固体矿床三维可视化储量计算系统及计算方法

专利名称：固体矿床三维可视化储量计算系统及计算方法
技术领域：
本发明涉及矿山资源评价、矿山开采、矿山储量计算和数字矿山工程领域，特别是基于 四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统及计算方法。
背景技术：
近年来矿产品价格的上涨特别是金价的上涨以及生产工艺的改进，使得以往很多的低品 位矿山逐渐被纳入开采对象。随之而来的就是对这些矿山进行储量计算、生产计划的制定。 目前我国采用的储量计算评价方法，包括油气资源评价和矿产资源评价都是按照国家的有关 标准和规范进行的，采用规范以外的新方法所做的储量评价在储量验收时很难通过，这是传 统资源评价方法效率低下而得不到改进的主要原因。这是当今在固体矿产资源储量计算方面 急需解决的问题。
新的矿产勘查理论方法研究滞后，特别是基于三维数据结构的考虑矿床形态与质量耦合 条件的储量计算方法研究滞后。三维体积计算只能用降维的方法以二维图件解决，或者用分 块求积法和整体求积法，这些处理方法不仅导致误差较大，而且完全没有考虑矿床质量参数 随空间变化的特点，无法将形态参数与质量参数耦合。已有的传统资源储量计算方法都是在 二维或简化成规则的三维几何形态的基础上建立的。这种处理方法，对于产状比较稳定的二 向延长矿体，用勘探线、勘探网格布置工程，其勘查成果的表达及储量计算的精度往往能得 到较满意的结果。但对于如斑岩型矿床等没有稳定的产状，形态复杂的矿体，用勘探线剖面 往往不能正确地表达矿体的实际情况。用平行断面法计算储量则计算结果的误差可能会很大， 而用不平行断面法，则计算方法繁琐且精度也不高。
因此有必要开发出一种新型实用的方法，特别是在三维地理信息系统以及三维数据结构 的出现的情况下，需要对四面体格网生成算法的研究，以奠定不同于传统而是基于三维的储 量计算方法的基础。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于四面体网格的 固体矿床三维可视化储量计算系统，以便快速地响应开采品位的变化来准确地计算储量，反 馈到合理的生产开采计划制定中去来实现指导生产计划的制定。
本发明解决其技术问题所采用的以下技术方案
本发明提供了以输入计算机内的点源数据库为核心，将地理信息、三维可视化、地质统 计以及专业分析功能集成一体的基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统，该系 统包含矿区点源数据库子系统、矿区各类二维地质图件自动编绘子系统、矿体、矿床和复杂 地质结构的三维空间分析子系统和矿床、矿体储量计算和三维可视化表达子系统。
本发明还提供了利用上述的基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统进行矿
产品储量的计算方法，S卩根据矿体形态参数和矿石质量参数的变化特征，建立矿体和矿石 质量空间模型，并利用钻孔和剖面数据库建立起矿山三维地层格架，用四面体网格来进一步 剖分三维地层体，将矿石质量参数耦合到每个四面体上，利用克吕格或距离幂次反比法来计 算出每个四面体的品位值，进而计算矿产品储量。
本发明提供的基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统，不是对传统的理论 和方法的否定，而是在传统的克里金方法的基础上，用数据库来存储钻孔、剖面、样品品位 等基础数据，用三维数据结构建立三维地层模型，进一步用四面体来剖分每个矿体形成三维 空间上小四面体的连续铺盖，在充分研究矿体变化性的基础上，充分利用传统成熟的克里金 方法来确定每个小四面体的品位等质量参数，形成真正的三维数字矿体(三维空间下的带有 各自属性参数的四面体连续铺盖)。 一旦三维数字矿体建立后就是一劳永逸的事情。今后系统 会自动根据最低品位值快速自动地圈出矿体并给出储量值，并反馈到生产计划编制中去。这 种三维储量计算方法，对于矿产勘查和储量计算有重要意义第一，可以正确、全面地了解 矿体形态特征，并非是二维切制的某一方向的矿体形态特征。如果对矿石品位数据建立空间 数据模型，也可以了解品位的空间分布特征。第二，能够快速地响应市场的变化，做到一劳 永逸。第三，可以方便正确地计算出任意形态的矿体体积及其储量。
本发明能够正确建模，其计算精度要高于二维方法的计算精度，接近于实际值。在建立 空间模型后，可以切制任意方向的剖面，也可以对矿体作任意方向的旋转，以便全面了解矿 体的形态和细节。与此相联系，在三维基础上布置勘探工程，考虑因素将更全面。
