CN102279980A - 地质勘探矿体三维建模方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种地质勘探矿体三维建模方法及其装置，其中该方法包括：步骤一，根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；步骤二，将勘探工程投影到勘探剖面上，并在勘探剖面上对矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在勘探剖面的地质体界线；步骤三，将勘探剖面间的地质体界线用三维曲面连接，得到三维重建后的地质体。本发明能够实现从钻孔到剖面到曲面最终生成实体的地质三维建模。

Description

地质勘探矿体三维建模方法及其装置

技术领域

本发明涉及地球探测与信息技术领域，尤指一种地质勘探矿体三维建模方法及其装置。

背景技术

在地质矿产勘查工作中，涉及的大量问题是在三维空间中的，矿产勘探工作是通过勘探、坑探等工程获取近地表三维空间矿产的基本信息，目的是查明地下三维空间矿产的质量、规模、位置和形状。矿山外围及深部矿产资源勘查工作找矿的突破关键在于隐伏矿床三维立体定位预测的实现，成功的隐伏矿床三维立体定位预测，既依赖于新的地质理论和勘探技术方法，又依赖于使用先进计算机及信息技术，危机矿山地质勘探工作要求在三维立体空间进行，即从空中、地表、地下进行探测，形成全空间的立体三维数据。随着危机矿山找矿工作的深入，对于已经获取的三维空间多元地质勘查数据的有效管理，和在此基础上的储量估算处理，无疑将对危机矿山外围及深部矿产资源找矿工作起到重要的推动作用。

70年代中期开始，西方主要国家开始成立软件公司研制相应软件，80年代初期，相继推出了各种软件，比较有影响的有：基于UNIX的LYNX、Vulcan(Map Tec)。Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-KEagles；基于PC机的Micromine、Gemcom、Mincom、MineMap、LYNX、Vulcan和基于NT的Vulcan。这些软件涉及领域包括：矿床模拟、开采评估、设计规划、生产管理等。上世纪八十年代以来，随着地质统计学技术成熟，利用计算机数值计算大大提高了储量估算的效率和精度。但这种计算是一种纯数值的，对储量估计的用户是一种近似“暗箱”方式，很难进行直观、形象和可控的评价。这就需要将数字信息转换成直观的，易于理解的、且可进行交互分析的图形方式给资源估算人员。和一般二维图形GIS处理不一样，三维可视化问题是如何根据实际观测信息产生三维图形和表达三维问题。国外三维储量估算软件有很成熟的三维技术和自己的储量估算体系，其核心是地质统计学储量估算方法。我国传统的储量估算工作方法是一套有别西方国家以地质编图为基础的地质块段法，方法特点是数学原理简单易学，但需要大量地质编图成果。近年来，我国在三维储量估算软件方面投入科研力度较大，国家863项目、部门产业项目都支持了该领域技术研发工作。

通过国家863项目、部门产业项目支持，尝试将三维技术与传统储量估算方法结合，总结出矿床勘探3DEM储量估算流程技术。其中难点核心技术是基于剖面数据的三维体建模问题。表面重建必须解决三个基本问题：轮廓对应、轮廓拼接和分叉问题。这三个问题都存在弱约束的特点，具有很大的随意性。其中，前者属于拓扑重建，后两者属于几何表面重建。目前，大多数算法主要是解决不连通分支连接方式的表面重建问题。目前主要有两类轮廓对应方法：基于重叠的轮廓对应方法和全局轮廓对应方法。基于重叠的轮廓对应方法是一种局部判断准则，以相邻剖面上轮廓线包围区域的重叠大小为判断标准，确定轮廓的对应关系。如果剖面距离过大，轮廓错位比较严重，则不能准确、可靠地确定轮廓对应关系，此时需要全局地考虑整个轮廓组。全局轮廓对应方法以椭圆来近似代表轮廓，以广义柱体生长法来寻找轮廓间的对应关系，涵盖了物体的全局信息，能够比较准确的确定轮廓对应关系。最小生成树方法以外接椭圆来近似代表轮廓(其中对凹轮廓采用多边形逼近)，建立对应于全部轮廓线的无向图，每个节点表示一条轮廓线，每条边表示两条轮廓有对应关系，通过计算图中的最小生成树，来确定各轮廓对应关系。

目前尚未提出完整的从钻孔到剖面到曲面最终生成实体的地质三维建模方法，其他现有的三维重建技术不能完全满足实际工作中地质形态的复杂性要求，如处理地质体扭曲、分叉等问题，从而无法生成三维矿体，因此有必要提出一种技术以解决上述方法存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地质勘探矿体三维建模方法及其装置，用于解决现有技术中无法从钻孔到剖面到曲面最终生成实体的地质以及无法处理地质体扭曲、分叉等问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；

步骤二，将勘探工程投影到勘探剖面上，并在勘探剖面上对矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在勘探剖面的地质体界线；

步骤三，将勘探剖面间的地质体界线用三维曲面连接，得到三维重建后的地质体。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤一中，进一步包括：

选定需要作矿体圈定的勘探工程；

设定矿体品位条件；

根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤二中，进一步包括：

选择进行矿体连接的勘探剖面；

设定引导容差、矿层显示方式等相关参数；

在设定相关参数后，在所选择的勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤二中，进一步包括：

根据矿体的具体形态，使用正射投影或走向投影方法将勘探工程投影到勘探剖面上。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：

选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；

对两端勘探剖面的地质体界线进行曲面连接，生成封闭曲面；

对生成的封闭曲面进行拓扑处理，生成地质体。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：

采用模拟退火遗传算法对相邻勘探剖面间的地质体界线进行曲面生成的步骤。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：将三维重建后的地质体与地质块断法结合估算地质储量的步骤，具体为：

