矿体线框模型及其建立方法.pdf

2 0 01年 q月 第 3 0卷第 5期 有色矿山 No nf e r r ou s M i ne s Se p ， 20 0l V0 l 3 0 No 5 霉 ⋯ 一 i 地质、 采矿 i } ⋯ ； 矿 体 线框 模 型及 其建 立 方 法 南 格 利 北 京 有色 冶 金设 计 研 究 总院 ， 北 京 1 0 0 0 3 8 [ 关键 词 ]几何 模型 ；实 体模 型 ；线框 模 型 ；采 矿 C A D [ 摘要 ]建立 矿 体 的几 何 模型 是 建立 矿体 实 体 模型 的 首要 工 作 ． 而 利用 线 框模 型 w i e f r a r a e 建 立矿 体几 何模 型是 最 简单 、 最 灵 活的方 法 。研 究 和 总结 线 框模 型 的 特 点 及其 建 立方 法 对 准 确 建 立 矿体 实体模 型 至关 重要 。 本 文 作 者 在 建 立 了近 2 0个 矿 床 实 体 模 型 的 经 验 基 础 上 ， 以 冬 瓜 山铜 矿 体 的线 框模 型 为例 ， 提 出并 总结 了建 立 线框 模 型 的 流程 和 一些 实 用 方法 。 [ 中圉 分类 号 】TP 3 1 1 ． 1【 文 献 标识 码 】A[ 文 章 编号 】1 0 0 2 8 9 5 l 2 0 0 1 0 5 0 0 0 1 0 4 Or e bo d y wi r e f r ame a nd m o de l i n g m e t ho d Na n Ge l i B e Oi n g C e n t r a l En n e e r l n g ＆ R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r No n f e r r o 4 s Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r i e s ， B e i fln g 1 0 00 3 8，C hi n a K姆 wo s g e o me t r i c a I, mo d e l ；s o 1 | d mo d e l ；w r e f r a me mod e h mh x i ng CAD Ab s t r a c t C o n s t r u c t i n g g e o me t r i c a l mo d e l o f o r e b o d y i s t h e f i r s t wo r k i n f o r m i n g s o l i d mod e l o f o r e b o d y I t i s t h e s i mp l e s t a n d mo r e fl e x i b l e me t h o d t 0 c o ns t r u c t t h e g e o me t r i c a l mo d e l o f o r e b o dy wi t h mo d e l i n g wi r e f r a me ．Th e s t u d y o f t h e wi r c f r a me a n d s u mm a r i z i n g mo d e l i ng mo t h od i s t h e k e y o f c o n s t r u c t i ng s o l i d mo d e 1 ．I n t h i s p a p e r ， t he f l o w c h a t a n d me t h o d o f mo d e l i n g wi r e f r a me a r e p o i n t e d o u t a n d s u mma r i z e d b a s e d o n t h e e xp e r i e n c e o f t h e c o nst r u c t i o n a b o u t t we n t y d e p o s i t mod e l s a n d t h e e x a mp l e o f Do n g g u a s h a n Co p p e r M i n e’ s o r e b od y wi r e f r a me ． 1 矿体 的线框模型 欲 建立矿体 的实 体 模 型， 通 常 采 用先 建 立矿体 的几何 模 型 ． 再在 几伺 模 型 的 基础 上 建立矿体 的块 模 型和 品位 模 型， 从 而 建立 矿 体的实体模 型。 