本发明对于固体资源储量计算、矿产资源评审、矿业权评估等，不但能提高工作的效率， 更重要是使矿产资源勘査评价工作优化，使资源得到有效的利用。简言之，本发明具有以下主要优点
其一.能够根据市场价格确定的最低开采工业品位值快速地计算储量，并反馈到合理的生 产开采计划制定中去。
其二.用四面体模型将矿床形态参数与质量参数在三维空间中完全耦合起来，特别是在边 界问题的处理上比常规采用立方体网格模型能够提高精度。
其三.将传统的二维资源储量计算变为符合矿体本来面貌和特点的三维资源储量计算，实 现任意形态矿体的储量计算。


图1是本发明的三维可视化储量计算系统流程示意图。
具体实施例方式
本发明提供了基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统以及利用该系统进行 矿产品储量的计算方法。
一.基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统
本系统以输入计算机内的点源数据库为核心，将地理信息、三维可视化、地质统计以及
专业分析功能集成一体，体现了以主题式关系数据库和空间数据库系统为基础，以空间信息 和属性信息管理为核心的设计思路。其包含下述子系统
(1) 矿区点源数据库子系统
负责包括钻孔、平硐和样品在内的原始数据的采集、入库，为储量计算提供原始数据；
(2) 矿区各类二维地质图件自动编绘子系统-对入库的原始数据进行交互编辑，生成矿体三维建模和储量计算所需要的剖面图数据和
品位图数据；
(3) 矿体、矿床和复杂地质结构的三维空间分析子系统 在前面两个子系统所提供的数据基础上，完成三维矿体建模和三维地层建模，并对矿体
进行进一歩的四面体剖分；
(4) 矿床、矿体储量计算和三维可视化表达子系统； 用克吕格或距离幂次反比法对样品品位进行插值计算，从而对矿体中的每个四面体进行
赋值并计算出储量，以三维可视化的手段表达出来。
本系统运行在Windows操作系统，可采用基于Intranet技术的企业局域网C/S模式和基 于Internet的B/S模式相结合的方式。
二.基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算方法
是利用上述基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统进行矿产品储量计算的 方法，即以三维地学信息系统为工具，根据矿体形态参数和矿石质量参数的变化特征，建 立矿体和矿石质量空间模型，并利用钻孔和剖面数据库建立起矿山三维地层格架，用四面体 网格来进一歩剖分三维地层体，将矿石质量参数耦合到每个四面体上，利用克吕格或距离幂 次反比法来计算出每个四面体的品位值，进而根据给定的开发工业品位值来计算矿产品储量。
本方法具体采用以下的步骤方法
(1) 利用矿区点源数据库子系统，对包括钻孔、平硐和样品在内的原始数据进行采集和 入库，为储量计算提供原始数据。
(2) 利用矿区各类二维地质图件自动编绘子系统，对入库的原始数据进行交互编辑，生
成矿体三维建模和储量计算所需要的剖面图数据和品位图数据。
(3) 利用矿体、矿床和复杂地质结构的三维空间分析子系统，根据矿体形态和矿石品位 的变化特征进行三维可视化建模工作，含建立矿体形态空间模型，并完成矿体空间四面体的 剖分。
在进行三维可视化建模工作时，先采用边界代替法模型，用包括钻孔或剖面图数据将矿 体的整个三维地层体用其边界曲面包围起来的空间来表达，然后采用四面体网格来剖分矿体 空间，每一个小四面体都有不同的质量参数。
(4) 由矿床、矿体储量计算和三维可视化表达子系统，用克吕格或距离幂次反比法对样 品品位进行插值计算，进而对矿体中的每个四面体进行品位赋值并计算出储量，以三维可视 化的手段表达出来。
上述的矿石质量参数是指能够耦合于矿体不规则四面体中并能满足精度要求的包括矿石 品位在内的参数。用四面体网格将矿体形态参数与矿石质量参数在三维空间中完全耦合起来。 三.基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算方法的应用 本方法可编成网络版的系统软件，既适用露采,也适用地下开采。
例如用于传统的矿床二维资源储量计算，即使传统的二维资源储量计算变为符合矿体 本来面貌和特点的三维资源储量计算，实现任意形态矿产品储量的计算。
下面结合具体实施例及图l对本发明提供的方法作进一步说明，但不限定本发明。
1. 在进行储量计算之前，需先导入样品数据，包括钻孔数据、平硐数据和炮孔等数据， 对样品数据进行包括长度统计与品位统计；再根据中样长统计和品位统计的结果，确定适当 的组合样长、最小样长、特高品位截取值、特高品位替代值等参数。