使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线；

根据矿体水平投影图轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网；

根据地质情况进行三角矿块的修正；

计算每个修正后矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

所述的地质勘探矿体三维建模方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：

使用图表交互查询和/或数据统计图解方式，动态检索矿体储量的信息。

为了实现上述目的，本发明提供一种地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，包括：

单工程矿体圈定模块，用于根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；

剖面矿体连接模块，连接单工程矿体圈定模块，用于将勘探工程投影到勘探剖面上，并在勘探剖面上对矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在勘探剖面的地质体界线；

地质体三维重建模块，连接剖面矿体连接模块，用于将勘探剖面间的地质体界线用三维曲面连接，得到三维重建后的地质体。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，所述单工程矿体圈定模块包括：

勘探工程选定模块，用于选定需要作矿体圈定的勘探工程；

品位条件设定模块，用于设定矿体品位条件；

矿体上下界确定模块，连接所述勘探工程选定模块、所述品位条件设定模块，用于根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，所述剖面矿体连接模块包括：

勘探剖面模块，用于将勘探工程投影到勘探剖面上，并选择进行矿体连接的勘探剖面；

参数设定模块，用于设定引导容差、矿层显示方式等相关参数；

界线连接模块，连接所述勘探剖面模块、所述参数设定模块，用于在设定相关参数后，在所选择的勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，所述地质体三维重建模块包括：

剖面间曲面生成模块，用于选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；

曲面连接模块，连接所述剖面间曲面生成模块，用于对两端勘探剖面的地质体界线进行曲面连接，生成封闭曲向；

地质体生成模块，连接所述曲面连接模块，用于对生成的封闭曲面进行拓扑处理，生成地质体。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，所述剖面间曲面生成模块采用模拟退火遗传算法对相邻勘探剖面间的地质体界线进行曲面生成。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，该装置还包括：

矿体储量估算模块，连接地质体三维重建模块，用于根据三维重建后的地质体与传统的地质块断法结合估算地质储量。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，该矿体储量估算模块进一步包括：

轮廓线获取模块，用于使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线；

矿体三角网生成模块，连接轮廓线获取模块，用于根据投影图轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网；

三角矿块修正模块，连接矿体三角网生成模块，用于根据地质情况对三角矿块进行修正；

地质储量计算模块，连接三角矿块修正模块，用于计算每个修正后矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

所述的地质勘探矿体三维建模装置，其中，该装置还包括：

矿体储量管理模块，连接矿体储量估算模块，用于使用图表交互查询和/或数据统计图解方式，动态检索矿体储量的信息。

本发明相较于现有技术所实现的有益效果在于，本发明根据地质勘探资料信息建立矿体三维数字化模型，圈定矿体单工程边界，连接矿体在勘探剖面的剖面曲线，使用模拟退火遗传算法进行剖面曲线三维最优三角形剖分连接，实现了三维体建模和地质储量估算。使用本发明方法，能够将离散的勘探工程信息，通过三维重建技术，形成统一的地质地层三维模型。

本发明对基于剖面轮廓线的表面重建的关键问题进行研究和实现，主要针对由一序列剖面轮廓线重建三维实体的轮廓线间的拼接方法，将模拟退火遗传算法引入到轮廓线拼接中来，提高了轮廓线拼接算法的效率和发挥了全局法的优点。并提出了针对轮廓线拼接特点的交叉和变异算法，提高了算法效率。本发明还实现了辅助线轮廓线拼接，提供了一种具有更大灵活性的拼接的方法。

附图说明

图1是本发明地质勘探矿体三维建模方法流程图；

图2是本发明单工程矿体圈定的方法流程图；

图3是本发明某铜钼矿区使用多指标(铜与钼总含量大于0.2)圈定的结果；

图4是本发明该矿区使用单指标(铜的含量大于0.2)圈定的结果；

图5是本发明利用单工程矿体圈定得到的矿体上下界进行勘探剖面矿体连接的方法流程图；

图6是本发明在法线投影下，某矿区的剖面图；

图7是本发明在矿体走向为60。情况下，该矿体使用走向投影的结果；

图8是本发明对勘探剖面间的地质体界线进行三维重建的方法流程图；

图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)分别是本发明利用模拟退火遗传算法得到的“任意形状轮廓线拼接”“退化轮廓线拼接”“复杂形状轮廓线拼接”“某铁矿矿体的三维表面”结果图；

图10是本发明串1的轮廓线拼接片段；

图11是本发明串2的轮廓线拼接片段；

图12(a)、图12(b)是本发明的个体变异示意图；

图13是本发明在三维状态下显示的钻孔和矿体的形态；

图14是本发明将钻孔和矿体投影到平面上的效果图，其中，圆圈表示钻孔的开孔位置，轮廓线时表示矿体在水平面上的投影；

图15是本发明在矿体内部，将最近的3个或4个钻孔组成四边形或者三角形后形成的矿块，每个矿块以不同的颜色显示；

图16是本发明将组成块段的钻孔品位加权平均，得到块段的平均品位和平均厚度；

图17是图16左上角部分的局部放大图，对于钻孔，斜线前面是钻孔的测量品位，斜线后面是钻孔的真厚度；对于块段，斜线前面是块段的加权平均品位，斜线后面是块段的平均厚度；

