矿山钻孔三维模型构建与可视化方法

荆永滨 代碧波 孙光中，5

(1.河南工程学院安全工程学院，河南 郑州451191;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山243000;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山243000;5.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙410083)

矿山钻孔数据是矿山三维建模的基础数据，该类数据一般仅反映矿山地质对象在特定空间位置上的属性信息，而非地质对象在特定空间内的全面信息［1-2］。例如，钻孔岩心取样的各种元素品位、岩性等信息仅能反映样品所处位置的元素品位、体重和岩性等。利用钻孔数据进行地质解译、三维重建有助于获得地质对象在二维和三维空间内的全面信息［3-5］。对此，陈建宏等利用层次型数据库管理钻孔数据，研究了基于钻孔数据的勘探线剖面图自动生成方法［6］;许哲平等［7］集成钻孔分层数据及相关的多源数据，利用虚拟现实技术开发了具有编辑、管理、发布和制图功能的三维可视化钻孔数据管理系统，提高了钻孔数据管理的直观性和交互性;郭伟娜等［8］利用地质数据元素，建立了综合地质数据库管理系统，在管理地质资料的同时，能够为矿床建模、隐伏矿体立体定量测量等研究提供基础数据支持;吴健飞等［9］利用Microsoft Access 创建矿区钻孔数据库，实现了在三维环境下利用钻孔轨迹和元素品位的风格显示进行地质解译;夏艳华等［10］根据地层地质特征建立了钻孔数据的地层层序序列，从而确定了唯一的地层层面插值数据，建立了较为精确的地层模型;刘向东等［11］开发了地质钻孔基本信息数据采集系统，实现了数据入库、查询、统计、管理及汇总表等功能。现有的研究成果主要侧重于钻孔数据库的管理和制图，主要利用关系型数据管理钻孔数据，钻孔的可视化则主要在二维图形软件平台上进行实现。矿山三维地质建模系统的钻孔数据管理与三维模型可视化功能，应当能够为矿体建模、品位估值、生产计划编制、境界优化等提供所需要的图形和属性数据。为此，有必要对钻孔的数据存储与管理、数据错误校验、钻孔三维模型建立及可视化进行深入研究。

1 钻孔数据存储与管理

1.1 钻孔数据表

钻孔数据分为图形数据和属性数据2 种类型。图形数据存储钻孔孔口、钻孔轨迹和样品位置等几何信息;属性数据则存储钻孔和样品相关的数值、文字和时间信息［8］。数据存储与管理通常根据数据量大小选择Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server、Microsoft Access 等数据库［12］。数据库具有数据结构化、共享性高、冗余度低、易扩充、数据独立性高等特点，使用数据库技术能够以最小的技术代价高效的处理数据，但传统数据库必须由服务进程来管理数据库文件［13］。因此，针对钻孔数据特点采用SQLite 嵌入式数据库进行数据存储与管理，数据保存在单一文件中，不依赖于平台和其他数据库管理系统，数据库的建立和使用都比较简单，对属于MB 级的钻孔数据而言，运行速度快于传统数据库［14］。

1.2 钻孔数据表结构设计

针对钻孔数据类型的特点及建立钻孔数据库的需要，将钻孔数据分为孔口表、样品分析表、测斜表和地质岩性表等4 类，分别见表1 ～表4。

表1 孔口表数据结构Table 1 Data structure of orifice table

表2 样品分析表数据结构Table 2 Data structure of sample table

表3 测斜表数据结构Table 3 Data structure of survey table

表4 地质岩性表数据结构Table 4 Data structure of geological lithology table

在计算钻孔轨迹时，可将测斜表中缺少测斜数据的钻孔默认为下向直孔。

孔口表中必须包含表中的强制字段，可以添加其他字段，如开孔日期、终孔日期、施工单位及钻机号、钻机类型、编录人、检查人等。

样品分析表中必须包含表中的强制字段，可以添加其他字段，如矿床所含有的其他元素、样长、分析编号等。

地质岩性表中可以自定义添加其他字段。若无岩性数据，可以省略该表。

2 钻孔数据校验

钻孔数据在收集和处理过程中可能存在各种错误，在建立钻孔三维模型之前，有必要对钻孔数据进行校验，查找并修改存在的错误。钻孔数据中的错误有2 种:①用于计算钻孔空间轨迹的图形数据中存在的错误;②通过人为设置数值界限由计算机判断出的错误和不影响钻孔轨迹计算的错误。第1 类错误见表5。

