婁渝明，韓鵬，鄧煜霖，王旭輝

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Surpac軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

婁渝明，韓鵬，鄧煜霖，王旭輝

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059）

當(dāng)今礦業(yè)領(lǐng)域開始不斷向著數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展，“數(shù)字礦山”已成為礦山采礦行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢。該文在基于某地區(qū)金礦的勘查數(shù)據(jù)，介紹了Surpac三維數(shù)學(xué)建模軟件的主要功能，模塊和在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并綜合論證該軟件未來的發(fā)展優(yōu)勢和前景。

可視化；數(shù)字礦山；Surpac；數(shù)學(xué)建模

隨著信息化時(shí)代的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展，地質(zhì)行業(yè)以平面圖和剖面圖為主的傳統(tǒng)地質(zhì)信息將逐漸被三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)所代替，向著礦山數(shù)字化的方向不斷發(fā)展[1-3]?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)⒛切?fù)雜抽象的地學(xué)信息，包括礦體的形態(tài)、圍巖、地層、構(gòu)造以及礦體與地層的空間分布簡潔直觀的展現(xiàn)出來，從而使地質(zhì)工作者可以直接地觀察地質(zhì)現(xiàn)象間相互關(guān)系，有利于進(jìn)行科學(xué)的分析與預(yù)測。礦山三維模型的建立相當(dāng)于將整個(gè)礦山裝入了一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，里面包含了從地質(zhì)勘查，地表模型，礦體模型，采礦設(shè)計(jì)，測量，生產(chǎn)規(guī)劃，開采進(jìn)度計(jì)劃到最后的尾礦和復(fù)墾設(shè)計(jì)等大量的數(shù)據(jù)[4]，可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦山的開采過程。這樣利于礦山的合理開采，減少了資源浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)人員的工作效率。

1 概述

Surpac是澳大利亞Surpac Software International（SSI）國際軟件公司開發(fā)的礦山工程軟件，可應(yīng)用于地質(zhì)勘探、采礦領(lǐng)域和測量領(lǐng)域。其主要功能包括：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、鉆孔編錄、實(shí)體模型建立、塊體模型建立、圖形的編制和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析等[5]。Surpac能夠?qū)⒍S圖形轉(zhuǎn)為三維模型，把礦山地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，通過已有的勘探線剖面圖將其轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)，并形成相應(yīng)的三維礦體模型。Surpac可分為3個(gè)主要模塊：建立數(shù)據(jù)庫、實(shí)體模型的構(gòu)建和塊體模型的賦值。建立數(shù)據(jù)庫是模型構(gòu)建與儲(chǔ)量計(jì)算的基礎(chǔ)；實(shí)體模型的構(gòu)建是完成三維可視化的關(guān)鍵模塊；塊體模型的賦值是對建立的模型予以量化，用以儲(chǔ)量計(jì)算及完善計(jì)劃編制等（如圖1）。Surpac還具備強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，核心程序采用C/C++語言編寫，用戶交互界面采用JAVA和TCL語言編寫，用戶可以根據(jù)具體的項(xiàng)目需求進(jìn)行功能開發(fā)，以滿足特殊要求。用戶還可以利用其它軟件建立復(fù)雜的三維模型，導(dǎo)入Surpac中實(shí)現(xiàn)對模型的查看和編輯，在很大程度上彌補(bǔ)了在建立三維復(fù)雜模型等方面的不足，最大的滿足了用戶的需求。

圖1 三維地質(zhì)建模流程圖

2 數(shù)據(jù)庫的建立

三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)和前提是地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的完備性與可靠性將會(huì)影響后面實(shí)體模型的建立和塊體模型的賦值，并會(huì)直接影響一個(gè)礦山的經(jīng)營和決策。

2.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

如探礦的數(shù)據(jù)一般以鉆探，坑探，槽探三種形式獲得，在進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)應(yīng)進(jìn)行如下處理：①刪除沒有品位信息的鉆孔；②刪除礦體范圍之外的鉆孔；③將鉆孔名字符設(shè)置成大寫；④向下鉆孔的傾角設(shè)置為負(fù)值；⑤修正鉆孔中由于人為因素造成的錯(cuò)誤；⑥剔除不需要的元素品位數(shù)據(jù)[6]。

表1 地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，要根據(jù)Surpac中數(shù)據(jù)表格式將需要的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，Surpac中提供了四張基本表：collar（鉆孔表），survey（測斜表），geology（巖性表），sample（樣品表）。他們通過鉆孔號聯(lián)系在一起（表1），有時(shí)也根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需要添加其他的信息表。

