王文杰， 陳建平， 胡　橋， 朱一龍

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

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基于VRP的三維成礦信息集成顯示研究

王文杰1，2， 陳建平1，2， 胡橋1，2， 朱一龍1，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

以青海祁漫塔格虎頭崖多金屬礦床三維成礦預(yù)測為例，針對礦產(chǎn)勘查中從二維礦產(chǎn)預(yù)測到三維礦產(chǎn)預(yù)測到研究成果二維表達(dá)的局限性，探討了在三維成礦預(yù)測方法指導(dǎo)下，通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(VRP)，三維成礦預(yù)測信息集成表達(dá)顯示過程的總體設(shè)計(jì)。對三維成礦預(yù)測中不同學(xué)科的勘探解譯成果集成、綜合分析多源信息以指導(dǎo)工程實(shí)踐具有一定的意義。

VRP軟件；三維成礦預(yù)測；虛擬現(xiàn)實(shí)；集成顯示；虎頭崖多金屬礦床；青海祁漫塔格

0　引　言

隨著地表礦、淺部礦及易識別礦的日益減少，找礦難度日益增大、找礦效果日益降低。20世紀(jì)80年代以來,隱伏礦和深部礦已成為找礦的對象(陳建平等，2007)。礦產(chǎn)資源勘查深度逐漸變深，礦區(qū)的礦產(chǎn)預(yù)測已從傳統(tǒng)的平面二維預(yù)測轉(zhuǎn)向空間立體三維預(yù)測。基于VRP軟件虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)，針對礦山成礦預(yù)測從二維預(yù)測發(fā)展到三維預(yù)測到預(yù)測過程二維表達(dá)的局限性(吳迪等，2002；姜學(xué)智等，2004；陳浩磊等，2011)，提出一種礦山三維成礦預(yù)測信息集成表達(dá)的工作流，形成集二、三維聯(lián)動等功能于一體的礦山成礦預(yù)測信息集成系統(tǒng)，通過統(tǒng)一軟件平臺統(tǒng)一表達(dá)成礦預(yù)測的結(jié)果，對準(zhǔn)確指導(dǎo)礦山工程實(shí)踐具有重大的實(shí)際意義(王紅兵，2001；蘇建明等，2004；鄒湘軍等，2004)。

1　三維成礦預(yù)測

三維成礦預(yù)測主要分為基礎(chǔ)資料收集、三維地質(zhì)體模型構(gòu)建、成礦有利信息提取、信息量計(jì)算與分級與靶區(qū)圈定等具體流程(毛先成等，2011；陳建平等，2014；袁鋒等，2014；于萍萍，2015)。其中，基礎(chǔ)資料包括：工區(qū)的二維圖件(地質(zhì)圖、遙感圖、地形圖等)、工程布置及實(shí)測剖面、鉆孔數(shù)據(jù)等；三維地質(zhì)體建模主要是結(jié)合收集的二維地質(zhì)資料，通過專業(yè)的三維建模軟件(Surpac、3D MAX等)來建立研究區(qū)的地層實(shí)體模型、斷裂實(shí)體模型、巖體實(shí)體模型和已知礦體實(shí)體模型。成礦有利信息的提取就是采用立方塊預(yù)測單元法(史蕊等，2015；徐彬等，2015；向杰等，2016)對研究區(qū)的實(shí)體模型進(jìn)行“打塊”劃分為最小單元塊體。地質(zhì)模型經(jīng)空間劃分得到的預(yù)測單元可以描述地質(zhì)空間中的地質(zhì)體、礦化分布、控礦地質(zhì)因素及找礦表征變量等信息，將這些信息及單元本身的位置等信息賦值給預(yù)測單元，稱為預(yù)測單元約束賦值，表達(dá)這些信息的變量稱為預(yù)測單元屬性(于萍萍，2015)。根據(jù)最小塊體單元的單元屬性值進(jìn)行成礦預(yù)測中有利成礦要素的提取和分析以及三維信息量的計(jì)算和分級。靶區(qū)的圈定是指通過計(jì)算單元塊體的信息量值，確定單元塊體的成礦有利度，根據(jù)成礦有利度來圈定最有利成礦地段，預(yù)測靶區(qū)的圈定是三維成礦預(yù)測的成果之一，用于對工程實(shí)踐給予勘查建議。

