矿床的体视化仿真技术与实现

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2004.06.030 第26卷第6期 北京科技大学学报 Vol.26 No.6 2004年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2004 矿床的体视化仿真技术与实现 李翠平李仲学 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为解决矿床仿真构模中对矿床几何信息描述和属性信息描述中存在的模型分离问 题，采用体视化技术，建立了体矿床模型.通过分析矿床体视化仿真中的数据流程，建立了表 现矿体空间分布、矿体中重点区域、矿体剖切分层的三类体模型，并实现了直接基于体模型 的矿石储量、金属量的计算工作.经实例分析表明，利用体矿床建模技术，不仅能够进行矿床 属性的定性分析，而且便于进行定量计算，为完善矿床建模技术提供了一条途径. 关键词旷床仿真；体矿床模型；体视化 分类号TD853;TP319.4 矿床仿真指用计算机对有关矿床的地质数 1矿床体视化仿真数据流程 据进行处理，进而建立矿床模型（也经常被称为 矿化模型)的技术.建立一个相对完整的矿床模 采用体视化技术建立体矿床模型的过程，表 型，应具备如下三个条件：①能够有效地仿真刊矿 现为图1所示的一系列数据处理过程.图中，数 体的三维几何形态，包括断层、褶皱、侵入体等地 据的采集过程是指进行各种原始采样数据（具体 质构造和开拓、采准及回采巷道等设计工程及其 涉及钻探、坑探等勘测手段所得到的各种图表数 间的空间关系，②能够有效地描述矿床属性信息 据)的采集与整理，进而确定出仿真所需的各类 (如品位、岩性等)及其空间分布：③能够有效地 原始数据（具体包括工程坐标数据、测斜数据、样 计算特定范围内的矿石储量)， 品数据、矿石体重数据、地质构造数据等)：地质 目前国内外关于矿床模型的研究，主要限于 数据库管理过程指对采集的各类原始数据和数 几何模型和数值模型，实现上述的完整构模系统 据处理过程中产生的各种中间数据及分析结果 的做法是综合应用几何模型与数值模型，即用几 进行计算机化的管理和维护，建立仿真所需的数 何模型描述矿体形态，用数值模型描述矿床属 据库系统；数据预处理过程是指将空间分布稀 性，这样，存在着对矿旷床的几何信息描述和属性 疏、离散的原始采样数据进行规则化、空间插值 信息描述的模型分离问题. 等处理，生成满足体视化需要的三维规则体数 近年来，体视化技术的迅速发展，为矿床仿 据：三维体数据是矿床体视化仿真中实现体数据 真提供了更先进、更有效的手段.体视化技术有 显示和进行体数据分析的直接数据来源；显示体 别于计算机几何造型技术的显著特点在于其采 数据过程指采用体视化技术实现矿床（矿体）的 用有限的离散采样，以体素来描述物体，直接对 真三维显示，生成矿床（矿体）的真实感图像；分 整个数据场操作，重在反映数据场的整体状况， 可以表达物体内、外所包含的全部信息.本文 数 显 便是采用体视化技术，建立体矿床模型，实现矿 据的 数 据 床（矿体）内部结构及各种属性的一体化显示和 库管 数据 数 体数据 描述. 收稿日期2003-11-10 李翠平女，29岁，博士后 图1建立体矿床模型的总体数据流程 *教育部高等学校博士学科点专向科研基金资助项目N0 Fig.1 Dataflow of mineral deposit modeling 2002-0008006)和高等学校骨干教师资助计划项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 川 匕】 矿床 的体视化仿真技术 与实现 李翠平 李仲 学 北 京科技大学 土 木 与环 