矿山找矿预测地质模型构建及应用

张 雄

（江西省地质矿产勘查开发局赣东北大队，江西 上饶 334000）

随着科学技术的发展，在电子信息操作系统中进行情况模拟和立体建模技术已经在医学、地质学、气象探测和计算力学等学科领域广泛使用。但是由于地质对象具有复杂性、不确定性和分布离散性，其他学科已经区域成熟的建模方式不能应用于地质学，需要结合传统的地质勘探学、计算机技术、地理信息系统等多学科的现有成果进行辅助，进行综合分析和解释[1]。进入21世纪以来，国外对立体地质建模的应用进行了广泛的研究。立体地质建模的概念提出以来，这项技术已经被研讨了将近五十年，形成了一系列的理论成果和建模技术。很多研究人员也依据数学建模的方式、立体地质数学建模和可视化方法等方面进行了研究[2]。目前的地质建模技术蓬勃发展，收集立体空间数据的方法也越来越多，对数据的要求也越来越严格。然而，实际工作场景的数据缺失、遥感数据的不精确性、地震记录剖面数据的解释缺乏以及矿井数据采集的高成本这些问题都是影响精准搭建三维地质模型的因素。立体激光扫描技术只能获得扫描区的空间坐标和光线反射结果，大致构建出空间岩石的纹理。所以当前应该不断地进行模型的完善以获取更多有用的数据信息。

1 构建矿山找矿预测地质模型方法

1.1 野外激光扫描数据获取

本文所使用的立体激光扫描仪采用非接触式激光成像和数字测图系统，是一种方便携带，使用简便，不需要专业培训就可以使用的野外应用仪器。该设备由数字图像采集设备和复杂的软件系统组成，只有一个地球仪大小。它最大的优点是精准度高、扫描范围大，能够抓取的有效数据多，快速地扫描物体之后能够迅速地导出物体原始的测量描绘的数据，能从最开始和逆向进行立体数据的采集和模型重构。立体激光扫描仪器一般来讲是一行行、一列列进行数据的收集。数据会以数据集合的形式一行行一列列地转化为像素点，每一个数据集合单元由样本点在显示面上的立体坐标数据组成。这些坐标值构成的集合我们称其为“点云”。立体激光扫描仪器在采集过程中的主要目标就是点云的空间位置数据，以及发射点密度数据和相机拍摄到的图像数据信息。这些数据都会按照模块储存在相对应的文件中。激光立体建模的精准性取决于扫描方法和实际扫描的过程。其扫描到的数据是后期处理信息的基础，也影响着后期建模的质量。传统上使用校准球。

为了使扫描仪安全、高效地完成扫描工作，仪器应该在适当的温度、湿度和表面相对光滑的环境下使用。本文的研究主体是矿山，当逆光扫描时，图像的阴影部分会比较重，这使得构建模型很困难。因此，在扫描时应尽量考虑向光逆光的问题。

1.2 数据处理

数据采集是为之后的计算研究工作提供直接的数据来源的基础步骤之一，上文提到激光扫描仪器的数据抓取量很大，所以为了采集到有效的数据，在扫描之前就要首先确定第一个参考点的坐标值。设置参考站点的目的是为后期的站点图像作为叠加绘制的参考。在选定第一个参考点时，需要将参考物的相对位置记录下来。根据上文讨论过的点云原理，需要至少设置三个参考点，而且这些参考点不能连成一条直线或者是处在一个平面中。同样，参考点的位置不能够过于集中，避免参考坐标和地球坐标之间混乱而造成误差。做标记是因为这样可以在后期进行拼接工作的时候能后准确快速地进行加工工作，对于一些特殊的地点数据也有一定的指导作用。在实际建模过程中，需要对参考物品的坐标进行记录和语言描述，甚至编号，以便后续工作。

扫描仪放置。通常情况下，完成扫描对象的点云采样至少需要进行一个星期，也就是要对多个站点进行扫描工作。所以在扫描开始之前，要确定好设置过的扫描点的位置这要比测量整个站型更加重要的步骤。扫描站点的数据大小直接影响到扫描仪器的位置安排和拼接工作的效率。