2　集成顯示平臺技術(shù)路線

基于VRP(Virtual Reality Platform)三維成礦預(yù)測信息的集成(楊武年等，2003；李胤等，2015)，涉及研究區(qū)域的地質(zhì)、礦產(chǎn)、地球物理、地球化學(xué)、鉆探等大量的數(shù)據(jù)資料、圖件和三維模型，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步綜合集成及應(yīng)用解釋。

三維成礦預(yù)測信息集成顯示平臺研究的技術(shù)路線見圖1。

圖1　技術(shù)路線圖(以Surpac建模軟件為例)Fig.1　Technical route(taking the Surpac modelling software as an example)

三維成礦預(yù)測信息集成顯示涉及到不同類型數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。平臺構(gòu)建工作中，常見的數(shù)據(jù)格式有：以MapGIS為軟件平臺的WT、WL、WP(面)格式文件，以ArcGIS為軟件平臺的shape格式文件以Surpac、3D MAX、3DMine等主流建模軟件為平臺的DTM、3DS、(3DMine數(shù)據(jù)格式)地質(zhì)體模型文件,以AutoCAD為軟件平臺的DXF、DWG格式的工程布置、勘查剖面等文件。

通過單一的軟件平臺VRP來綜合管理成礦預(yù)測過程中不同數(shù)據(jù)格式的各種文件，進(jìn)行研究成果的集成表達(dá)與分析。

以VR技術(shù)、3S 技術(shù)、三維建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等高新技術(shù)為支撐，以深部成礦要素空間數(shù)據(jù)庫為管理后臺，將研究所涉及的原始資料、模型及成果等數(shù)據(jù)信息集成整合到同一個坐標(biāo)系下，進(jìn)行統(tǒng)一的管理并實(shí)現(xiàn)成果輸出和三維展示(于萍萍等，2012)，也就意味成礦預(yù)測過程中不同數(shù)據(jù)格式的所有要素均要轉(zhuǎn)化為VRP軟件支持的VRP格式來進(jìn)行表達(dá)。

WRL和DXF數(shù)據(jù)格式是目前最普遍的兩種數(shù)據(jù)格式，WRL是一種虛擬現(xiàn)實(shí)文本格式文件，DXF是一種矢量圖像的格式文件。三維成礦預(yù)測信息的集成過程中所要表達(dá)的要素均可通過轉(zhuǎn)化成為DXF或者WRL再轉(zhuǎn)化為VRP。

3　集成顯示平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照三維成礦預(yù)測研究的基本流程，對基于VRP的三維成礦預(yù)測信息進(jìn)行集成顯示設(shè)計(jì)。集成顯示平臺主要分為基礎(chǔ)資料、三維模型、有利成礦因素分析、信息量計(jì)算與分級和靶區(qū)圈定5個模塊，每個模塊分別對應(yīng)與三維成礦預(yù)測研究相關(guān)的要素，三維成礦預(yù)測集成顯示平臺的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。

4　集成顯示平臺的構(gòu)建

參照三維成礦預(yù)測信息集成顯示平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以青海祁漫塔格虎頭崖多金屬礦床為例，將三維成礦預(yù)測研究的整體過程劃分為基礎(chǔ)資料、三維模型、有利成礦因素分析、信息量計(jì)算與分級和靶區(qū)圈定5個模塊,基于三維建模技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)(陳建國等，2012；馬賀清等，2012)等技術(shù)，應(yīng)用Surpac專業(yè)地質(zhì)建模軟件、3D MAX以及VRP軟件等構(gòu)建三維成礦預(yù)測信息集成顯示平臺。

圖2　集成顯示平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2　Architecture design of integrated display platform