境工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 为解 决矿床 仿 真构 模 中对矿 床几 何信 息描述 和 属 性信 息描 述 中存在 的模型 分 离 问 题 ， 采用 体视化 技术 ， 建立 了体矿床模型 通 过 分 析矿床 体视 化仿 真 中的数据 流 程 ， 建立 了表 现矿 体空 间分布 、 矿体 中重 点 区域 、 矿 体剖切分层 的三 类体模型 ， 并实现 了直接基 于 体模型 的矿石储量 、 金属 量 的计算工 作 经 实例 分 析表 明 ， 利用体矿床 建模技术 ， 不 仅 能够进 行 矿床 属性 的 定性 分析 ， 而 且便 于 进 行 定量 计算 ， 为完 善矿床 建模技术提供 了一 条途径 关键 词 矿床仿 真 体矿床模 型 体视化 分 类号 矿 床 仿 真 指 用 计 算 机 对 有 关 矿 床 的地 质 数 据进 行 处 理 ， 进 而 建 立矿床 模 型 也 经 常被称 为 矿 化 模 型 的技 术 建立 一 个 相 对 完 整 的矿床 模 型 ， 应 具 备 如 下 三 个 条件 ① 能够 有 效地 仿 真矿 体 的三 维 几何 形态 ， 包 括 断层 、 褶皱 、 侵 入 体等地 质 构造和 开 拓 、 采准 及 回采 巷道等 设计 工程 及 其 间 的空 间关 系 ② 能够 有 效地 描述 矿床属 性 信 息 如 品位 、 岩 性 等 及 其 空 间分 布 ③ 能够 有 效地 计 算特 定 范 围 内的矿 石 储 量 目前 国 内外 关于矿床模 型 的研 究 ， 主要 限于 几 何模型和 数值模 型 ， 实现 上述 的完整 构模系统 的做法是 综合应用 几 何模型 与数 值模型 ， 即用 几 何模 型 描述 矿 体 形 态 ， 用 数 值 模 型 描 述 矿 床 属 性 这 样 ， 存在着 对 矿 床 的几 何 信 息描 述 和 属 性 信息描述 的模型 分 离 问题 近 年来 ， 体视 化 技术 的迅 速 发 展 ， 为矿 床仿 真 提 供 了更 先 进 、 更 有效 的手 段 体视 化 技 术有 别 于 计 算 机 几 何 造 型 技 术 的显 著特 点在 于 其 采 用 有 限 的离散采 样 ， 以体 素来 描述 物 体 ， 直 接对 整 个数据场 操 作 ， 重 在 反 映数据 场 的整 体状 况 ， 可 以表 达 物 体 内 、 外 所包 含的全 部信 息 。 ， 本文 便 是采用 体视 化 技 术 ， 建立 体矿 床模型 ， 实现 矿 床 矿 体 内部 结 构及 各种 属性 的一 体化 显 示 和 描 述 收稿 日期 一 一 李翠平 女 ， 岁 ， 博士 后 教育部 高 等学校博士 学科点 专 向科研基金资助 项 目 困。 刁 和 高等学校骨 干 教师资助计划项 目 矿 床 体视 化 仿 真 数 据 流 程 采 用 体 视 化 技 术建 立 体 矿 床 模 型 的过程 ， 表 现 为 图 所 示 的一 系 列 数 据 处 理 过 程 图 中 ， 数 据 的采集 过 程 是指 进 行 各种 原 始采 样数 据 具体 涉及 钻探 、 坑探 等勘 测 手 段 所 得 到 的各 种 图表 数 据 的采 集 与 整 理 ， 进 而 确 定 出仿 真所 需 的各类 原始 数据 具 体包 括 工 程 坐 标 数据 、 测 斜 数据 、 样 品数 据 、 矿 石 体重 数据 、 地 质 构 造 数 据 等 地 质 数 据 库 管 理 过 程 指对 采 集 的各 类 原始数 据 和 数 据 处 理 过 程 中产 生 的各种 中间 数 据 及 分 析 结 果 进 行 计 算机 化 的管 理和 维护 ， 建立 仿真 所 需 的数 据 库系 统 数据 预 处 理 过 程 是 指 将 空 间分 布 稀 疏 、 离散 的原始采 样数据 进 行 规 则 化 、 空 间插 值 等 处 理 ， 生 成 