图18是本发明将每个块段的体积、平均品位、矿石量、储量等信息统一显示在表格中，将每个矿石量相加是总矿石量，将每个储量相加是总储量；

图19是本发明地质勘探矿体三维建模装置结构图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

图1是本发明地质勘探矿体三维建模方法流程图；该方法是一种地质勘探矿体三维非线性3DEM建模方法，其是在已有钻孔、槽探、平洞等勘探工程的基础上，建立地层的三维模型。此方法实现的具体步骤如下所示：

步骤110，根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；

该步骤是利用已有的钻孔数据，根据设定的矿体品位条件来确定矿体上下界。

根据勘探工程数据库圈定单工程矿体的边界时，将已有的勘探工程数据，按照勘探工程的位置、岩性划分，录为三个基本表格：“勘探工程位置表”“勘探工程形态表”“采样信息表”；三个表格存储在Excel、Access、SQL Server等具有数据存储功能的数据库系统中，形成勘探工程数据库；读取勘探工程数据库，按照勘探工程的起始位置，将这些勘探工程投影到若干勘探线上；根据矿体的具体形态，使用正射投影或者走向投影方法；对于每个勘探工程，分别进行单工程矿体圈定的操作；其目的是为了充分展示矿体的连续性，为在勘探线剖面上进行矿体连接做准备工作，根据矿床工业指标(包括边界品位、最低可采厚度、夹石容许厚度等参数)进行单勘探工程中矿体的圈定和处理：根据给定的工业指标(单指标、双指标)控制参数，对单个工程进行矿体圈定(Orebody Delineation in drill)；对双指标圈定，可根据控制参数调整矿体边界“穿鞋带帽”的厚度，并对特高品位进行处理。

步骤120，将勘探工程投影到勘探剖面上，利用单工程矿体圈定得到的矿体上下界进行勘探剖面矿体连接(剖面编辑)，以在勘探剖面方向上将矿体上下界按一定规则(1/2平推或1/4平推或1/3尖推等)得到勘探剖面的地质体界线。

该步骤中，是将勘探工程投影到勘探剖面上，并在勘探剖面上对矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在勘探剖面的地质体界线；其任务是将同一个剖面上位置相近、岩层相同的地层，用地质体界线勾勒出来，为下面的三维重建做必要的准备；使用合适的投影方式，将剖面投影在二维平面上，然后，使用编辑线的基本功能(包括增加线、删除线、线上加点、线上删点、线上移点、合并线、剪断线、抽稀线、加密线、复制、剪切、粘贴、移动等)，完成剖面编辑；在剖面编辑的过程中，需要在最外侧的钻孔外层向外平推1/4的距离(或平推1/2的距离或尖推1/3的距离)，作为勘探剖面内的地质体的截止部分。

步骤130，将勘探剖面间的地质体界线用合适的三维曲面连接，进行三维重建，得到三维重建后的地质体(Orebody Delineation in 3D)；

该步骤中，是将剖面矿体连接完成的各剖面地质体数据统一显示在三维视图中，在三维状态下根据相邻勘探剖面间的地质体界线位置及走向完成三维曲面的生成。

该步骤中，采用模拟退火遗传算法，保证相邻地质体界线的平滑过渡，并最大限度的保证了曲面的不交叉；最外层的两个剖面，分别向外平推1/2的距离(或平推1/4的距离或尖推1/3的距离)，作为三维体的外侧推断部分。

现有的三维重建方法包括MC移动立方体算法、B样条NURBS曲面拟合、细分曲面拟合等。三维重建过程是对原始地质体界线数据进行三维重建，不存在舍入误差，能完全与地质体界线吻合；在全体解空间中进行最优化搜索，既能避免陷入局部最优解，又可保证算法执行速度；可以完成剖面距离较远或曲线形态变化较大的三维重建。

模拟退火混合遗传算法是基于剖面数据的轮廓线表面重建的一种实现算法。

轮廓线对应可使用全局对应法和局部对应法两种。因全局对应法具有较好的对应效果，故本发明采用这种方法。其工作原理是确定各闭合曲线的几何参数(内外心、重心、最优角等)，以一定的规则(连接跨度最短、总距离最小、最小角最大或各参数加权平均)选择最优连接。

轮廓线拼接问题的解决即上述模拟退火混合遗传算法。

轮廓线表面重建中的分支处理分四步进行：

A1)确定分支线位置；

A2)在分支线位置处分割曲线；

A3)分支线分别使用模拟退火混合遗传算法进行曲面连接；

A4)将曲面合并成实体。

轮廓线表面重建的关键是确定分支线位置，可采用凸包限界法。

凸包限界法主要步骤为：

B1)求出各轮廓线重心；

B2)求这些重心点的凸包多边形；

B3)求该凸包多边形与各轮廓线的交点；

B4)在交点处将原轮廓线打断；

B5)将打断后的各折线段依次使用模拟退火混合遗传算法进行连接。

进一步地，上述方法还包括：矿体储量估算(Orebody Resource Estimationin 3D)；

该步骤将三维重建后的地质体与传统的地质块断法结合，首先使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线，然后根据轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网，地质专家根据地质情况进行三角矿块的修正，最后由计算机计算每个矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