1.3 地质特征提取

特征是指在建立表面模型时，对建模有关键影响的局部表面、曲线等立体激光点云数据的特征线提取，包括等值线提取、轮廓特征提取、边界提取等。对于规则数据场的轮廓提取，已有一些比较成熟的方法。因为激光扫描仪器获取的点云的分布数据大多数是离散的和无规律的，所以这些方法不可以直接应用于不规则的数据中用来提取平滑曲线。通常的做法是对测量到的点云数据进行剖分，搭建一个曲面模型，然后通过插值的方法进行连接。内部特征线是立体模型中一个重要的特点，其中包括观察点的凸起和观察点有关的游览长廊，有利于观察者研究图像模型的细微之处，特别是对于含有点云数据的立体模型。高压楔线由模型表面的主曲率计算，主曲率与视点无关。通过计算与视点相关的模型曲面的径向曲率提取轮廓，点的法向量应垂直于视线。递增边界一般是高度不连续的，折叠边界是切向不连续的，平滑边界是曲率不连续的，如图所示。

图1 各类轮廓线示意图

通过测量图像的形状、颜色深浅和纹路以及光线反射频率等特征的变化，可以检测出质量模型中的轮廓。但根据立体建模的特点，一般不会使用单一的不间断跟踪，因此在工作中，要根据实际情况灵活选择软件系统的人机交互方法和自动生成方法。

2 矿山找矿预测地质模型构建

2.1 矿山地质空间框架搭建

地质模型通常通过数据化的空间几何形状、地志学信息、地质研究对象和它们的物理性质之间的关系来表述研究对象。具体包括以下元素：点、线、面、相交线、区块、网格以及属性特征。平滑特性可以是常数或者连接成曲线或者直线的，在规定区块内随着深度或者方向的变化而逐渐变化。

平均属性的插入数值获取很大程度上决定于表示属性特征的网格的集合属性。比如网格的空隙大小，光线渗透程度等等。几何空间关系的表达也是判断地质模型优劣的要素之一，所以地质建模工作人员需要尤其注意。本文利用激光立体扫描技术，以定点采集的坐标点数据信息、结构数据和岩石性质反馈数据为基础，为地质建模提供统一的空间坐标框架参考。

2.2 典型剖面分析

本次样品的釆集工作主要集中在图所示的区域。

对采集的样品分别进行了矿物组合分析：样品位置岩石呈蓝灰色、块状结构、中、细粒结构，主要矿物为长石、角闪石和绿帘石。绿帘石在长石中形成绢云母和粘土，胶粘剂呈棕色。显微镜下，基质由长石和角闪石组成。斑晶由大块板状斜长石和半自形石英颗粒组成。其中斜长石长度约为双晶结构，不显著，有少量粘土。局部长柱状桂花化，和脉状绢云母。绿帘石石化闪长岩的初步鉴定。样品位置出现淡粉红色的细晶脉，呈白色，块状结构，左右两侧最高，碳酸盐、韩铁辉石和绿帘石分布显微镜下可以看到基质主要由细的自形长石、含铁长石和绿帘石组成。具有较弱的方向性和流动性。

基于此，本文所设计的立体建模搭建完成。

图2 测点与采样位置示意图

3 实验

根据上文的分析，对立体建模和传统建模两种方式的各项功能进行对比，对同一个样本区，在图像清晰度、元素分析和坐标定位灵敏度方面进行检测，结果如下表：

表1 实验对比表

由上表可知，立体建模的图像清晰度比传统建模高五十万像素，对矿石中的不同种类元素有色差显示，并且平台的运行反应速度也比传统建模快很多。所以，本文设计的立体建模平台能更好地应用于矿山找矿的工作中。

4 结束语

立体激光扫描技术作为一项新技术，以其快速、高效、方便的特点引起了各行业的关注。将其应用于地质建模与研究也是一个新趋势。本文从非接触式激光扫描仪点云数据处理、典型剖面元素分析等方面尝试将激光扫描技术应用于立体地质建模。结果表明，立体激光扫描技术可以快速、高精度地实现整体空间框架、内部纹理数据和亮度数据的采矿模型构建，结合其他物化探方法，建立地质模型，供地质人员分析，地质问题的解决带来了极大的便利，为今后地质行业带来了更多的效益。