4.1二維信息的集成

青海祁漫塔格虎頭崖多金屬礦三維成礦預(yù)測研究收集了該研究區(qū)的多種地質(zhì)資料，包括礦區(qū)的1∶1 000 MapGIS格式地質(zhì)圖、工程布置圖、69條CAD格式勘探線剖面圖以及礦區(qū)范圍內(nèi)的30 m分辨率的ArcGIS格式的DEM數(shù)據(jù)。首先對收集到的各種資料進(jìn)行處理(投影轉(zhuǎn)換、校正、融合、矢量化紙質(zhì)圖件等)，以使不同數(shù)據(jù)源的資料在同一坐標(biāo)系下地理位置一致(安力立等，2012)。所有的二維資料格式都要轉(zhuǎn)成WRL虛擬現(xiàn)實(shí)文本格式文件,再以3D MAX軟件為過渡，通過3D MAX與VRP之間的插件VRP-for-3D MAX導(dǎo)入到VRP虛擬現(xiàn)實(shí)場景中。特別需要注意的是VRP軟件不支持線狀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)入，所以對于青?；㈩^崖多金屬礦區(qū)收集的二維勘探線剖面數(shù)據(jù)，首先需要作最小尺寸的緩沖區(qū)，將二維線狀文件轉(zhuǎn)成面狀文件再按照以上步驟完成勘探線剖面場景的導(dǎo)入。

4.2三維模型場景的構(gòu)建

VRP中，三維模型場景的構(gòu)建主要分為三維實(shí)體模型(地上模型+地下模型)、成礦有利信息塊體模型、信息量值塊體模型、圈定靶區(qū)實(shí)體模型。地上三維模型包括由GIS軟件獲取DEM自動生成的地形實(shí)體模型，再將對應(yīng)位置由遙感影像生成的三維立體圖像和地表模型疊加融合。地下三維模型是指根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)概況，利用專業(yè)礦山建模軟件Surpac建立的符合地質(zhì)認(rèn)識的地層實(shí)體模型、斷裂實(shí)體模型、巖體實(shí)體模型和礦體實(shí)體模型。三維模型是成礦預(yù)測的基礎(chǔ)，三維模型虛擬現(xiàn)實(shí)場景的搭建(圖3)使其能夠直觀地表達(dá)礦體的產(chǎn)狀、幾何形態(tài)以及空間分布，從而輔助專業(yè)人員研究礦體與圍巖、地層和構(gòu)造之間的關(guān)系及成礦規(guī)律，進(jìn)而對隱伏礦體作出準(zhǔn)確的預(yù)測。三維成礦預(yù)測研究中不同成礦有利信息的提取分析是最終圈定靶區(qū)的關(guān)鍵，對研究區(qū)實(shí)體模型進(jìn)行“打塊”后，根據(jù)不同條件約束提取有利成礦因子的塊體模型和信息量塊體模型(MDL格式)，通過格式轉(zhuǎn)換構(gòu)建成礦有利信息三維塊體模型場景、信息量分級后的塊體場景等(圖4)。

4.3實(shí)用功能的實(shí)現(xiàn)

基于VRP三維成礦預(yù)測信息的集成顯示平臺以服務(wù)礦山建設(shè)為主要目的。所有二維與三維地質(zhì)信息的集成表達(dá)與綜合研究，首先要能反映地上、地下封閉空間內(nèi)的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象(王彥佐，2010)。為了使三維成礦預(yù)測信息集成顯示平臺更好地輔助工程實(shí)踐，在完成場景構(gòu)建、信息集成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出模型透明顯示、三維坐標(biāo)顯示、屏幕個性移動、信息查詢、自定義切剖面等實(shí)用功能。

圖3　二維剖面場景、三維地質(zhì)實(shí)體模型場景Fig.3　Scenes of 2D profile and 3D geological solid model

圖4　成礦有利信息塊體模型場景Fig.4　Scene showing block model for favorable metallogenic information