满足 体 视 化 需要 的三 维 规 则 体 数 据 三 维体数 据 是矿床 体视 化 仿 真 中实现 体数据 显 示和 进 行体数据 分 析 的直 接数据 来源 显 示体 数据 过 程 指采用 体 视 化 技 术 实现 矿 床 矿 体 的 真 三 维 显 示 ， 生 成矿 床 矿 体 的真 实 感 图像 分 数 地 数 据 质 据 的 数 预 采 处 集 姑 理 库 管 理 图 建 立 体矿床 模型 的总 体数据 流 程 啥 · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．06．030

·580· 北京科技大学学报 2004年第6期 析体数据过程包含定性分析和定量分析，前者基 即由原始的采样数据转换为空间点数据阶段和 于矿床（矿体）的显示结果分析矿体的空间形态、 由初始的体数据转化为规则体数据阶段， 矿岩的空间分布等，后者直接基于所建立的体 前者主要是基于地质数据库来取得原始采 床模型，进行矿石储量等属性的计算与处理， 样数据，通过从生勘坐标表、地勘坐标表、测斜数 据表中取得各个钻孔的空间坐标（包括孔口坐标 2数据预处理流程 和钻孔在测斜点处的坐标)，并结合仿真中确定 的矿区起始点坐标进一步得到各个空间点的坐 数据采集过程和地质数据库管理过程是实 标：同时，基于地质数据库中的样品表取得各个 现矿床仿真的基础工作.事实上，不论采用何种 样品的品位、岩性、矿体号等属性值，得到各个空 仿真技术，即不论是采用体视化技术还是计算机 间点的属性值.这样就确定了各空间点的拓扑空 几何造型技术进行矿床仿真，都需进行数据采集 间信息和属性空间信息，完成了各个空间点的完 与数据库建立，本文对此不予进一步赘述. 整描述，即构成了初始的体数据， 数据预处理过程是进行体视化矿床仿真的 后者有两种处理途径，一种是从原始的体数 首要步骤，矿床体视化仿真中数据预处理的具体 据表获取初始体数据，一种是直接基于前一阶段 流程可用图2表示.在数据预处理的流程中，初 处理所得的初始体数据.实际上，两者的数据内 始体数据（空间点数据）的生成是整个流程中的 容是相同的.由于生成空间点数据是一件耗时的 重要环节，它将整个预处理流程分成两个阶段， 工作，当数据库中的原始采样数据没有更新时， ■ Sampling 读入 样品的品位、 Original_Data 样品数据表（属于 岩性、可矿体的 空间点的 原始体数据表，通过把 原始采样数据) 编号值 属性值 原始地质数据经过第 步转换，变成初步的原 始点数据 写出 矿区起始点 的坐标值 初始体数据 (空间点数据 PR Coordinate 生勒坐标表（属于 原始采样数据) 空间点的 坐标值 规则体数据 GR Coordinate 站孔的空 地勒坐标表（属于 原始采样数据) )坐标值 Survey Data 测斜数据表（属于 规则体数据是体 原始采样数据) 绘制的数据基础 图2体视化数据预处理的流程 Fig.2 Flow chart of volume data pretreatment 可通过一次的计算将结果存入数据库中，作为第 3显示体数据流程 二阶段的直接数据来源；但若原始的采样数据是 实时更新的，则需利用经过更新处理得到的初始 矿床体视化仿真中经数据预处理得到三维 体数据.通过对初始体数据进行空间插值细化处 规则体数据后，便开始采用体视化技术来实现矿 理，得到规则的空间体数据，存入地质数据库的 床（矿体）的真三维显示，图3为实现矿体真三维 DATA表（三维规则体数据表）中，作为矿床体视 显示的数据流程图， 化仿真的直接数据来源) 由图3可见，矿体的真三维显示是以DATA