建立矿 体的几何 模型是 建立 矿体 实体模 型的 首 要工 作 。 目前 ． 比较 知名 的采矿 C AD系统 均 是 采用 表 面 模 型来 描述 矿 体的 几何 模型 。这 种 表面模 型通常是 由一 c 收稿 日期 】2 0 0 1 0 6 2 0 [ 修 订 日期 1 2 0 6 1 0 7 ． O l 【 作者简介 】南格利 1 9 6 9～ ． 男， 陕西户县人 工 程 师 ， 从 事矿 山设计 工 作 。 系列 的三 角 面 围成 的表 面模 型 。如 MI C L 的 DAT AMI NE 的 线 框 模 型⋯ 、 Ma p t e k 的 Vu l c a n的模 型 Mo d e 1 等均 是 表 面 轮 郭 模 型 。在不 同的 系统 中表 面模 型 的 名 称不 同， 但 实质都是 表面模 型 。 由于这种表 面模 型在 未 渲染 前看似 由线框 构 成 ． 因而 在 采矿 C AD 系统 中多 称 为线 框 模 型。不 过 ， 这 种 表 面 模 型可 以进行 体 积估 算 、 表面 渲染 、 切制 剖 面 、 快速三 维显 示 等操 作 ． 比计 算机 图形 学 中 的 表 面模型 有所扩 展l 2 J 。 2 采 用线框模型 建立矿体 几何模型 矿体 的地 质形 态复 杂 多 变 ， 很 难 用 规则 的几何 体来描述 。它 需要一种灵 括 、 简便 、 快 维普资讯 有色矿山 2 0 0 1正 速 的方法来 建立矿 体的 不规则几 何模型 。利 用线 框模型 建立矿 体的 几何模型 可满足这 种 要求 ， 可 以快 速 构 造 形状 比较 复 杂物 体 或 自 然体 的几何 模型 。且这 种几 何模 型不仅 可 以 比较 精 确 地 描 述 形 态 或 形 状 复 杂 多 变 的 矿 体 ， 而 且 可 以对 其 进 行 体 积 计 算 、 表 面积 计 算 、 表 面 渲 染 、 切 制 任意 方 向的 剖 面 或 平 面 等 。能满足 矿 山设计 、 生 产 中 地 质制 图的 基 本要 求， 也是建立矿 体三 维实体 模型 的基础 。 在建立 矿体 线 框 模 型 的过 程 中， 人工 交 互 干 预非常重要 。地 质师对 地质体 的正确解 释就是通过 人工 交互 干 预 融 合到 模 型 中的 同时选择 合适 的参数 、 连接 方法 ， 甚 至辅助轮 廓线 、 辅助线 、 标 志线 等都需 人工 选择 。从而 在建 立矿 体线 框 模型 过 程 中 ， 形 成 了一些 公 认 的规律 或规 则 以及 流 程 ， 也衍 生出 许 多新 的建立 复杂 矿体 或地 质 体 线框 模 型 的 方 法。 本 文 在利 用 Da t a mi n e系统 建 立 冬瓜 山铜 矿 矿体 几何模 型 的基 础 上 ， 提 出和 归纳 了几 种 比较通 用 的方法 和 流 程 ， 以供 建 立其 它矿 床 几何 模型 时参考 。 3建立 矿 体 线框 模 型 的 流程 线框模 型的构造 分 为三步 即绘制 线 串， 连续 线串构造 线 框 ． 定 义线 框 的属 性 和 编辑 属性 。整个 流程框 图见 图 1 。 绘制 线 串 r i n g 绘 制 线 串有 两 种 方 法 。①利用外 设 输 入， 比如 使用 数 字 化 仪输 入成 图。这种 方法 只能绘制二 维线 串。②在 三维 可视化设 计环境 中交互式 绘制 线 串。在 这 种 环境下绘 制采矿工 程或地 质界 线 比较方 便 ， 而且可 以绘 制和 实 际的地 质 体 界 限 吻合 度 较高 的三维线 串。 绘制 线 串实质上是 地质师 对地质信 息的 解 释 。所依据 的资料是 揭露这 些地质体 的探 矿工 程 或采矿工 程及 工 程取样 结果。线 串分 为两 种 一种是 闭合 的线 串 ； 另一 种是不 闭合 的线 串。封 闭的线 串是 为 了建立 封闭的线框 模型或 体状 线框 模 型 如封 闭的矿 体 ， 不 闭 合 的线 串是 为 了建 立 面状 线 框 模 型 如 地 形 或 露天境界面 、 地 层面 、 断 层面等 。 圉 1线框 模型 的 构造 流 程 圉 在绘制 地质 体 剖面 或 平 面线 串时 ， 二 维 地 质边界线 串是地质 体实际 界限在 该剖面或 平面 上的投 影， 而 三维 地 质 边 界线 串是近 乎 实际 的地质体 界限 。因而在 三维可视 化 环境 中交互式 绘 制三 维 地 质体 边 界线 比较 合 理 、 准确 ， 利用三 维 地 质边 界 线 串 建立 的 地 质体 线框 模型 就更 准确 。 