进一步地，上述方法还包括：矿体储量管理(Orebody ResourceManagement in 3D)步骤：

该步骤使用图表交互查询、各种数据统计图解等，动态检索矿山储量的各类信息。

上述方法属于地质体三维建模核心技术，主要分析传统地质勘探工作流程，设计和实现了矿体的三维可视化工作流程，其核心技术是基于计算机剖面的轮廓线建模。基于剖面数据的轮廓线表面重建是一个传统的物体表面重建算法，它的输入是一组平行的平面，称为切片(或剖面)(section)，每个切片有一个或多个轮廓线，故也称切片级重建。通过连接切片上轮廓线的顶点来构造分片的线性曲面，最常用的是三角片。两层切片连接好以后就在切片间形成了一条三角带，所有的三角带组合起来就构成了一个拟合物体表面的三角网格。在上述地质勘探三维计算机建模中，解决了剖面建模的三个问题：一是根据勘探工程确定单工程矿体顶界和底界及夹石；二是将勘探工程投影到剖面上，并在剖面上将钻孔控制矿体进行轮廓线连接；最后是矿体三维连接。上述方法将三维技术与传统储量估算方法结合，总结出矿床勘探3DEM储量估算流程技术，实现了基于剖面数据的三维体建模。解决了表面重建的三个基本问题：轮廓对应、轮廓拼接和分叉问题。上述方法对基于剖面轮廓线的表面重建的关键问题进行研究和实现，主要针对由一序列剖面轮廓线重建三维实体的轮廓线间的拼接方法，将模拟退火算法引入到轮廓线拼接中来，提高了轮廓线拼接算法的效率和发挥了全局法的优点；并提出了针对轮廓线拼接特点的交叉和变异算法，提高了算法效率；还实现了辅助线轮廓线拼接，提供了一种具有更大灵活性的拼接的方法。

如图2所示，是本发明单工程矿体圈定的方法流程图。

在矿产勘探中判断矿与非矿涉及因素很多，主要有矿石品位、技术经济、矿石类型、埋深、矿体厚度等。单工程矿体厚度的圈定主要是依据工业指标，按照国储[1991]164号文，以充分体现连续性。圈定单工程矿体的厚度一般按下列步骤进行：

1)按边界品位的指标初步确定矿体的边界及矿体中的无矿夹石地段；

2)按夹石剔除厚度的指标剔除夹石，或并入矿体中；

3)按工业品位圈定“基础储量”与“资源量”界线，并按照“穿鞋戴帽”的有关规定，最后确定基础储量矿体界线。

根据上述原则，地质勘探人员传统使用手工制图方法进行矿体单工程圈定，这种圈定方法除遵循基本地质勘探国家规定原则外，有一定的灵活性和不确定性。

在图2中，该方法的详细步骤如下：

步骤201，选定需要作矿体圈定的勘探工程；

步骤202，设定矿体品位条件；

步骤203，根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

在确定矿体上下界后，还进一步包括对圈定结果进行人工交互式修改的步骤。

上述方法实现了矿体单工程圈定计算机化，是将GIS图形可视化技术与钻孔记录数据库联系，将表记录形成钻孔柱状电子图，并实现表属性数据与图形互连互通。按照单工程矿体圈定单指标或多指标进行矿体人工交互操作，一方面按照“穿鞋戴帽”的有关规定和夹石剔除厚度的指标剔除夹石或并入矿体中原则，设计多种判断表内矿、表外矿的准则，实现计算机自动圈矿；同时提供一种非常友好的人机交互的图形可视化界面，容许地质专家多套圈矿方案，让地质专家参与得到最优单工程圈矿的方案。图3是某铜钼矿区使用多指标(铜与钼总含量大于0.2)圈定的结果，图4是该矿区使用单指标(铜的含量大于0.2)圈定的结果。

如图5所示，是本发明利用单工程矿体圈定得到的矿体上下界进行勘探剖面矿体连接流程图。该流程具体包括如下步骤：

步骤501，选择进行矿体连接的勘探剖面；

步骤502，设定引导容差、矿层显示方式等相关参数；

步骤503，在设定相关参数后，根据矿层边界绘制地质体界线。

该连接的主要工作有探矿工程投影在勘探剖面上，剖面矿体等地质体界限连接等。初步形成地质勘探剖面图中钻孔岩性分层及矿化分析结果图。本发明设计实现了交互式专家参与的剖面矿体轮廓线圈定技术。将勘探工程投影在勘探剖面上，有两种方式：法向投影和走向投影。现在钻孔投影方法的实质或共同点，是将偏斜钻孔某测程影响距离终点处所见岩层点，沿特定方向水平投影到勘探线上，再从此点引铅垂线与勘探剖面上岩层视倾斜线(即投影前的同一岩层界面与剖面的交线)相交，其交点为见岩层点在剖面上的投影；将此投影点同该测程影响距离的起点连接起来，即为偏斜钻孔某井段在勘探剖面上的投影轴线。若将该方向选择为垂直方向，则为法向投影；若将该方向选择为垂直矿体走向的方向，则为走向投影。在完成投影方式的前提下，实现了大量CAD编图功能，用户可以方便进行剖面矿体、地质体轮廓线连接，这些功能主要有画线、点(线)捕捉、移动点线、删除点线及反悔操作等。同时利用GIS属性图形一体化思想，借助钻孔地质分层信息和图形表达，在圈定矿体轮廓线时，可以根据当前位置准确捕捉到同层地质体下一个可能位置，地质专家可以交互完成剖面矿体轮廓线圈定。为了解决矿体外推问题，按照地质勘探1/2平推或1/4平推或1/3尖推等原则，并计算轮廓线大致走向确定相应位置。图6是在法线投影下，某矿区的剖面图；图7是在矿体走向为60°情况下，该矿体使用走向投影的结果。

