基于钻孔数据的勘探线剖面图自动生成方法
陈建宏, 周智勇, 陈 纲, 古德生
(中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙, 410083)
摘要: 采用拓扑学研究了基于钻孔数据的平(剖)面图自动生成算法问题, 给出了层次型钻孔数据库的构建方法, 介绍了钻孔勘探线剖面图的绘制方法, 包括倾斜钻孔计算、 简单地质界线追踪连接、 断层等地质构造的人工辅助绘制等, 并以安徽马鞍山高村铁矿和江西城门山铜矿的钻孔数据为例分别绘制了直孔和斜孔的勘探线剖面图。 研究结果表明:钻孔数据剖面连图与平(剖)面图相互切割自动连图属于同一类型问题, 都属于二维矿山散乱数据的可视化问题, 其核心是地质界线的拓扑关系、数据插补和智能追踪;将矢量栅格混合构模与智能识别相结合是一种可行的方法。
关键词: 钻孔数据库; 矿体; 界线; 勘探线剖面图
中图分类号:TD672 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0486-05
Automatic formation method of prospecting line
profile map based on drill hole database
CHEN Jian-hong, ZHOU Zhi-yong, CHEN Gang, GU De-sheng
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The problem of automatic linking algorithm of prospecting line profile map was studied. A new idea based on topology method was introduced, a method of hierarchy type database for geology drill data was given. The method of automatic formation of prospecting line profile map was given based on the drill database, including incline drill hole calculating, simple type ore body linking and manually aided drawing of fault, etc. In the end, the formations of straight and non-straight drill hole type prospecting line profile maps based on drill data of Gaocun iron mine in Maanshan and Chengmenshan copper mine in Jiangxi were described, respectively. The result indicates that the problem of automatic forming of prospecting line profile map based on drill or survey data is the same as the problem of automatic forming of geology cross-section map and it still has not been solved so far. Both of them belong to 2D visualization of mine dispersed data. A feasible method for this problem is to combine vector and grid model and intelligent identifing technique.
Key words: drilling hole database; orebody; borderline; prospecting line profile map