表5 第1 类钻孔数据错误Table 5 Errors existing in borehole data

第2 类错误包括:①方位角变化大于设置值;②倾角变化大于设置值;③样品长度大于设置值;④样品起点深度大于前一个样品的终点深度。

3 钻孔三维可视化

钻孔轨迹是钻孔轴线在空间的位置，勘探中有2类钻孔:①直线型钻孔，钻孔轨迹由孔口坐标和孔口方位角、倾角确定;②曲线型钻孔，钻进轨迹是一条方位角和倾角连续变化的空间曲线［15］，见图1。

图1 钻孔轨迹Fig.1 Borehole trace

对于曲线型钻孔，在精确绘制钻孔轨迹时，需要计算空间轨迹上各点的坐标。在生产实践中，通常将钻孔轨迹曲线转化为折线，计算方法有:

(1)均角全距法［16-17］。将相邻两测斜点间的钻孔轨迹作为直线段，已知两测斜点间的测程，即两测斜点的深度差L 和两测斜点的方位角平均值和倾角平均值，直线段端点的空间坐标计算公式为

式中，xi、yi、zi分别为地理坐标中的东坐标、北坐标和高程;i 为测斜点序号;Li为第i 个测斜点与第i－1 个测斜点之间的测程，m;αi为第i 个测斜点方位角，(o);βi为为第i 个测斜点的倾角，(°)。

(2)全角半距法［16-17］。将相邻测斜点上、下相邻测程的各一半长度的钻孔轨迹线作为直线段，根据测程的一半长度和相邻测斜点的方位角和倾角进行计算，测斜点空间坐标计算公式为

4 钻孔三维可视化

4.1 钻孔三维模型数据结构

钻孔三维可视化包括钻孔的图形数据和属性数据的三维可视化［18］。钻孔图形数据通过钻孔轨迹进行可视化，能够为矿山地质三维建模提供准确的空间数据，包括孔口位置、样品空间位置等;钻孔属性数据通过文字、颜色和图形等多种方式在三维环境中进行可视化，包括钻孔编号、孔深值、样品的起点和终点深度以及样品的各种元素品位值、体重、岩性代码等［19-20］。因此，钻孔三维模型采用图形关联数据表的数据结构进行存储。图形数据以点存储钻孔孔口位置，以直线段存储样品空间位置，数据表存储图形的属性值。

4.2 钻孔三维模型及属性可视化

钻孔三维模型中，每个钻孔由表示孔口的点、表示样品的多个直线段和对应的表示属性的数据表组成。逐个计算样品直线段的空间位置最终形成钻孔轨迹，样品直线段的端点坐标根据样品长度、样品所在的测斜区间的角度参数和钻孔轨迹计算的数学模型得到，样品的全部属性信息作为一条记录添加至数据表。

钻孔轨迹通常以多段线表示，属性数据则以文字、不同颜色、不同图形或者不同纹理等方式将数值或文本等信息表达出来。钻孔模型在三维空间旋转后，图形和纹理均要重新绘制。岩性的可视化则将岩性代码对应不同的纹理绘制于钻孔轨迹一侧。此外，任何属性数据均可以用文字注释的方式显示在对应的图形一侧。

5 应用实例

基于Hoops 3D 框架，采用C+ +语言在Windows平台上编写程序进行算法实现。以某铜矿钻孔为例，矿体由51 个钻孔控制，分布于32#～56#勘探线。矿体中含Cu、Tfe、Sfe、Au、Ag 等元素，Cu 边界品位为0.3%，最低工业品位为0.5%。通过原始钻孔数据建立了该矿钻孔的三维空间轨迹曲线模型，见图2。

图2 钻孔三维空间轨迹曲线模型Fig.2 Trace model of three-dimensional borehole curve

钻孔中Cu 品位以数值和直方图的形式分别显示于钻孔轨迹两侧，36#勘探线钻孔圈定的铜矿体边界见图3。基于各勘探线的钻孔圈定了矿体边界后，即可利用表面重建算法建立矿体或岩层的三维地质模型。

图3 36#勘探线钻孔圈定的铜矿体边界Fig.3 Delineation of copper orebody based on 36# exploration line borehole

6 结 语

基于矿山钻孔数据，对钻孔三维模型构建及可视化方法进行了研究。利用SQLite 嵌入式数据库管理钻孔数据，对钻孔数据中存在的2 种错类型进行了分析，使得钻孔数据校验更全面。针对2 种钻孔类型，分别给出了各自钻孔轨迹数据模型的计算公式。通过图形关联属性数据表的数据结构存储钻孔三维模型，实现了钻孔属性数据的可视化。研究成果对于地质分析、矿床三维建模有一定的借鉴价值。

致谢 感谢煤矿灾害预防控制实验室河南省高校重点实验室培育基地资助。

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