如图8所示，是本发明对勘探剖面间的地质体界线进行三维重建的方法流程图。该流程具体步骤如下：

步骤801，在三维状态下显示各剖面的地质体界线；

步骤802，选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；

步骤803，设定生成曲面的名称、类型、内外岩性等参数；

步骤804，判断所有剖面间的曲面连接是否完成，若是，则执行步骤805，否则；返回步骤802；

步骤805，分别选定两端勘探剖面的地质体界线，进行曲面封闭；

步骤806，检查以上生成的封闭曲面的拓扑完整性，完成实体生成。

该流程中，基于剖面数据的轮廓线表面重建是一个传统的物体表面重建算法，它的输入是一组平行的平面，称为切片(或剖面)(section)，每个切片有一个或多个轮廓线，故也称切片级重建。算法一般只在两层切片之间进行讨论。通过连接切片上轮廓线的顶点来构造分片的线性曲面，最常用的是三角片。两层切片连接好以后就在切片间形成了一条三角带，所有的三角带组合起来就构成了一个拟合物体表面的三角网络。它包括以下几个关键的子问题，它们是轮廓对应、轮廓线拼接、分支处理。

整个表面重建过程分为两步：拓扑重建和几何表面重建。拓扑重建和几何表面重建有前后顺序之分，必须先进行拓扑重建，然后进行几何表面重建。拓扑重建为几何表面重建提供必要的输入数据(即轮廓线)。拓扑重建的目的是对每一断层上的轮廓线进行分组，确定各轮廓的包含和对应连接关系，保证几何表面重建的正确性。轮廓线表面重建中的四种基本连接方式所对应的四类基本实体，它们是①末端连接，②单轮廓线的简单连接，③不连通的分支连接，④连通的分支连接。

对于剖面轮廓线是单一的凸轮廓线的重构，H.Fuchs对可接受表面的定义如下：

(1)每一个轮廓线线段必须在而且只能在一个基本三角面片中出现。如果上、下两条轮廓线各有m、n个轮廓线段，合理的三维表面模型将包含m+n个基本三角面片；

(2)如果一个跨距在某一基本三角面中为左跨距，则该跨距是而且仅是另一个基本三角面片的右跨距；

(3)各面片之间不允许自交。

上述步骤802中，曲面生成是指将相邻剖面间的地质体界线通过不规则三角网形成曲面的过程。它是通过模拟退火混合遗传算法完成的，其具体操作如下：

1)初始种群的产生，使产生的初始种群都是合法解；

2)模拟退火操作，即对群体中每个个体进行模拟退火操作来扰动遗传算法产生的群体；

3)查询最小交叉多边形，通过交叉和变异操作，完成种群的迭代，并通过选择操作，完成种群的一次更新；

4)当种群满足终止条件时，算法结束。

模拟退火混合遗传算法是将遗传算法与模拟退火算法相结合而构成的一种优化算法。遗传算法的局部搜索能力较差，但把握搜索过程总体能力较强；而模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优解，但模拟退火算法却对整个搜索空间的状况了解不多，不利于使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得模拟退火算法的运算效率不高。将遗传算法与模拟退火算法相结合，互相取长补短，开发出性能优良的新的全局搜索算法，这就是模拟退火混合遗传算法的基本思想。图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)分别是利用模拟退火遗传算法得到的“任意形状轮廓线拼接”“退化轮廓线拼接”“复杂形状轮廓线拼接”“某铁矿矿体的三维表面”结果图。在轮廓线拼接中，可设定拼接后的曲线经过某折线，这条指定的折线，称作辅助线。完成这一功能的轮廓线拼接，称作辅助线轮廓线拼接。这一功能有两方面的作用：

1、能够使得生成的曲面经过某地质体界线，如断层。

2、当轮廓线复杂时，可由用户指定经过某折线，方便算法的顺利进行。

下面将该算法详述如下。

在模拟退火混合遗传算法中，涉及适应值函数的选取和控制参数的设置。适应值函数是个体优越性的度量，控制参数包含初始群体大小、退火率、最小初始值连续不变次数、交叉概率、变异概率、交叉概率等，这些参数决定了整个算法的执行性能和运行结果。

算法关键步骤如下：

定义1一个重建表面的合法解也称为串。

定义2端点分别在上下轮廓线中的边称为连接边。

定义3端点在同一条轮廓线中的边称为轮廓线边。

1、初始种群的产生

算法产生初始种群，要考虑到产生的初始种群必须都是合法解。方法是将轮廓线P中的点p₀，p₁，…，p_m-1(分别表示P中的第1个点到第m个点)和Q中的点q₀，q₁，…，q_n-1(分别表示Q中的第1个点到第n个点)相对P和Q所在平面的法向量按逆时针方向排序，在轮廓线P和Q中选择合适的点形成三角形，按如下步骤产生初始合法种群。

(1)置解T为空，分别从P和Q点集中取第一个点p₀和q₀构成当前连接边，然后随机地在P或Q中取第二个点p₁或q₁与当前的边连接成一个三角形，放入到T中，置p₁q₀或p₀q₁为当前连接边；

(2)接着依次以已经加入串中的p_iq_j(i＝1，…，m-1，j＝1，…，n-1)为当前连接边，用同样的方法随机地在P和Q中取出下一个(该点未取过)与其构成三角形放入T中；

(3)重复步骤(2)直到点集P和Q中有一个点集中的点被取完；

(4)将另一个点集中剩下的点依次与已经取完点的点集的最后一点相连，生成三角形放入T中；

(5)若是封闭的轮廓线，则需要使多边形p₀p_m-1q₀q_n-1按以上方法随机产生两个三角形加入到T使表面封闭，这样就产生一个有序点集P和Q上的解。

(6)按合法解的定义检测该初始解的合法性，如合法且所有三角形在空间无相交则加入初始种群，否则不加入。

将上面的步骤重复，直到获得点集P和Q上的N个随机合法表面，作为第一代种群。

2、适应值函数

群体中的每个个体(串)都具有一个适应值，适应值函数是个体优越性的度量，个体越优越，适应值就越小(或越大)，它繁殖下一代的可能性也就越大。采用适应值函数是根据具体问题，应用的较多的有边长最小、表面积最小、内角平均值最大和体积最大等。本文做法是定义一个多目标函数f(T)＝(c₁，c₂，c₃)·(f₁，f₂，f₃)，其中T为任意一个三维表面的三角划分，f₁为T所有三角形的最小角平均值，f₂为T所有三角形连接边之和，f₃为T所有三角形面积之和，c₁～c₃为加权系数。