礦床形成過程中，受地層、構(gòu)造、巖漿巖等地質(zhì)要素的影響，最終形成的位置與地層、構(gòu)造、巖漿巖存在一定的空間關(guān)系。三維成礦預(yù)測中建立的找礦模型(趙文濤，2012；劉溪鴿等，2015；于萍萍，2015)反映了成礦過程中不同要素對成礦的影響。該平臺通過編輯VRP腳本語言，構(gòu)建按鈕控件來設(shè)置模型透明、半透明和不透明3種狀態(tài)，以避免不同模型交叉重合。改變模型的透明程度能夠直觀表達(dá)找礦模型中各種要素與已知礦體的空間關(guān)系。其次，空間坐標(biāo)信息反映的是空間地質(zhì)體等要素的空間位置信息。通過編寫VRP平臺的Lur函數(shù)，建立場景頂視圖下的4個拐點(diǎn)坐標(biāo)與三維場景下的空間坐標(biāo)的線性關(guān)系，捕捉鼠標(biāo)在頂視圖下的位置坐標(biāo)，通過線性變換計(jì)算三維場景中的實(shí)際坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)實(shí)時顯示的功能。

自定義切剖面功能可以對已有的三維場景進(jìn)行任意剖切，獲取任意方向的剖面資料，從而提供指定

位置的剖面信息，更好地支持地質(zhì)勘查找礦。信息查詢功能是在平臺表達(dá)要素繁多的前提下，通過簡單的數(shù)據(jù)庫查詢語句(Select)來快速準(zhǔn)確地找到需要顯示的信息。屏幕個性移動旨在完善鼠標(biāo)操作不靈活的問題，通過設(shè)置上、下、左、右4個方向的按鈕控制平臺中場景的個性移動(圖5)。

圖5　信息量塊體模型、靶區(qū)實(shí)體模型和實(shí)用功能場景1-靶區(qū)；2-礦體；3-信息量第一級別；4-信息量第二級別；5-信息量第三級別；6-信息量第四級別(透明顯示)Fig.5　Block model of information amount, entity model of target area, and practical use scene

5　結(jié)　論

(1) 基于VRP的三維成礦預(yù)測信息集成顯示平臺構(gòu)建完成后，以獨(dú)立的EXE執(zhí)行文件發(fā)布。平臺集成不同格式的數(shù)據(jù)，脫離三維成礦預(yù)測過程中任何專業(yè)軟件的支撐，支持獨(dú)立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和任意移植使用。

(2) 礦產(chǎn)資源勘查中三維成礦預(yù)測信息集成顯示的流程，可實(shí)現(xiàn)同一平臺統(tǒng)一管理礦產(chǎn)預(yù)測過程中的所有要素。三維預(yù)測方法指導(dǎo)下的三維研究成果對地質(zhì)勘查實(shí)際工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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Integrated display of 3D metallogenic information based on VRP

WANG Wenjie1,2， CHEN Jianping1,2, HU Qiao1,2, ZHU Yilong1,2

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Land and Resources Information Research & Development in Beijing， Beijing 100083, China)

There are limitations during the transformation of 2D mineral resource prediction to 3D mineral resource prediction and further to 2D display of research results. Taking the Hutouya polymetallic deposit in Qimantag of Qinghai as an example, this work discussed the general design of the integrated display of 3D metallogenic prediction information using the Virtual Reality Platform (VRP) based on 3D metallogenic prediction methods. This study is of some significance for the integration of different disciplines of exploration results and comprehensive analysis of multi-source information to guide engineering practice in 3D metallogenic prediction.

VRP software; 3D metallogenic prediction; virtual reality; integrated display; Hutouya polymetallic deposit; Qimantag in Qinghai

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.512

2016-07-24；

2016-07-29；編輯：陳露

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201011002)，中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“老礦山找礦技術(shù)創(chuàng)新與示范”(1212011220737)

王文杰(1994—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)?S技術(shù)應(yīng)用，E-mail： 1689981607@qq.com

P612； P628+.5

A

1674-3636(2016)03-0512-06