连接 线 串 是 指把 相邻 剖面 或 平 面 上 的 二 三 维线 串用 三 角 面连接 起 来 ， 形 成 由系 列三 角面 围 成的 不 规则 的复 杂 曲面 线 框 模 型 。在进行连 接过程 中， 一般 系统 会 根据 用 户的操 作 自动 定 义 线 框 模 型 中 的 基 本 属 性 连接 、 线框 面 、 线框组 、 颜色 。 定义线 框模 型额 外 属 性 定 义线 框 模 型 额 外属 性是 为 了区分 不 同 的地 质体 或 矿 体 、 矿石类 型， 便 于对 线 模 框模 型进 行操 作。 虽 然 系统 自动 定义 了连接 、 线 框面 、 线 框组等属 性 ， 但是这 些属 性 还 不 能 充分 地描 述 地 质体 的特 征和属性 ， 而 且 不便 于 操 作 和 区分 。通 过加入 用户 定制 属性 功 能 ． 极大 地 增 加 了 建 模和对 模型 操 作 的灵 活 性 ， 扩展 了它 的适 用 范 围。无论 是 系统 定义还 是用 户 自定义的属 维普资讯 第 5期 南格 利 矿体 线 框 模 型丑 其 建 立 方法 3 性 ， 用 户均可 以根据需 要随 时编辑 。 4 建立矿体线框模型的方法 在 建立 线框 模型过 程 中除 r按照上 述的 流程 操 作 外 ， 还 有 一 非 常 关 键 的 步 骤 ， 就 是 “ 分 析建模 目的 、 设计建 模方 案 ” 。也 就是说 ， 在开始 建模工 作之初 ， 输入 数据 之前， 首 先要 明确建模 的 目的， 分 析数据状 况 、 矿 床的 特征 等基础 资料。 对于 自然 的地 质体 和矿 体 而 言， 其 形 态 比较 复 杂， 无规 律 可循 ； 不 同矿 床 ， 其形 态特 征也不 同 ； 同时 ， 不 同精 度和复 杂程度 的线 框 模型， 其 用途 也大不 相同 ， 所 需 的工作时 间也 不相 同； 为建 立模 型 所进 行 的数据分析 、 加上 和输入 等的工作 量也 比较 大 因此在建 立线 框模 型之前 ， 必 须 仔 细分 析矿 床 特征 及 其 数 据 状况 ， 根据 建立模 型的 目的， 确 定建立线 框 模 型的深度 。其次 ， 根据 深度和 目的 要求， 来 确定建 立线 框模 型的方 案。也就 是说采 用什 么方 法和具 体 流程 来 建 立 模型 ， 可 以使 建 立 过程 比较简 单 ， 所 耗3 2 4 - 较 少． 而 且建立 的模 型可 以满足 要求 。 建立矿 体线框模 型 的方 法 多种 多样 。北 京 有色 冶金 设计研 究 总院地 质室 在应用采矿 C A D 系统建立 矿床模 型方 面 有 丰富的 经 验， 井对 建立矿体 线框模 型的方法 和应用 有专 门 的研 究 。本 文以冬 瓜山铜 矿体 的线框模型 为 倒 ， 总结 其 中的一些方法 。 4． 1建立分 层矿体 的线框 模型 建 立连续 整 台的层 状矿体 的线框模型 可 以利用 线 框 模 型 的分 割、 合 并 运 算 来 建 立 。 采用 先整 、 后 分 、 再 合并的顺 序来建立这种 矿 体 的线框 模型 先整 是指 先 建立 包 括 上 下两 部 分 的整 个矿 体的线 框模型 和上下共 享边界 的线框面 分 界 面 ； 后 分 再利 用线 框 的 分 割功 能 ， 用 上 下共 享边 界的线 框面 下称 为分界面 把 整 个 矿体 的线 框模型 分割为 上下两部 分。再分 别和分界 面组 合 成 上下两 个 独 立 的、 封 闭 的 线框模 型 。从 而 ， 所 建立 的两 个 线框 模 型 的 新分 界面是 完 全相 同 的 面， 避 免 了 在分 界处 出现 缝隙 、 空洞 等不台理 的现象 。 按 照上 述方法 ， 建 立 两 个 独 立 的线 框 模 型需要 以 F工 作 ① 建 立整 个 矿体 的 线 框 模 型 ； ②建立 分 界的线框面 ； ③ 用分 界面分 割矿 体 的线框模 型。 冬 瓜 山铜矿体 主要是 由两种 矿石类 型 以 整 合层状 组 成 的， 建 立其 模型 必 须采 用 这 种 方法才 能建 立真 正 能 描述 矿 体 特 征 的模 型 ， 图 2为利 用此 方法建 立的冬 瓜 山铜 矿模 型 的 剖 面 图 2 分 割 后 的局 部矿 体 4 ． 2 矿体尖 灭现象 的处理 矿体 的尖 灭现 象 很 常 见， 几 乎 所 有矿 床 的矿体都 存在此 现象 。因此在 建立每 一个矿 体 的线框 模型 时， 矿 体 的 尖灭 处 理 同样 也 是 必 须 采 用 的手 段 和 方 法 。 