荊永濱 代碧波 孫光中，5

(1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南 鄭州451191;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000;5.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

礦山鉆孔數(shù)據(jù)是礦山三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)一般僅反映礦山地質(zhì)對(duì)象在特定空間位置上的屬性信息，而非地質(zhì)對(duì)象在特定空間內(nèi)的全面信息［1-2］。例如，鉆孔巖心取樣的各種元素品位、巖性等信息僅能反映樣品所處位置的元素品位、體重和巖性等。利用鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解譯、三維重建有助于獲得地質(zhì)對(duì)象在二維和三維空間內(nèi)的全面信息［3-5］。對(duì)此，陳建宏等利用層次型數(shù)據(jù)庫(kù)管理鉆孔數(shù)據(jù)，研究了基于鉆孔數(shù)據(jù)的勘探線剖面圖自動(dòng)生成方法［6］;許哲平等［7］集成鉆孔分層數(shù)據(jù)及相關(guān)的多源數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了具有編輯、管理、發(fā)布和制圖功能的三維可視化鉆孔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高了鉆孔數(shù)據(jù)管理的直觀性和交互性;郭偉娜等［8］利用地質(zhì)數(shù)據(jù)元素，建立了綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，在管理地質(zhì)資料的同時(shí)，能夠?yàn)榈V床建模、隱伏礦體立體定量測(cè)量等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持;吳健飛等［9］利用Microsoft Access 創(chuàng)建礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了在三維環(huán)境下利用鉆孔軌跡和元素品位的風(fēng)格顯示進(jìn)行地質(zhì)解譯;夏艷華等［10］根據(jù)地層地質(zhì)特征建立了鉆孔數(shù)據(jù)的地層層序序列，從而確定了唯一的地層層面插值數(shù)據(jù)，建立了較為精確的地層模型;劉向東等［11］開發(fā)了地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)入庫(kù)、查詢、統(tǒng)計(jì)、管理及匯總表等功能。現(xiàn)有的研究成果主要側(cè)重于鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和制圖，主要利用關(guān)系型數(shù)據(jù)管理鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔的可視化則主要在二維圖形軟件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。礦山三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的鉆孔數(shù)據(jù)管理與三維模型可視化功能，應(yīng)當(dāng)能夠?yàn)榈V體建模、品位估值、生產(chǎn)計(jì)劃編制、境界優(yōu)化等提供所需要的圖形和屬性數(shù)據(jù)。為此，有必要對(duì)鉆孔的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)、鉆孔三維模型建立及可視化進(jìn)行深入研究。

1 鉆孔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

1.1 鉆孔數(shù)據(jù)表

鉆孔數(shù)據(jù)分為圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)2 種類型。圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)鉆孔孔口、鉆孔軌跡和樣品位置等幾何信息;屬性數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)鉆孔和樣品相關(guān)的數(shù)值、文字和時(shí)間信息［8］。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理通常根據(jù)數(shù)據(jù)量大小選擇Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server、Microsoft Access 等數(shù)據(jù)庫(kù)［12］。數(shù)據(jù)庫(kù)具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、共享性高、冗余度低、易擴(kuò)充、數(shù)據(jù)獨(dú)立性高等特點(diǎn)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)能夠以最小的技術(shù)代價(jià)高效的處理數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)必須由服務(wù)進(jìn)程來(lái)管理數(shù)據(jù)庫(kù)文件［13］。因此，針對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)特點(diǎn)采用SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)保存在單一文件中，不依賴于平臺(tái)和其他數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和使用都比較簡(jiǎn)單，對(duì)屬于MB 級(jí)的鉆孔數(shù)據(jù)而言，運(yùn)行速度快于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)［14］。

1.2 鉆孔數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)及建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的需要，將鉆孔數(shù)據(jù)分為孔口表、樣品分析表、測(cè)斜表和地質(zhì)巖性表等4 類，分別見表1 ～表4。

表1 孔口表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 1 Data structure of orifice table

表2 樣品分析表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 2 Data structure of sample table

