統(tǒng)計學方法進行了礦體品位和儲量估算，為礦山更直觀地研究礦體的形態(tài)產(chǎn)狀特征及生產(chǎn)規(guī)劃提供了科學依據(jù)；石菲菲[17]運用Vulcan三維可視化軟件，對錫鐵山鉛-鋅礦區(qū)3062 m中段以下5～75線之間的主要礦體進行三維可視化研究，全方位、真實地表達近年來的地質(zhì)勘探成果，并通過儲量計算與找礦預測，為下一步地質(zhì)勘探工作提供科學依據(jù)，為礦區(qū)信息化建設提供基礎資料；中科院地理所吳健生[18]在VULCAN的軟件環(huán)境下對新疆阿舍勒礦體進行三堆計算機模擬和可視化研寬，建立阿舍勒銅辭礦的三堆礦體模型和地質(zhì)模型，以便更直觀的研究和分析礦體的形態(tài)主化規(guī)律，同時在把礦體細分為小的長方體塊的基礎上，利用現(xiàn)代數(shù)學地質(zhì)統(tǒng)計方法中的距離反比法和普通克立格方法對礦體進行品值估算和儲量計算。

3.5 Geoview[19]

GeoView是由中國地質(zhì)大學（武漢）國土資源信息系統(tǒng)研究所研制的具有自主知識產(chǎn)權的可視化地學信息系統(tǒng)平臺。

主要特點：該系統(tǒng)采用多S結合與集成的方式，融合了常用數(shù)據(jù)庫技術（DBMS）、輔助設計技術（CADS）、地理信息系統(tǒng)技術（GIS）、地球空間定位技術（GPS）、遙感技術（RS）、專家系統(tǒng)（ES）、三維建模和空間分析技術（3DS）。

應用范圍：八大應用系統(tǒng)（地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)GeoSurvey、水文泥砂系統(tǒng)GeoHydroloy、地質(zhì)災害系統(tǒng)GeoHazard、河道信息系統(tǒng)GeoRiver、盆地模擬系統(tǒng)GeoPetroModeling、 數(shù)字礦山系統(tǒng)GeoMine、城市管線系統(tǒng)GeoPipe和水電地質(zhì)三維系統(tǒng)GeoEngine），完成了數(shù)十個與地質(zhì)相關的軟件研制項目。

3.6 GeoMo3D

全稱：三維地學建模系統(tǒng)。

簡稱：GeoMo3D。

首次發(fā)表日期：2005年6月6日，當前版本號：3.0。

開發(fā)單位：東北大學。

應用范圍：本軟件適用于測繪、城市規(guī)劃、采礦、地質(zhì)、礦山設計與規(guī)劃、資源勘察與評估、水利工程建設、巖土工程、防災減災設計等行業(yè)。

特點和功能：以鉆孔資料作為主要的數(shù)據(jù)源，其他遙感、物探、化探資料為輔助數(shù)據(jù)源的真三維地學模擬軟件。能采用TIN、多層DEM、廣義三棱柱（GTP）、規(guī)則六面體等多種建模方法建模。通過靈活的三維交互技術，可以對所建立的地質(zhì)模型進行任意的剖切、虛擬開挖設計與漫游等操作，可以進行空間度量、面積、體積統(tǒng)計、拓撲查詢等多種空間分析，能與多種軟件如有限元分析軟件、AutoCAD等進行數(shù)據(jù)交換。

3.7 MAPGIS-TDE[20，21]

開發(fā)單位：中國地質(zhì)大學MAPGIS公司。

基于基礎GIS軟件平臺MAPGIS，利用功能強大的三維可視化開發(fā)平臺MAPGIS

-TDE，設計、開發(fā)具有自主版權的三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)。MAPGIS-TDE包括MAPGIS內(nèi)核模塊、MAPGIS-TDE基礎平臺、MAPGIS-TDE構建平臺和基于MAPGIS-TDE的應用系統(tǒng)等4個層次?；贛APGIS-TDE的三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)分為地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、二維地質(zhì)分析、地質(zhì)斷面處理、地質(zhì)結構建模和地質(zhì)屬性建模等5大功能模塊。系統(tǒng)實現(xiàn)時，將空間數(shù)據(jù)庫劃分為基礎地理圖形庫、區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地球物理數(shù)據(jù)庫、地球化學數(shù)據(jù)庫等6類。該系統(tǒng)不儀提供了強大的地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)建模以及模型的可視化功能，還為專業(yè)技術人員提供了一個可視化的分析、設計平臺。