地质剖面图通常是沿勘探线方向切绘的剖面图, 反映出该剖面上的岩性、 矿(岩)体界线、 工程地质特征、 水文特征、 断层位置和构造形态等, 它是分析地质构造、 储量计算、 采矿设计的基础图件。 就矿(岩)体而言, 目前国外矿山的各种设计、 计划和计算大都是基于地质统计学方法建立的三维块段模型(3D block model), 而不是基于直接连接取钻孔样点(测点)圈定矿体[1]。 在我国,由于受矿山设计方法和传统习惯的制约, 以块段表示的矿(岩)体至今没有在矿山设计中得到应用, 仍然是以样点直接连图圈定矿体, 将矿(岩)体绘成光滑的实体。 因此, 绘制勘探线剖面图是国内矿山生产的一项重要技术内容。目前,人们对用计算机绘制勘探线剖面图进行了研究, 但如何自动圈定矿体, 目前还没有好的方法[2-4]。 在此, 作者对该问题进行研究。
1 剖面自动连图问题实质及研究思路
1.1 剖面自动连图问题的实质
根据样点(测点)圈定矿(岩)体以及用已有剖面图产生新的剖面图, 包括“平面图→剖面图”或“剖面图→平面图”之间的相互切割, 是矿山地、 测、 采技术人员经常要做的工作, 大量的切割、 计算和连图工作耗费大量人力和物力, 因此, 必须在地、 测、 采CAD系统中开发切割功能。 矿山地质图具有2个特点: 一是数据的不完备性; 二是地质解释的多义性。 由于勘探工程的限制, 样品或测点数据往往是不完备的, 需要工程师根据地质成因、 构造和工程特点进行插补和修正; 其次, 许多地质现象的解释具有多种含义。 人工连图可以借助现场经验进行, 如“多裤衩型”、 “多孤岛型”、 “多连通域”等地质平(剖)面图的连图, 人工连图容易实现, 但用计算机较难实现。自20世纪80年代中期以来, 人们在地测、 采矿CAD系统方面进行了大量研究[1-9], 但大多数CAD系统采用自动切点、 人工辅助连图的方法[4-6]。 对于简单型矿体、 固定编号的连图问题容易解决, 但对复杂地质界线或工程界线的追踪问题较难解决。
地质平剖面图的相互切割、 自动连图, 其实质是二维散乱数据的可视化问题, 即研究解决“由二维散乱数据(样品、 测点、 切割点)构成的复杂地质界线或工程界线的自动追踪问题”。 该算法的用途极其广泛, 除用于矿业软件领域外, 还可用于各种涉及地质特征的软件系统如边坡监测系统中。 人们希望动态了解地质情况, 根据用户给定的剖面线(或观测点)动态生成地质平剖面图。 目前, 大多数软件没有此类功能, 有些则通过数字化已有断面图来解决“固定剖面线”的查询问题。 可以说, 地质平(剖)面快速切割、 自动连图算法已成为地测CAD、 采矿CAD在矿山广泛应用的“瓶颈”。
1.2 剖面连图问题的研究思路
目前, 复杂地质体的构模尚未成熟[2, 3, 6]。 从理论上说, 只要建立三维实体模型, 二维地质平、 剖面图就能自动生成。 但采矿设计是在已有的矿山地质图基础上进行的, 除了地质界线外, 还有许多工程界线。 要抛弃传统的“勘、 测资料→地质断面图→采矿设计”, 而实行“勘、 测资料→实体模型→采矿设计”是不现实的。 在矿山生产中, 人们关心的是“施工图”, 只希望计算机能模仿人工制图, 方便、快速地把几个关键“点”或“线”找出来、 连起来, 提高采矿设计质量和效率, 不希望把问题复杂化。 “实体模型”与矿山需要的“施工图”相差太远。 因此, 研究解决“基于二维平面的地质平剖面图快速切割、 自动连图算法”对矿山生产设计具有重要的实际意义。 近几年来, 陈建宏等[7]在研究和借鉴三维地测数据构模思想的基础上, 提出了基于拓扑学的“矢量栅格混合构模与智能识别地质平、 剖图自动连图算法”研究思路, 并在矿山图元属性[6]、 矿山图元数据模型[7]等方面进行了研究。 在广泛收集矿山地质平、 剖面图的基础上, 进行矿山图元的拓扑学分类, 研究矿山图元的属性表述方法及其数据存储结构, 以及平、 剖面图的数字化输入方法、 图形存储方式, 形成基于矢量栅格集成的矿山散乱数据库, 同时, 对不完备数据进行智能插补, 以拓扑几何理论为基础, 研究地质界线、 工程界线自动追踪算法。 界线矢量方法表达的精度高, 但不能解决诸如描述矿(岩)体品位、 岩性等内部不均匀等非几何属性问题; 栅格模型可以存储非几何属性, 对栅格数据能够进行逐点处理和块操作, 具有较强的空间分析和操作能力, 但采用栅格方法无法满足精度要求。 将矢量和栅格相结合的混合模型则是一种很好的可视化图形表达方法, 混合模型可以根据实际需要分别导出纯矢量或纯栅格的数据模型。 栅格模型主要用于存储图形的非几何属性数据, 矢量模型主要用于存储图形的几何属性数据, 这样, 整个图形数据结构具有很强的灵活性和适应性, 能充分发挥几何拓扑和智能识别的联合优势。