表3 測(cè)斜表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 3 Data structure of survey table

表4 地質(zhì)巖性表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 4 Data structure of geological lithology table

在計(jì)算鉆孔軌跡時(shí)，可將測(cè)斜表中缺少測(cè)斜數(shù)據(jù)的鉆孔默認(rèn)為下向直孔。

孔口表中必須包含表中的強(qiáng)制字段，可以添加其他字段，如開孔日期、終孔日期、施工單位及鉆機(jī)號(hào)、鉆機(jī)類型、編錄人、檢查人等。

樣品分析表中必須包含表中的強(qiáng)制字段，可以添加其他字段，如礦床所含有的其他元素、樣長(zhǎng)、分析編號(hào)等。

地質(zhì)巖性表中可以自定義添加其他字段。若無(wú)巖性數(shù)據(jù)，可以省略該表。

2 鉆孔數(shù)據(jù)校驗(yàn)

鉆孔數(shù)據(jù)在收集和處理過(guò)程中可能存在各種錯(cuò)誤，在建立鉆孔三維模型之前，有必要對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，查找并修改存在的錯(cuò)誤。鉆孔數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤有2 種:①用于計(jì)算鉆孔空間軌跡的圖形數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤;②通過(guò)人為設(shè)置數(shù)值界限由計(jì)算機(jī)判斷出的錯(cuò)誤和不影響鉆孔軌跡計(jì)算的錯(cuò)誤。第1 類錯(cuò)誤見表5。

表5 第1 類鉆孔數(shù)據(jù)錯(cuò)誤Table 5 Errors existing in borehole data

第2 類錯(cuò)誤包括:①方位角變化大于設(shè)置值;②傾角變化大于設(shè)置值;③樣品長(zhǎng)度大于設(shè)置值;④樣品起點(diǎn)深度大于前一個(gè)樣品的終點(diǎn)深度。

3 鉆孔三維可視化

鉆孔軌跡是鉆孔軸線在空間的位置，勘探中有2類鉆孔:①直線型鉆孔，鉆孔軌跡由孔口坐標(biāo)和孔口方位角、傾角確定;②曲線型鉆孔，鉆進(jìn)軌跡是一條方位角和傾角連續(xù)變化的空間曲線［15］，見圖1。

圖1 鉆孔軌跡Fig.1 Borehole trace

對(duì)于曲線型鉆孔，在精確繪制鉆孔軌跡時(shí)，需要計(jì)算空間軌跡上各點(diǎn)的坐標(biāo)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常將鉆孔軌跡曲線轉(zhuǎn)化為折線，計(jì)算方法有:

(1)均角全距法［16-17］。將相鄰兩測(cè)斜點(diǎn)間的鉆孔軌跡作為直線段，已知兩測(cè)斜點(diǎn)間的測(cè)程，即兩測(cè)斜點(diǎn)的深度差L 和兩測(cè)斜點(diǎn)的方位角平均值和傾角平均值，直線段端點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算公式為

式中，xi、yi、zi分別為地理坐標(biāo)中的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)和高程;i 為測(cè)斜點(diǎn)序號(hào);Li為第i 個(gè)測(cè)斜點(diǎn)與第i－1 個(gè)測(cè)斜點(diǎn)之間的測(cè)程，m;αi為第i 個(gè)測(cè)斜點(diǎn)方位角，(o);βi為為第i 個(gè)測(cè)斜點(diǎn)的傾角，(°)。

(2)全角半距法［16-17］。將相鄰測(cè)斜點(diǎn)上、下相鄰測(cè)程的各一半長(zhǎng)度的鉆孔軌跡線作為直線段，根據(jù)測(cè)程的一半長(zhǎng)度和相鄰測(cè)斜點(diǎn)的方位角和傾角進(jìn)行計(jì)算，測(cè)斜點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算公式為