2.2 創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫由若干表組成，每個(gè)表中包含若干字段，這些表和字段要與實(shí)際的數(shù)據(jù)相匹配，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，先要設(shè)置包含哪些表及哪些字段。在完成數(shù)據(jù)庫基本數(shù)據(jù)信息的錄入后就已經(jīng)完成了一個(gè)基本地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，就可以通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)編輯、查看、更新、統(tǒng)計(jì)分析及鉆孔三維可視化顯示等操作。鉆孔風(fēng)格的設(shè)置和顯示為礦體的圈定提供依據(jù)。以某金礦的28個(gè)鉆孔為例，我們根據(jù)不同的巖性給鉆孔設(shè)置不同的顏色，通過樣品表獲取金品位的最大最小范圍，根據(jù)不同的品位區(qū)間設(shè)置不同的顏色，選取邊界品位，區(qū)分礦與非礦，突出顏色對比，為后面礦體的圈定提供標(biāo)識。設(shè)置鉆孔風(fēng)格是為了看起來習(xí)慣和方便后面的地質(zhì)解譯，孔跡線根據(jù)金品位著色，孔口標(biāo)注孔號，地質(zhì)圖案標(biāo)巖性，標(biāo)注里面標(biāo)巖性和品位（圖2）。

圖2 顯示鉆孔風(fēng)格

Surpac提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能，用戶在對數(shù)據(jù)錄入的過程中如果有缺失或錯(cuò)誤，系統(tǒng)能夠自行檢查并發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。此外，Surpac還能夠通過接口或ODBC（開放式數(shù)據(jù)庫護(hù)接）與諸多數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，比如人們常用的Oracle，SQLserver，access等數(shù)據(jù)庫軟件，使數(shù)據(jù)的共享更加便捷。

圖3 礦體解譯線

圖4 礦體實(shí)體模型

3 實(shí)體模型

建立數(shù)據(jù)庫后，接下來就是三維建模最重要的一個(gè)步驟，實(shí)體模型的建立。這一步我們可以實(shí)現(xiàn)對礦體的可視化操作。Surpac建立實(shí)體模型的方法一般有三種[7]：勘探線法、礦體邊界線法、鉆孔數(shù)據(jù)法，往往根據(jù)實(shí)際情況需要結(jié)合多種方法。我們就利用該金礦鉆孔數(shù)據(jù)和勘探線對礦體實(shí)體模型的建立步驟做以詳細(xì)介紹[8-9]。

1）礦體或巖體按有益元素含量著色，在三維空間將鉆孔顯示出來。

2）導(dǎo)入地質(zhì)文件，定義一個(gè)剖面，在該剖面上進(jìn)行地質(zhì)解譯。如剖面上將大于1g/t的點(diǎn)用直線相連，有礦無礦工程間有限外推工程間距的一半，無限外推工程基本間距的四分之一。依次按照鉆孔上的礦體邊界分別對各剖面進(jìn)行地質(zhì)解譯，生成一系列閉合線（圖3）。

3）對每一個(gè)剖面進(jìn)行地質(zhì)解譯后綜合所有解譯線，形成礦體輪廓的線文件。利用這個(gè)線文件，創(chuàng)立三角網(wǎng)，但之前要檢查和處理線文件。實(shí)際建模中，可根據(jù)不同的情況選擇不同的方式建立礦體的實(shí)體模型（圖4）。

實(shí)體模型不僅僅有礦體模型，還包括地貌、斷層、巷道等模型。一個(gè)好的礦體模型既顯示了礦體的三維形態(tài)，還能進(jìn)行表面積和體積運(yùn)算，在任意方向生成剖面，進(jìn)行體與體之間和體與面之間的運(yùn)算、與地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互生成塊體模型等，為后面的品位估值和資源儲(chǔ)量估算奠定了基礎(chǔ)[10]。

4 塊體模型與儲(chǔ)量估算

4.1 選擇塊段尺寸

礦體的實(shí)體模型能夠很好的展現(xiàn)其空間形態(tài)，反映其坐標(biāo)位置。礦體的品位分布，礦體資源儲(chǔ)量可通過模型予以量化賦值，也就是建立塊體模型。塊體模型是進(jìn)行品位和礦巖量計(jì)算，編制采掘計(jì)劃，露天境界優(yōu)化等的基礎(chǔ)。

三維塊體模型就是將礦體劃分為許多單元塊，然后對每一小塊的平均品位進(jìn)行估算（見圖5）。單元塊尺寸的選取會(huì)影響實(shí)際工程效率，單元塊越小，工作效率越低，單元塊尺寸越大，則損失的貧化就越大[11]。因此確定單元塊的大小要考慮采礦效率、礦石損失貧化率、采礦方式和礦體的形狀等諸多因素。