2 层次型钻孔数据库
钻孔数据包括空间位置、 样品品位、 岩性等多方面的地质信息, 用通常的关系型数据库管理比较困难, 必须将钻孔的开口坐标、 方位、 测斜信息、 各元素品位、 岩性分成多个数据库进行存储, 通过增加检索字段的方法在各数据库间搜索和组合钻孔数据。 这种方法不仅使数据大量冗余, 而且速度和准确性大大降低。 为此, 用C++语言开发了一个基于处理地质勘探数据而设计的层次型数据库, 为地质图形处理提供原始资料。 钻孔数据库结构信息用一个项目工程文件(Projinfo.dat)管理。 由用户定义, 每个钻孔分别以钻孔名为检索字, 按层次存放相应的开口信息、 测斜信息、 化验样品和岩性信息。
2.1 钻孔数据库结构
创建钻孔数据库结构包括3部分:
a. 创建钻孔开口数据结构, 为钻孔开口数据库准备结构信息, 包括: 钻孔名、 开口北坐标、 开口东坐标、 开口标高、 开口方位、 开口倾角(如表1所示)。
b. 创建钻孔测斜数据结构, 为钻孔测斜数据库准备结构信息, 包括: 测点深度、 测点方位、 测点倾角。 定义方式如表2所示。
c. 创建钻孔样品结构, 为钻孔样品数据库准备结构信息, 包括: 样品起止长度(从点、 到点)、 岩性、 样品元素名等。 样品元素名由工程文件决定, 样品数据结构定义方式如表3所示。
表 1 钻孔开口数据结构表
Table 1 Data structure of drill hole position
information
表 2 测斜数据结构表
Table 2 Data structure of drill hole inclined
surveying
表 3 样品数据结构表
Table 3 Data structure of drill hole sampling
information
2.2 钻孔开口信息
钻孔开口信息是一一对应的, 即一个钻孔对应一个开口信息。 因此, 开口信息可以统一存放在一个数据表中, 通过钻孔名称或记录号进行定位。 输入钻孔开口信息记录输入格式如表4所示。
表 4 钻孔开口信息输入格式
Table 4 Data input format of drill hole position
information
2.3 钻孔测斜记录
钻孔测斜信息是不惟一的, 即1个钻孔可以有多个测斜记录, 也可能没有测斜记录(如垂直钻孔)。 1个钻孔存放1个测斜数据表记录, 以钻孔文件名作为测斜数据表名。 钻孔测斜记录输入格式如表5所示。
表 5 测斜信息输入格式
Table 5 Data input format of drill hole inclined
surveying information
2.4 钻孔样品记录
钻孔样品信息是不惟一的, 即1个钻孔可以有多个样品记录。 1个钻孔存放1个样品数据表, 以钻孔文件名作为样品数据表名。 钻孔样品记录输入格式如表6所示。
表 6 钻孔CK90样品信息输入格式
Table 6 Data input format of drill hole
sampling information
3 勘探线剖面图的绘制
3.1 绘制实体与范围
地质剖面图需要绘制的实体有: 钻孔开口及其标注、 剖面方位、 矿体、 岩性、 品位、 取样编号、 地层界限、 断层、 钻孔水平距离、 投影孔、 投影距离、 图框、 图例等。 根据钻孔深度和地形的高度, 求出地质剖面主体的最大值和最小值, 计算出整个剖面所需图框的尺寸, 剖面线的长度s按照2点间的距离公式计算, 剖面方向允许有多个拐折点。
其中:s为剖面线长度;φ为剖面方位角。
3.2 倾斜钻孔的处理
勘探孔分直孔和倾斜孔2种, 直孔的绘制根据钻孔开口坐标及孔深确定。 但对于倾斜孔, 需根据钻孔记录的测斜参数进行换算才能确定。 具体换算方法如下。