4 鉆孔三維可視化

4.1 鉆孔三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

鉆孔三維可視化包括鉆孔的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的三維可視化［18］。鉆孔圖形數(shù)據(jù)通過(guò)鉆孔軌跡進(jìn)行可視化，能夠?yàn)榈V山地質(zhì)三維建模提供準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)，包括孔口位置、樣品空間位置等;鉆孔屬性數(shù)據(jù)通過(guò)文字、顏色和圖形等多種方式在三維環(huán)境中進(jìn)行可視化，包括鉆孔編號(hào)、孔深值、樣品的起點(diǎn)和終點(diǎn)深度以及樣品的各種元素品位值、體重、巖性代碼等［19-20］。因此，鉆孔三維模型采用圖形關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。圖形數(shù)據(jù)以點(diǎn)存儲(chǔ)鉆孔孔口位置，以直線段存儲(chǔ)樣品空間位置，數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)圖形的屬性值。

4.2 鉆孔三維模型及屬性可視化

鉆孔三維模型中，每個(gè)鉆孔由表示孔口的點(diǎn)、表示樣品的多個(gè)直線段和對(duì)應(yīng)的表示屬性的數(shù)據(jù)表組成。逐個(gè)計(jì)算樣品直線段的空間位置最終形成鉆孔軌跡，樣品直線段的端點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)樣品長(zhǎng)度、樣品所在的測(cè)斜區(qū)間的角度參數(shù)和鉆孔軌跡計(jì)算的數(shù)學(xué)模型得到，樣品的全部屬性信息作為一條記錄添加至數(shù)據(jù)表。

鉆孔軌跡通常以多段線表示，屬性數(shù)據(jù)則以文字、不同顏色、不同圖形或者不同紋理等方式將數(shù)值或文本等信息表達(dá)出來(lái)。鉆孔模型在三維空間旋轉(zhuǎn)后，圖形和紋理均要重新繪制。巖性的可視化則將巖性代碼對(duì)應(yīng)不同的紋理繪制于鉆孔軌跡一側(cè)。此外，任何屬性數(shù)據(jù)均可以用文字注釋的方式顯示在對(duì)應(yīng)的圖形一側(cè)。

5 應(yīng)用實(shí)例

基于Hoops 3D 框架，采用C+ +語(yǔ)言在Windows平臺(tái)上編寫程序進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。以某銅礦鉆孔為例，礦體由51 個(gè)鉆孔控制，分布于32#～56#勘探線。礦體中含Cu、Tfe、Sfe、Au、Ag 等元素，Cu 邊界品位為0.3%，最低工業(yè)品位為0.5%。通過(guò)原始鉆孔數(shù)據(jù)建立了該礦鉆孔的三維空間軌跡曲線模型，見圖2。

圖2 鉆孔三維空間軌跡曲線模型Fig.2 Trace model of three-dimensional borehole curve

鉆孔中Cu 品位以數(shù)值和直方圖的形式分別顯示于鉆孔軌跡兩側(cè)，36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界見圖3?；诟骺碧骄€的鉆孔圈定了礦體邊界后，即可利用表面重建算法建立礦體或巖層的三維地質(zhì)模型。

圖3 36#勘探線鉆孔圈定的銅礦體邊界Fig.3 Delineation of copper orebody based on 36# exploration line borehole

6 結(jié) 語(yǔ)

基于礦山鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)鉆孔三維模型構(gòu)建及可視化方法進(jìn)行了研究。利用SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)中存在的2 種錯(cuò)類型進(jìn)行了分析，使得鉆孔數(shù)據(jù)校驗(yàn)更全面。針對(duì)2 種鉆孔類型，分別給出了各自鉆孔軌跡數(shù)據(jù)模型的計(jì)算公式。通過(guò)圖形關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)鉆孔三維模型，實(shí)現(xiàn)了鉆孔屬性數(shù)據(jù)的可視化。研究成果對(duì)于地質(zhì)分析、礦床三維建模有一定的借鑒價(jià)值。

致謝 感謝煤礦災(zāi)害預(yù)防控制實(shí)驗(yàn)室河南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地資助。

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