4.2 模型的賦值與儲(chǔ)量計(jì)算

確定了恰當(dāng)?shù)膯卧獕K大小后，可建立塊體模型。

1）為要建立的塊體模型定義屬性。以金礦為例，給單元塊定義了比重、品位和估值次數(shù)三個(gè)屬性。對不同的礦體類型，可定義不同的屬性。

2）建立約束，顯示礦體內(nèi)部和所要進(jìn)行報(bào)告的塊。

3）塊體模型的賦值。Surpac提供了多種屬性賦值方法，常用的主要有距離冪次反比法、普通克里格法、簡單克里格、最近距離法[12]等。

對金礦塊體模型賦值時(shí)，需從數(shù)據(jù)庫中提取樣品組合得到的一個(gè)數(shù)據(jù)源線文件，通過已知金品位對礦體內(nèi)部的塊進(jìn)行賦值，最后還可根據(jù)賦值結(jié)果對不同金品位的塊進(jìn)行著色（圖5）。建立塊體模型的目的是得到礦體內(nèi)部每一個(gè)塊的比重，品位等信息，通過軟件中的查看任意塊屬性功能可進(jìn)行查看。

圖5 塊體模型

塊體模型建立后Surpac可以進(jìn)行資源儲(chǔ)量估算并生成儲(chǔ)量報(bào)告，相比傳統(tǒng)資源儲(chǔ)量計(jì)算方法更加簡單準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

目前國內(nèi)在打造數(shù)字礦山，三維建模技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用方面還處于發(fā)展階段，在當(dāng)今的數(shù)字信息化時(shí)代背景下，這種發(fā)展必定成為一種趨勢。文中介紹了suapac這款非常成熟的地質(zhì)三維建模軟件，論述了對礦體實(shí)現(xiàn)三維模型建立的一般過程，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的二維找礦向三維空間發(fā)展的突破，能夠使礦體及整個(gè)礦區(qū)形象的呈現(xiàn)出來，幫助地質(zhì)工作者全視角認(rèn)識礦區(qū)的形態(tài)、構(gòu)造、地層、產(chǎn)狀及地質(zhì)體之間的相互關(guān)系等，為將來礦山的合理規(guī)劃和生產(chǎn)提供依據(jù)，還可為將來的深部找礦工作提供一定的指導(dǎo)意義。

[1] 吳立新，朱旺喜，張瑞新．?dāng)?shù)字礦山與我國礦山未來發(fā)展[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2004(07):29-31．

[2] 吳立新，古德生．?dāng)?shù)字礦山技術(shù)-第1版[M]．長沙: 中南大學(xué)出版社，2009

[3] 高翔．Surpac軟件建模與可視化技術(shù)在礦山勘探中的應(yīng)用研究[J]．科技論壇2015(75)．

[4] 羅周全，鹿浩，劉曉明，等．礦山三維實(shí)體建模[J]．南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，21(4)．

[5] Surpac用戶手冊(第五版)[M]．SURPAC Software International國際軟件公司發(fā)行，2003．

[6] 羅周全，劉曉明，蘇家紅，等．基于 surpac的礦床三維模型構(gòu)建[J]．采礦技術(shù)，2006( 4)：33-36．

[7] Lemon A M，Jones N L．Building solid models from boreholes and user-defined cross-sections[J]．Computers & Geosciences，2003，29(5):547-555．

[8] 王文才，李剛．Surpac軟件在礦山中的應(yīng)用[J]．中國礦業(yè)，2011(4)．

[9] 楊小坤，秦德先，馮美麗，等．基于Surpac的礦山三維地學(xué)模型及綜合信息成礦預(yù)測研究[J]．地質(zhì)與資源，2008(1)．

[10] 王銀秀，李業(yè)偉．Surpac軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J]．地質(zhì)學(xué)刊，2014(3):445-450．

[11] 王建衛(wèi)． 基于surpac的礦床三維模型構(gòu)建及儲(chǔ)量計(jì)算[J]．銅業(yè)工程，2014(4):60-63．

[12] 潘冬，李向東．基于Surpac的礦山三維地質(zhì)模型開發(fā)[J]．采礦技術(shù)，2006，6(3): 499- 501．

The Application of SURPAC to the 3D Geological Modeling

LOU Yu-ming HAN Peng DENG Yu-lin WANG Xu-hui

(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Digitalization and visualization are developed in mining industry. Digital mine has become the main developmental trend of mining industry. This paper deals with the main functions, modules and application of SURPAC based on a gold ore-body in a region and demonstrates its advantages and prospects in the future.

digital mine; SURPAC; 3D geological modeling

P628+.3

A

1006-0995（2017）02-0339-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.02.039

2016-08-12

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號：201510616090）

婁渝明（1993- ），男，甘肅張掖人，碩士研究生，主要從事礦床三維建模研究