矿体 尖灭处 理 矿 体 尖 灭 处理 是 为 了 建 立封 闭矿体 或地 质体 的 线框 模型 ， 而对 开 口 的线 框模 型进行 封 闭 处理 ， 建 立 封 闭 的线 框 模型 ， 从 而可 以进 行 封 闭体 积 计 算和 满 足 后 续矿 体 建 模 的 需 要 。 尖 灭 处 理 包 括 尖 灭 到 点 ， 尖 灭 到 线 。 处理矿体 尖 灭， 首 先 要 确 定矿 体 尖 灭 的 距 离 根据 国家 规 范， 尖 灭外 推 的距 离 是 相 邻工 程间距 的 1 ／ 4到 1 ／ 2 如冬 瓜 山铜 矿 尖 灭端 的剖面 间距 或工程 间距 为 2 0 0 m， 因此 矿体 尖 灭 的 外 推 距 离 可 以 在 5 0～ 1 0 0 m 选 择 叉根据 矿 体 尖 灭端 厚 度 很 小， 推 断 矿体 即将 尖 灭， 选 择 5 0 m 的外 推 距 离 比较 合适 。 其 次在远 隔该 剖 面 外 推距 离 处 的 剖面 下 称 辅 助剖 面 绘 制点 或 不封 闭 的 辅助 线 串。绘 制 这些点或 辅助线 串时应参 照相邻 剖面矿体 维普资讯 有色矿山 2 0 0 1 正 的形态 和变 化趋 势 。最 后把该 剖面 的线 串和 辅助剖 面上 的点 或辅助 线 串用三 角面连接 起 来 即可 。根据上 述过程 和方 法处理 的冬 瓜 山 铜矿矿 体尖 灭现 象 的结果 如 图 3所示 。 矿体 北 东端 尖 灭处 理 田 3冬瓜 山铜 矿体 端 部 尖灭 处 理 4 ． 3分枝 复合 在 冬瓜 山铜矿 6 5线和 6 7线处 由于 岩浆 岩体 的影响 ， 矿 体 在 6 7线 被 分 为两 部 分 ， 出 现 了分 枝现 象 。如果 不 能正 确建立这 部分 的 线框 模 型， 则最 终 的 模 型和 储 量肯 定 和 实际 不符 。要处 理这 种分 枝 ， 一 般 是把 分 枝 单独 作 为一个矿 体来建模 。这种 方法处理 比较复 杂 ， 对 于只有少 量 分 枝和 分 枝 体形 态简 单 矿 床而 言 ， 附加 的工 作量不大 ， 而对于矿 体数 目 多 ， 分枝 现 象 常 见 ， 分 枝 体 的形 态 比较 复 杂 时 ， 这种 方法不仅 附加的工 作量大 ， 而 且他们 之 间的关系很 难 理 清， 容 易 出错。 比较 理 想 的处理 分枝现象 的方法就 是仍然 把分枝体 作 为矿 体 的部分 处理 ， 使其 和矿 体成 为一 个 整 体。这样 虽然 有一 些 附加 的工 作量 ， 但 是 在 后续 的 建模过 程 中． 不 易 出错 或 遗 漏。这 种 处理方 法可 以通 过 Da t a mi n e系统 中的分 界 连接 1 i n k b o u n d a r y 实现 。 处理分 枝首先 需要 在相邻 剖面 上未 分枝 的线 串上作 一辅 助 分界 线 ， 表 示 该 线 串从 此 处分 开 ， 可 以 分别 和分 枝 的 线 串构 造 线框 模 型 。辅 助分 界 线 可 以是 三 维 线 串或 二 维 线 串． 具体 使用 那一 种 根据 分 枝 和 矿体 的地 质 规律 而定 ， 图 4为用 二维 分 界 线 和三 维 分界 线分 别建立 的冬 瓜 山铜矿矿 体分枝 部分 的线 框 模 型 。 图 4建立 分 枝 矿体 的 线框 模 型 r 用三维分界 线建立 的分 技矿件 的线框撬型 ； 用二雉分界线建立的分技矿件的线框撬型 另外 ， 建立 矿 体线 框 模 型 的 方 法还 有平 剖 面结 合法 、 属性 编 辑法 、 综 合法 等。详 见文 献 。 5结论 由于线框 模 型本 身的 灵 活性 ， 决 定 了其 建立 方法的 多样性和 用途的 广泛性 。它 不仅 是地 质计算机 制 图和 建立矿体 实体模型 的基 础 ． 而且可 以用 于 采矿 方 案模 拟 和 环境 影 响 评价模拟 等 ． 甚 至 可 以作 为 其 他领 域 的虚拟 现实 的基础 。 因此研 究其建 立 方 法 ， 对 拓 展 线框模 型的应 用范 围， 以及 采矿 C A D 的研究 和 应 用具 有非 常重要 的意义 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] l t a mi n e Us e r ’ s Gu i d e ，l t a mi n e l n t e r n a t i o n a [ 1 nc ． [ 2 ] 孙 家 广 等 ． 计 算 机 图形 学 [ M]清 华 大 学 出 版 社 ． 1 9 9 5 [ 3 ] 南 格 利 ． 采 矿 C A D 在 冬 瓜 山铜 矿设 计 中 的 应 用 研 究 [ D】 ． 北 京 中国 矿业 大 学 ． 2 0 0 0 维普资讯