然后进行样品等长化处理就是将空间不等长的样长和品位，按标准长以及有效品位范 围转化为标准样。在进行样品等长化处理之前， 一般需进行样品的样长统计和品位统计，以 确定等长化的标准长和有效品位。标准长由有经验的专家根据样品样长统计结果确定；有效 品位范围指对特高品位进行处理。所谓特高品位是指高出一般样品很多倍，使平均品位剧烈 增高，夸大储量的品位。对特高品位值的处理， 一般取平均品位6 — 8倍中间的一个截取值， 高于此值的样品品位即可视为特高品位。用户可以在进行样品品位统计时同时统计高于品位 截取值的样品数量，如果这个数值很少的话，可以不进行特高品位处理。
2. 导入矿体钻孔数据、剖面数据、地表地形数据对矿体进行三维建模，用边界代替 (B-R印)模型来生成矿体的三维边界模型。进而用四面体网格对矿体的三维边界模型进行剖
分， 一直到达到精度要求为止。
具体是将矿体或地层空间化分为多个小四面体的技术方案，就是要构造空间四面体网
格，可以将平面的三角网(Triangluation Irregular NetWork, TIN)剖分思想推广到三维空 间。实现思路是利用Delaunay准则，先构造一个四面体，将未处理的点加入到已经存在的 四面体格网中，每次插入一个点，然后将四面体格网进行优化，采用局部优化算法(Local Optimization Procedure),保持Delaunay的空外界球特性。具体用到实际矿体或地层建模 中，先获取矿体或地层采样点的空间坐标(X，Y,Z)，对断层或边界点给与不同的标志，以便 在构网过程中表示其为边界约束条件，抑制四面体格网的生长，同时考虑边界线或断层线以 及边界面或断层面这两种线约束和面约束，采用约束线和约束面细分算法思想逐步加入点， 恢复所有的约束线和面，最终生成限定的TEN。约束线和约束面细分算法思想如下约束线 细分将以线段S为直径的球称为S的直径外接球，如果有一个点(除了线段S的两个端点) 在线段S的直径外接球上或者在直径外接球内，那么称这个线段被"侵占"，也就是说线段 S没有空直径外接球。如果S不存在于当前的网格中，那么S必定也被"侵占"。任何被"侵 占"的线段都会被从它的中点一分为二 ，并将中点加入到网格中去。约束面细分将以三角片 T的外接圆为大圆的球称为T的大圆外接球。如果有一个与T不共面的点在T的大圆外接球 内或者大圆外接球上，那么称T被"侵占"，也就是说T没有空直径外接球。如果T不存在于
当前的网格当中，并且在T的外接圆C中不存在其它的以C为外接圆的二角片，T也称为被 "侵占"。通常，每个被"侵占"的三角片都会在其外心加入一点P，将其细分。然而，如果 点P "侵占"了任何的线段，点P将会不被加入，取而代之的是所有被P "侵占"的线段将 被细分。采用上述方法，完成矿体或地层四面体格网的划分。必需考虑在高复杂度的情况下 以及在原始数据较少且分布不均的条件下如何保证四面体剖分质量的问题。考虑到矿石质量 参数空间相关性和变异性的特点，可以在如下方法处理在重点区段(矿石质量参数变化较 大的地方)或在原始数据较少而导致剖分四面体较大的地方，插入一些点对这些四面体进一 步剖分，直到达到满意的精度为止。
3. 用以上处理好的样品数据采用距离幂次反比法或者普通克吕格计算方法实现二维空 间上的品位插值，实现每个四面体的品位的赋值。
空间各个四面体对应的矿石质量参数的确定的技术方案，充分利用各种样品的值，利用 克吕格或距离幂次反比法将其推广到三维连续空间。地质统计学可将几乎所有的变量，包括 矿体中矿石质量参数标志和矿体形态标志，都看作是区域化变量，即它们都是以空间坐标为 自变量的随机场的函数。半变异函数是研究区域化变量空间变化特征和变化程度的基本工具。 当h (步长)》a(变程)时，相距h的两点不存在相关性，即是随机的；当h<a时，相距h 的两点具相关性，且h值越小，相关性越强。根据对矿体变化件研究得到的矿石质量参数随 空间变化的规律，完成各小四面体矿石质量参数的赋值。若要处理可以选择要处理的矿块也 可以对整个矿区进行计算。可以选择插值方法、金属种类、颜色显示方式等各种计算参数。 在导出方式方面可以将插值后的块休信息保存在文件中，以免以后重复计算。
注意3四面体网格数据很大时，为提高效率， 一般采取从文件中导入和导出的方式，
避免因显示而造成数据量过大导致内存不足或是影响速度等。