4 三維預測

通過建立礦區(qū)的三維模型，對深部或外圍進行成礦預測，國外今年來取得了豐富的成果。2002年美國科特茲山通過建立二維和三維模型，以及后期的鉆探驗證，發(fā)現(xiàn)了270 t金礦體，平均品位達9.5 g/t[22]；2004年加拿大Nickle Rim South通過三維建模和鉆探，發(fā)現(xiàn)了礦床，礦石資源量達1370萬噸。

近年來我國學者也進行了大量的探索，取得了一些可喜的成績。

王功文[23]根據(jù)云南普朗斑巖銅礦床地質(zhì)特征以及礦區(qū)72個見礦鉆孔中8145個巖芯樣品的銅含量分析數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析技術和利用鄰近距離統(tǒng)計分析方法，優(yōu)化和提取了礦床定位預測所需點位的數(shù)據(jù)信息（包含三維空間坐標及其對應的銅含量數(shù)值）。在此基礎上，選用反距離權重內(nèi)插法，在比例尺1∶10000的尺度上，確定了該礦區(qū)銅元素在海拔3171～4319 m不同高度的空間分布狀況，并利用3D GIS的規(guī)則六面體成像技術和鄰近采樣點插值法，建立了該銅礦床含礦巖體（銅含量不小于0.2%）和銅礦體（銅含量不小于0.3%）的三維模型，確定含礦巖體和銅礦體的形態(tài)為“錐狀體”。最后，在綜合分析云南普朗銅礦床特征及其保存條件和剝蝕狀況以及鉆探資料和礦床三維空間特征的基礎上，確定礦床的南西側(cè)具有較好的找礦潛力，認為礦床的東、北兩側(cè)深部是有利的成礦遠景區(qū)。

陳建平[24]在現(xiàn)代成礦預測理論研究基礎上，利用已有的商業(yè)三維地質(zhì)建模軟件，建立了一套基于三維可視化技術的隱伏礦體三維立體定量預測方法和流程，結合云南個舊錫礦實例探討大比例尺隱伏礦體三維定量預測的數(shù)據(jù)預處理、三維地質(zhì)建模過程和三維定量預測方法。使用三維可視化技術結合找礦信息量法確定了研究區(qū)找礦有利靶區(qū)，計算了含礦遠景單元的找礦概率，估算了工程驗證區(qū)金屬資源礦體量。應用實例表明了應用三維可視化技術進行隱伏礦體三維定量、定位和定概率的有效性。

鄒艷紅[25]認為廣西大廠礦田長坡一銅坑礦區(qū)礦床形成與分布的主要控制因素有地層巖性、巖漿巖體和斷層、褶皺構造。結合大廠礦田多年來積累的地質(zhì)資料信息，提取了鉆孔、坑道采樣化驗數(shù)據(jù)與地質(zhì)體的幾何取點等礦床隱伏礦體預測專題數(shù)據(jù)，建立了各種地質(zhì)體幾何模型；以此為基礎進行控礦地質(zhì)條件的定量分析，以立體單元形式對地質(zhì)空間進行分割抽樣，提取了立體單元控礦作用定量化指標；通過一種有效的礦床三維數(shù)學模型建立方法，對礦床地下三維空間中隱伏礦體進行了定位、定量預測和結果驗證，并開發(fā)了預測結果的三維可視化動態(tài)查詢系統(tǒng)。

5 存在的問題

到目前為止，在地質(zhì)體三維可視化模擬方面已經(jīng)進行了大量的研究，但其在理論、方法、技術和軟件等方面都尚有不足之處，仍需在實踐中不斷的探索。

地質(zhì)軟件還不能很好的表達完整的復雜地質(zhì)體模型，對地質(zhì)信息所包含的巨量信息的處理還不充分，動態(tài)數(shù)據(jù)模型的實施更新也不成熟，為地質(zhì)工作者提供三維地質(zhì)環(huán)境、分析有關地學問題解釋的技術有待完善。而且三維地質(zhì)模型的好壞過多地依賴于地質(zhì)專家的水平，但往往建模人員不懂地質(zhì)，地質(zhì)人員不懂建模，導致模型建立的自動化程度有待提高[26]。

同時國外3D模擬軟件的價格一般比較昂貴，每套平均都在5～15萬美元之間，維護起來也比較昂貴，導致國內(nèi)用戶使用成本偏高，因而，國外的3D軟件現(xiàn)在還未在中國市場大規(guī)模的應用。但是，對著近年來國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，尤其是地質(zhì)找礦突破找略的提出，對3D軟件將會有更為強烈的市場需求，給國內(nèi)的軟件開發(fā)提供了巨大的機遇期。

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