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 析体数据 过程包含 定 性分 析 和 定量 分 析 ， 前 者 基 于矿 床 矿 体 的显 示 结果 分 析矿 体 的空 间形 态 、 矿 岩 的空 间分 布 等 ， 后 者 直接 基 于所 建 立 的体矿 床 模 型 ， 进 行 矿 石 储 量 等 属 性 的计 算 与 处 理 数据 预 处 理 流 程 数 据 采 集 过 程 和 地 质 数 据 库 管 理 过 程 是 实 现矿 床仿 真 的基础 工 作‘ ， 事 实上 ， 不 论采用 何 种 仿真 技术 ， 即不 论 是采 用 体视化 技术还 是 计 算机 几 何造 型技 术进行矿 床仿 真 ， 都 需进行 数 据 采 集 与数 据 库 建 立 ， 本 文 对 此 不 予 进 一 步 赘 述 数 据 预 处 理 过 程 是 进 行 体 视 化 矿 床 仿 真 的 首要 步骤 ， 矿床 体视 化 仿 真 中数据 预 处 理 的具 体 流 程 可 用 图 表 示 在 数 据 预 处 理 的流 程 中 ， 初 始 体 数 据 空 间 点数 据 的生 成 是 整 个 流 程 中 的 重 要 环 节 ， 它 将 整 个 预 处 理 流 程 分 成 两 个 阶段 ， 即 由原始 的采 样 数据 转 换 为 空 间 点数 据 阶段 和 由初 始 的体数 据 转 化 为规 则 体 数 据 阶段 前 者 主 要 是 基 于 地 质 数 据 库 来 取 得 原 始 采 样 数据 ， 通 过 从生勘 坐 标表 、 地 勘 坐 标表 、 测斜 数 据 表 中取 得 各 个 钻 孔 的空 间坐 标 包 括 孔 口 坐 标 和 钻 孔 在 测 斜 点 处 的坐 标 ， 并 结 合 仿真 中确 定 的矿 区 起 始 点 坐 标 进 一 步 得 到 各 个 空 间 点 的坐 标 同 时 ， 基 于 地 质 数据 库 中 的样 品表 取 得 各 个 样 品 的 品位 、 岩 性 、 矿 体 号 等属 性值 ， 得 到 各个 空 间点 的属 性 值 这样 就确 定 了各 空 间点 的拓 扑空 间信 息和 属 性 空 间信 息 ， 完成 了各个 空 间点 的完 整 描 述 ， 即构成 了初 始 的体 数 据 后 者 有两 种 处 理 途 径 ， 一种 是 从 原始 的体数 据 表 获取初 始体 数据 ， 一 种 是 直接 基 于 前 一 阶段 处 理 所 得 的初 始 体 数 据 实 际上 ， 两 者 的数 据 内 容 是 相 同 的 由于 生 成 空 间点数据 是 一 件耗 时 的 工 作 ， 当数 据 库 中 的原 始采样 数据 没 有 更 新 时 ， 门 门 一 】 样品的品位 、 空间点的 岩性 、 矿体的 属性值 ， 原始体数据表 ， 样品数据表 属于 编号值 原始地质数据经通过过第把一 原始采样数据 步转换 ， 变成初步的原 始点数据 口 一 初始体数据 空间点数据 吕 门 生勘 坐 标表 属 于 原 始采样数据 坐空标间值点 的 口 一 规 则体数 据 钻 孔 的空 地勘坐 示表 属 于 间坐 标值 原始采 羊数据 测斜 数据 表 属 于 原始采 样数据 图 体视 化数据 预 处理 的流 程 恤 可通 过 一 次 的计 算 将 结果 存 入 数据 库 中 ， 作 为第 二 阶段 的直 接 数据 来源 但 若 原始 的采 样 数据 是 实时更 新 的 ， 则 需利 用 经 过 更 新处 理 得 到 的初 始 体数 据 通 过对 初 始 体数 据 进 行 空 间插 值 细 化 处 理 ， 得 到 规 则 的 空 间体数 据 ， 存 入 地 质 数 据 库 的 人 表 三 维 规 则 体数 据 表 中 ， 作 为矿 床 体视 化 仿 真 的直 接 数 据 来 源 ‘ ， 显 示 体数 据 流 程 矿 床 体 视 化 仿 真 中经 数 据 预 处 理 得 到 三 维 规 则 体数 据 后 ， 便 开 始采 用 体 视 化 技术来 实现矿 床 矿 体 的真三 维 显 示 ， 图 为 实现矿 体 真三 维 显 示 的数据 流 程 图 由图 可见 ， 矿 体 的真三 维 显 示 是 以