$f_1\left(T\right)=\frac{1}{n+m-2}\underset{i=1}{\overset{n+m-2}{\mathrm{\Σ}}}\min ({\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\β}}_i,{\mathrm{\γ}}_i)$

其中，α_i，β_i，γ_i(i＝1，2，…，m+n-2)分别表示三角划分T中第i个三角形三个角的值；

$f_2\left(T\right)=\underset{i=0,j=0}{\overset{i<n,j<m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&lambda;}\left(\right|\left|p_i{q}_i\right||+|\left|p_{i+1}{q}_j\right|\left|\right)+(1-\mathrm{\&lambda;})\left(\right|\left|p_i{q}_j\right||+p_i{q}_{j+1}|\left|\right)),\mathrm{\&lambda;}=\mathrm{0,1};$

$f_3\left(T\right)=\underset{i=1}{\overset{m+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i$

A_i(i＝1，2，…，m+n)为个体T中每个三角形的面积。

适应值函数可以根据具体问题提出，所以还可以采用其它情况的适应值函数。

3、模拟退火操作

对群体中每个个体进行模拟退火操作来扰动遗传算法产生的群体。具体操作为：

(1)对当代群体中各个体进行模拟退火操作，确定初始温度t₀；

(2)判断Metropolis抽样稳定准则是否满足，如果满足则退出，如果不满足转到(3)；

(3)对个体进行“2-变换”，类似于变异操作，由当前稳定状态M_i产生状态M_j；

(4)计算适应值之差Δ＝f(M_j)-f(M_i)，判断min[1，exp(-Δ/kt)]≥random[0，1]是否成立，成立则转(5)，否则转(6)；

(5)令M_i＝M_j，并及时更换最优解；

(6)保持当前状态；

(7)重复步骤(1)到(6)直到对该代群体中的所有个体都执行退火操作。

4交叉操作

最小交叉多边形(MCP，minimum crossover polygon)为一个空间多边形s，s的所有顶点和所有边同时存在于串1和串2，但s在串1和串2中的内部三角划分并不完全相同。如图10和图11所示MCP由点集P中点p_i到p_i+j和点集Q中点q_k到q_k+1所有点组成的多边形。该算法的主要思想是以串中的一个三角形的两条连接边为初始边，向前和向后按连接边逐步搜索两个待交叉串来求最小交叉多边形。

EMCP算法的基本步骤如下：

其中，向前表示是相对P，Q所在平面的法向量顺时针方向，向后是按逆时针方向。

(1)置堆栈S1，S2为空，随机地在串n1中寻找一个三角形t，且t在串n2中不出现，t→S1，t→S2；

(2)以t的两条连接边

和为初始边分别向前和向后搜索，在串n1和串n2中寻找最小交叉多边形S1和S2；

①在串n1中搜索，判断是否同时存在于串n1和串n2中，如果存在，则向前搜索结束，否则将当前三角形t的三个顶点和轮廓线边加入s1，将与当前三角形相邻的前一个三角形的另一条连接边作为新的

重新向前搜索，对

按同样方法向后搜索，向前和向后搜索结果得到的两条前后连接边和它们之间轮廓上的边构成多边形s1，若不存在则转到(3)；

②同①的方法在串n2中搜索得到多边形s2，若不存在则转到(3)；

③判断s1与s2相同连接边在串n1与串n2中的前后位置之差是否相等，若不同则转到(3)；

④判断s1与s2的轮廓边和顶点是否完全相同，若相同则找到符合条件的最小交叉多边形，退出算法，否则转到(3)；

(3)串n1的t是否取完，未取完转到(1)，否则算法完毕。

按交叉概率p_c从群体中按轮盘赌的方式选取两个个体，以这两个个体作为双亲，找出双亲中可以交叉的部分互换，从而产生两个新的个体，即子代。种群的每个个体是由m+n个三角形组成，并且所有的三角形彼此之间要求没有自交和缝隙。这就决定了在做交叉时不能随机的选取交叉位置，而是要找出个体中的子串，使子串交叉后生成的子代个体仍然是合法个体。

交叉算法的主要流程如下：

(1)在串n1和串n2中按EMCP算法寻找最小交叉多边形；

(2)若找到这样的最小交叉多边形，交换串n1中的s1与串n2中的s2，则完成交叉操作，否则不交叉。

5、变异操作

如图12(a)、图12(b)所示，图12(a)中空间四边形p_i+1q_jq_j+1p_i+2由Δp_i+1q_jp_i+2和Δp_i+2q_jq_j+1组成，将图12(a)中的空间四边形变异成图12(b)中的空间四边形，即就是空间四边形p_i+1q_jq_j+1p_i+2变成由Δp_i+1q_jp_j+1和Δp_i+1q_j+1p_i+2组成，这样就完成了个体变异过程。在变异过程中如果新串的适应度比原串的适应度差则不进行变换，否则用新串替换原串进行变异操作。