4. 在带有品位信息的四面体网格生成后就形成了真IH的二维数字矿体，就可以根据给定 金属种类和其工业丌采品位边界值来提取符合条件的四面体矿块，可以二维可视化显示符合 条件的矿块。进而统计出储量，系统同时提供储量报告的自动生成功能。为后续的决策和生 成计划开采方案提供信息基础。
5. 在其工业开采品位边界值变化后，系统也可以快速地重新计算出新的储量，将人从原 来繁琐的重复的人工储量i十算方法中解脱出来。
权利要求
1.固体矿床三维可视化储量计算系统，其特征是以输入计算机内的点源数据库为核心，将地理信息、三维可视化、地质统计以及专业分析功能集成一体的基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统，该系统包含下述子系统(1)矿区点源数据库子系统负责包括钻孔、平硐和样品在内的原始数据的采集、入库，为储量计算提供原始数据；(2)矿区各类二维地质图件自动编绘子系统对入库的原始数据进行交互编辑，生成矿体三维建模和储量计算所需要的剖面图数据和品位图数据；(3)矿体、矿床和复杂地质结构的三维空间分析子系统在前面两个子系统所提供的数据基础上，完成三维矿体建模和三维地层建模，并对矿体进行进一步的四面体剖分；(4)矿床、矿体储量计算和三维可视化表达子系统用克吕格或距离幂次反比法对样品品位进行插值计算，从而对矿体中的每个四面体进行赋值并计算出储量，以三维可视化的手段表达出来。
2. —种利用权利要求1所述固体矿床三维可视化储量计算系统进行矿产品储量的计算方 法，其特征是根据矿体形态参数和矿石质量参数的变化特征，建立矿体和矿石质量空间模型， 并利用钻孔和剖面数据库建立起矿山三维地层格架，用四面体网格来进一步剖分三维地层体， 将矿石质量参数耦合到每个四面体上，利用克吕格或距离幂次反比法来计算出每个四面体的 品位值，进而计算矿产品储量。
3. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征是采用以下的步骤方法(1) 利用矿区点源数据库子系统，对包括钻孔、平硐和样品在内的原始数据进行采集和 入库，为储量计算提供原始数据；(2) 利用矿区各类二维地质图件自动编绘子系统，对入库的原始数据进行交互编辑，生 成矿体三维建模和储量计算所需要的剖面图数据和品位图数据；(3) 利用矿体、矿床和复杂地质结构的三维空间分析子系统，根据矿体形态和矿石品位 的变化特征进行三维可视化建模工作，含建立矿体形态空间模型，并完成矿体空间四面体的 剖分；(4) 由矿床、矿体储量计算和三维可视化表达子系统，用克吕格或距离幂次反比法对样 品品位进行插值计算，进而对矿体中的每个四面体进行品位赋值并计算出储量，以三维可视 化的手段表达出来。
4. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征是在进行三维可视化建模工作时，先采用边 界代替法模型，用包括钻孔或剖面图数据将矿体的整个三维地层体用其边界曲面包围起来的 空间来表达，然后采用四面体网格来剖分矿体空间，每一个小四面体都有不同的品位参数。
5. 根据权利要求2或3所述的计算方法，其特征在于矿石质量参数是指能够耦合于矿 体不规则四面体中并能满足精度要求的包括矿石品位在内的参数。
6. 根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于用四面体网格将矿体形态参数与矿石 质量参数在三维空间中完全耦合起来。
7. 根据权利要求2或3所述的计算方法，其特征在于将三维可视化储量计算用于传统的矿床二维资源储量计算，实现任意形态矿产品储量的计算。
全文摘要
本发明是一种基于四面体网格的固体矿床三维可视化储量计算系统，其以输入计算机内的点源数据库为核心，集地理信息、三维可视化、地质统计和专业分析功能于一体，包含矿区点源数据库、矿区各类二维地质图件自动编绘、三维空间分析和矿产品可视化储量计算子系统。本系统可根据矿体形态参数和矿石质量参数的变化特征建立其空间模型，并利用数据库建立起矿山三维地层格架，用四面体网格来进一步剖分三维地层体，将矿石质量参数耦合到每个四面体上，再计算出每个四面体的品位值，进而计算矿产品储量并反馈到合理的生产开采计划制定中去；可用于传统的矿床二维资源储量计算，实现任意形态矿体的储量计算，并且精度高。
文档编号G06T17/05GK101114276SQ200710053058
公开日2008年1月30日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者何珍文, 刚 刘, 刘军旗, 吴冲龙, 孔春芳, 张夏林, 张志庭, 李新川, 汪新庆, 田宜平, 广 綦, 翁正平 申请人:中国地质大学(武汉)