图1所示为钻孔的纵投影示意图, 图2所示为钻孔的水平投影示意图。 其中, 粗线为钻孔投影线, 其他线为辅助线; n为测斜段数; d为钻孔偏距; L为钻孔立面投影长度; φ为钻孔方位角; θ为钻孔倾角; li为各测斜段长; θi为各测斜段倾角。
图 1 钻孔纵投影
Fig. 1 Drill hole vertical projection
图 2 钻孔水平投影
Fig. 2 Drill hole horizontal projection
3.3 矿(岩)界线的连接
对于复杂矿岩体(裤衩型、 多连通域等)的自动连接目前还没有切实可行的方法[10,11], 但对简单类型的矿岩体自动连接如层状矿体、 单连通区域, 可以采用属性搜索的方法来实现。 有时根据钻孔样点直接连接会出现各矿(岩)体间交错现象。 这时, 可根据取样点的岩性, 以横向搜索追踪的方式对同岩层的扩展进行处理, 如遇到断层或矿体尖灭时, 停止矿体的追踪, 再根据相邻钻孔的地层情况, 继续新的追踪, 若仍然不行, 则必须增加人工赋矿(岩)体编号, 增加追踪约束条件的方法, 这时矿(岩)体的连法可能因技术人员不同而异。 对地质界线通常需要进行光滑处理, 为了使绘出的曲线符合规范, 一般可采用插值3次样条函数。 插值3次样条曲线通过型值点, 能较好地保证界线精度。 也可以针对特定的矿(岩)体建立矿(岩)体数学模型, 使拟合的曲线既光滑, 又反映地质界线的实际。 外推矿体时, 按照传统地质处理方法, 采用加权平均法, 将钻孔中揭露的透镜体延长至2个钻孔之间的中间处尖灭。
3.4 断层等地质构造的绘制
在绘制断层、 裂隙、 破碎带、 露头、 倾斜岩层等实体时, 采用参数化方式进行, 根据测出的走向、 倾向、 倾角,采用类似钻孔测斜换算方法, 将真倾角换算成视倾角, 然后采用人工交互方法绘制。
4 应用实例
根据以上原理, 在采矿CAD系统MCAD[6,7]中开发出1个钻孔勘探线剖面图的自动生成模块(HSECT), 该模块可对用户给定的水平面上任意2点及容差, 切割原样数据库中所有钻孔, 并将钻孔有关信息标绘在钻孔剖面图上, 钻孔数据库中的相关信息通过选择项标绘在剖面图上。 图3所示为马鞍山钢铁公司高村铁矿的勘探线剖面图, 矿体主要产于闪长玢岩, 包括1个大型的块状矿体和一系列在其附近的矿脉, 矿体方向性不明显, 呈不规则块状, 钻孔均为直孔。
图4所示为江西城门山铜矿的勘探线剖面图, 部分钻孔为斜孔。 由于该矿属于复杂类型矿体, 程序没有完成矿体自动追踪。 系统为人工连矿体提供了非常方便的工具, 为全自动连图打下了良好的基础。
图 3 直钻孔勘探线剖面图实例
Fig. 3 Vertical drill hole prospecting
图 4 斜孔勘探线剖面图实例
Fig. 4 Inclined drill hole prospecting
line profile map
5 结 论
a. 钻孔数据的剖面连图与地质平(剖)面图相互切割连图属于同一类型问题,都属于二维矿山散乱数据的可视化问题,其核心是地质界线的拓扑关系及智能追踪连图算法。
b. 地质界线矢量方法表达的精度高,但不能解决诸如描述矿(岩)体品位、岩性等内部不均匀等非几何属性问题;栅格方法可以存储非几何属性,这些属性对“工程计算”和“智能识别”非常有用。栅格数据能够逐点处理和进行块操作,具有较强的空间分析和操作能力,但栅格方法无法满足精度要求,将矢量和栅格相结合的混合模型则是一种很好的可视化图形表达方法。
c. 钻孔数据包括空间位置、品位、岩性等多种不同类型的信息,用关系型数据库管理,不仅使数据大量冗余,而且速度和准确性大大降低。采用层次型数据库结构是一种较好的面向图形处理的地质数据管理方法。
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收稿日期:2004 -06 -18
基金项目:全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(200449); 教育部优秀青年教师资助计划项目(2003135)
作者简介:陈建宏(1963-), 男, 江苏苏州人, 教授, 博士, 博士生导师, 从事矿山CAD/GIS、 可视化技术的研究
论文联系人: 陈建宏, 男, 教授, 博士, 博士生导师; 电话: 0731-8876524(O); E-mail: JHChen@mail.csu.edu.cn.