6、选择操作

在种群演进过程中，每一代群体种群规模都是N，经过模拟退火操作、交叉和变异，上一代的N个串变成了N个新串。在每次选择时，将原来N个串与经过交叉和变异后得到的N个新串的适应值排序，把2N个串中适应值最小的N个串作为新一代的群体。这样就把父代中适应值较小的串得以保留下来，在每次选择是保留了上一代中较优良的个体，从而加快了算法的收敛速度。

7、终止条件

选取合理终止条件对该算法性能有很大影响，如果终止条件选取不当将可能会引起算法过早收敛和陷入局部极小或者收敛速度太慢。该算法采用如下终上条件，满足下面两个条件之一，算法结束。

(1)达到给定遗传代数；

(2)群体中最小适应值连续L次不变(L是预先给定的次数)。

8、关键控制参数

本文算法有5个重要的控制参数，算法开始执行时需要给出它们的初始值。

(1)群体大小N。群体大小N是算法中一个重要参数，如果N选取得太小，则算法会收敛太慢而导致算法性能下降。如果N选取得太大，则算法又会收敛的太快而陷入局部最优。依据经验，N一般取20～60之间比较合适。

(2)退火率k和最小初始值连续不变次数L。合理设置退火率可以使算法接受更多的变异解，使算法能搜索更大的解空间。L设置合理能使算法在达到收敛时及时终止。

(3)交叉概率p_c，变异概率p_m。交叉概率p_c，变异概率p_m是影响算法性能的关键所在，直接影响到算法的收敛性。一般取p_c在0.25～0.9之间，p_m在0.01～0.15之间。

图13到图18描述了地质块断法的过程。下面逐一介绍：

在图13中，描绘了在三维状态下显示的钻孔和矿体的形态。

在图14中，描绘了将钻孔和矿体投影到平面上的效果图，其中，圆圈表示钻孔的开孔位置，轮廓线时表示矿体在水平面上的投影。

在图15中，描绘了在矿体内部，将最近的3个或4个钻孔组成四边形或者三角形后形成的矿块，其中每个矿块以不同的颜色显示。

在图16中，描绘了将组成块段的钻孔品位加权平均，得到块段的平均品位和平均厚度。

图17是图16左上角部分的局部放大图，对于钻孔，斜线前面是钻孔的测量品位，斜线后面是钻孔的真厚度；对于块段，斜线前面是块段的加权平均品位，斜线后面是块段的平均厚度。

在图18中，描绘了将每个块段的体积、平均品位、矿石量、储量等信息统一显示在表格中，将每个矿石量相加是总矿石量，将每个储量相加是总储量。

如图19所示，是本发明地质勘探矿体三维建模装置结构图。该装置200包括：

单工程矿体圈定模块21，用于根据勘探工程数据库圈定单工程矿体的边界；

剖面矿体连接模块22，连接单工程矿体圈定模块21，用于将勘探工程投影到勘探剖面上，并在勘探剖面上对矿体进行轮廓线连接，得到矿体在勘探剖面的剖面曲线；

地质体三维重建模块23，连接剖面矿体连接模块22，用于将勘探剖面间的地质体界线用合适的三维曲面连接，进行三维重建，得到三维重建后的地质体。

进一步地，单工程矿体圈定模块21包括：勘探工程选定模块211、品位条件设定模块212、矿体上下界确定模块213。其中勘探工程选定模块211用于选定需要作矿体圈定的勘探工程；品位条件设定模块212用于设定矿体品位条件；矿体上下界确定模块213，连接勘探工程选定模块211、品位条件设定模块212，用于根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

进一步地，剖面矿体连接模块22包括：勘探剖面模块221、参数设定模块222、界线连接模块223。其中勘探剖面模块221用于将勘探工程投影到勘探剖面上，并选择进行矿体连接的勘探剖面；参数设定模块222用于设定引导容差、矿层显示方式等相关参数；界线连接模块223，连接勘探剖面模块221、参数设定模块222，用于在设定相关参数后，在所选择的勘探剖面上对矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在勘探剖面的地质体界线，即根据矿层边界绘制地质体界线。

进一步地，地质体三维重建模块23包括：剖面间曲面生成模块231、曲面连接模块232、地质体生成模块233。

其中，剖面间曲面生成模块231用于选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；曲面连接模块232，连接剖面间曲面生成模块231，用于对两端勘探剖面的地质体界线进行曲面连接，生成封闭曲面；地质体生成模块233，连接曲面连接模块232，用于对生成的封闭曲面进行拓扑处理，生成地质体。

地质体三维重建模块23可采用分支处理的轮廓线表面重建，首先确定分支线位置；然后在分支线位置处分割曲线；接着分支线分别使用模拟退火混合遗传算法进行曲面连接；最后将曲面合并成实体。

轮廓线表面重建的关键是确定分支线位置，可采用凸包限界法，主要步骤为：

B1)求出各轮廓线重心；

B2)求这些重心点的凸包多边形；

B3)求该凸包多边形与各轮廓线的交点；

B4)在交点处将原轮廓线打断；

B5)将打断后的各折线段依次使用模拟退火混合遗传算法进行连接。

进一步地，该装置200还包括：矿体储量估算模块24，连接地质体三维重建模块23，用于根据三维重建后的地质体与传统的地质块断法结合估算地质储量。该矿体储量估算模块24又包括：

轮廓线获取模块241，用于使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线；

矿体三角网生成模块242，连接轮廓线获取模块241，用于根据投影图轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网；

三角矿块修正模块243，连接矿体三角网生成模块242，用于由地质专家根据地质情况对三角矿块进行修正；

地质储量计算模块244，连接三角矿块修正模块243，用于通过计算机计算每个修正后矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

进一步地，装置200还包括矿体储量管理模块25，连接矿体储量估算模块204，用于使用图表交互查询、各种数据统计图解等，实现动态检索矿山储量的各类信息。

本发明提供图表交互查询、各种统计图解等，方便矿山储量管理的动态检索管理。

本发明提供了一种地质勘探矿体三维非线性3DEM建模技术，属于地球探测与信息技术领域，是一种地质勘探三维可视化技术，它将计算三维可视化与传统储量估算方法结合，总结出矿床勘探3DEM储量估算流程技术。实现了基于剖面数据的三维体重建，该技术将模拟退火算法和遗传算法有机整合，引入到轮廓线拼接中来，在获得全局最优解的同时，提高了轮廓线拼接算法的效率。本发明根据地质勘探资料信息建立矿体三维数字化模型，圈定矿体单工程边界，连接矿体在勘探剖面的剖面曲线，使用模拟退火遗传算法进行剖面曲线三维最优三角形剖分连接，实现三维体建模和地质储量估算，从而查明地下三维空间矿产的质量、规模、位置和形状。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；

步骤二，将所述勘探工程投影到勘探剖面上，并在所述勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线；

步骤三，将勘探剖面间的地质体界线用三维曲面连接，得到三维重建后的地质体。

2.根据权利要求1所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤一中，进一步包括：

选定需要作矿体圈定的勘探工程；

设定矿体品位条件；

根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

3.根据权利要求1或2所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤二中，进一步包括：

选择进行矿体连接的勘探剖面；

设定引导容差、矿层显示方式相关参数；

在设定相关参数后，在所选择的勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线。

4.根据权利要求1或2所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤二中，进一步包括：

根据矿体的具体形态，使用正射投影或走向投影方法将所述勘探工程投影到所述勘探剖面上。

5.根据权利要求1或2所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤三中，进一步包括：

选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；

对两端勘探剖面的地质体界线进行曲面连接，生成封闭曲面；

对生成的封闭曲面进行拓扑处理，生成所述地质体。

6.根据权利要求5所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤三中，进一步包括：

采用模拟退火遗传算法对相邻勘探剖面间的地质体界线进行曲面生成的步骤。

7.根据权利要求1、2或6所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤三中，进一步包括：将所述地质体与地质块断法结合估算地质储量的步骤，具体为：

使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线；

根据矿体水平投影图轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网；

根据地质情况进行三角矿块的修正；

计算每个修正后矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

8.根据权利要求1、2或6所述的地质勘探矿体三维建模方法，其特征在于，所述步骤三中，进一步包括：

使用图表交互查询和/或数据统计图解方式，动态检索矿体储量的信息。

9.一种地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，包括：

单工程矿体圈定模块，用于根据勘探工程圈定单工程矿体，得到矿体上下界；

剖面矿体连接模块，连接所述单工程矿体圈定模块，用于将所述勘探工程投影到所述勘探剖面上，并在所述勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线；

地质体三维重建模块，连接所述剖面矿体连接模块，用于将勘探剖面间的地质体界线用三维曲面连接，得到三维重建后的地质体。

10.根据权利要求9所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，所述单工程矿体圈定模块包括：

勘探工程选定模块，用于选定需要作矿体圈定的勘探工程；

品位条件设定模块，用于设定矿体品位条件；

矿体上下界确定模块，连接所述勘探工程选定模块、所述品位条件设定模块，用于根据矿体圈定通用标准和矿体品位条件，确定所选定的勘探工程包含的矿体上下界。

11.根据权利要求9所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，所述剖面矿体连接模块包括：

勘探剖面模块，用于将所述勘探工程投影到所述勘探剖面上，并选择进行矿体连接的勘探剖面；

参数设定模块，用于设定引导容差、矿层显示方式等相关参数；

界线连接模块，连接所述勘探剖面模块、所述参数设定模块，用于在设定相关参数后，在所选择的勘探剖面上对所述矿体上下界进行矿体连接，得到矿体在所述勘探剖面的地质体界线。

12.根据权利要求9、10或11所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，所述地质体三维重建模块包括：

剖面间曲面生成模块，用于选择相邻勘探剖面间的地质体界线，进行曲面生成；

曲面连接模块，连接所述剖面间曲面生成模块，用于对两端勘探剖面的地质体界线进行曲面连接，生成封闭曲面；

地质体生成模块，连接所述曲面连接模块，用于对生成的封闭曲面进行拓扑处理，生成地质体。

13.根据权利要求12所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，所述剖面间曲面生成模块采用模拟退火遗传算法对相邻勘探剖面间的地质体界线进行曲面生成。

14.根据权利要求9、10或11所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，该装置还包括：

矿体储量估算模块，连接所述地质体三维重建模块，用于根据所述地质体与传统的地质块断法结合估算地质储量。

15.根据权利要求14所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，该矿体储量估算模块进一步包括：

轮廓线获取模块，用于使用空间体水平或垂直投影方法获取矿体水平投影图轮廓线；

矿体三角网生成模块，连接所述轮廓线获取模块，用于根据投影图轮廓线和见矿钻孔点自动生成矿体三角网；

三角矿块修正模块，连接所述矿体三角网生成模块，用于根据地质情况对三角矿块进行修正；

地质储量计算模块，连接所述三角矿块修正模块，用于计算每个修正后矿块的面积和平均厚度和品位，从而估算地质储量。

16.根据权利要求15所述的地质勘探矿体三维建模装置，其特征在于，该装置还包括：

矿体储量管理模块，连接所述矿体储量估算模块，用于使用图表交互查询和/或数据统计图解方式，动态检索矿体储量的信息。

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