VoL.26 No.6 李辈平等：矿床的体视化仿真技术与实现 ·581· 赋予矿石、围岩及指定区 城的颜色、不透明度 Data 读入 规则体 合成、光瓶 规则体数据表 数斯 分类后 所需绘制 分类 的体 的体敷据 人机交互 显示 图3矿体真三维显示流程 Fig.3 Visualization process of ore body 体数据表作为数据来源，从中读取规则的体数 据在门限法下颜色与不透明度的计算方法，分别 据，同时，用户可以通过人机交互方式输入相应 为这两类对象赋予不同的颜色和不透明度，对于 的控制参数，如所需绘制的体数据的空间范围、 不透明度的赋予应遵循原则是，重点观察和分析 重点区域、边界品位、观察角度等参数，来确定所 的对象不透明度高一些，非重点区域的对象不透 需绘制的体数据.之后根据数据的分布特点，采 明度相对低一些，目的是突出重点对象（此模型 用相应的分类方式（如门限法）对所需绘制的体 中矿石为重点对象) 数据进行分类，并依据分类结果及绘制需要建立 (2)矿体中重点区域的绘制，即建立矿体中重 相应的数据组织结构，从而得到分类后的体数据 点区域的体模型.在整体显示的基础上，需对矿 形式.针对分类后的体数据，通过视向变换、投影 体内部矿石品位的分布情况及矿石品位的空间 变换等一系列的坐标变换，使其转变为像空间中 变化规律进行研究，这时就需描述体数据内部所 的体数据.此时结合相应的分类方式下颜色与不 蕴涵的细节，来绘制用户感兴趣的数据场.在这 透明度的计算方法，可以得到各类数据的相应颜 种情况下，可依据需求不同来显示不同的效果， 色及不透明度，然后采用改进后的光线投射法向， 譬如，要求显示品位高于50%的矿石在矿体中的 进行从后向前的累积合成来点亮每一个像素点， 分布状况，则可以将体数据分为三类，即围岩、品 建立像空间的颜色场，得到帧缓存中的二维离散 位高于50%的矿石和品位介于边界品位与50% 信号.最后通过图形硬件的重构，在屏幕的指定 之间的矿石，这三类物质具有明确的阙值，所以 区域中显示出绘制的结果 也采用门限法来进行分类，其阅值是边界品位值 按照矿体真三维显示的数据流程，本文主要 和50%.这样，低于边界品位的认为是围岩，品位 建立了三类体矿床模型： 高于50%的为重点区域，介于这两者之间的便为 (1)矿体空间分布的真三维显示，即建立矿体 矿体的其他部分.为了达到比较理想的效果，在 空间分布的体模型.这一体模型主要从整体上展 进行不透明度的计算时常将重点区域设置为完 现矿岩的空间分布及相互位置关系、矿体的空间 全不透明，并且矿石比围岩具有较高的不透明 几何形态及矿床的赋存状态等，目的是对其进行 度，此模型可以用来同时绘制和显示矿体中任意 整体描述，帮助用户直观地考察矿床全局.对于 一种物质或几种物质属性. 这类体模型，将规则化的体数据分成两类物质 (3)矿体的剖切分层显示，即建立矿体分层的 一矿石和岩石，由于矿石与岩石的划分是根据 体模型.为了对矿体内部的复杂结构有更加详细 边界品位来确定，即大于等于边界品位的为矿 的了解，通过沿某一方向按一定间隔对矿体进行 石，小于边界品位的为岩石，由此可得这两类物 剖切显示，这样既能够解决绘制速度的问题，又 质之间存在着明显的阚值划分，故采用门限法对 可以发现体数据所蕴涵的内部结构，从而改善图 数据场进行分类.对于分类后的这两类物质，依 像的绘制质量.用户可根据需要任意设定分层间

一 李 翠平等 矿床 的体视 化仿真技 术与实现 日切 口 一 规则体 口 数据 规则体数 城缓存 据表 中颜色 口 」 口 点集 门 所的需绘制 分类后 体数据 的体数 像空间 据 浦 到 闷‘ 曰 侧 凡下百 人机交互 · 图 矿体 真 三维显 示 流程 竹 血 ， 比 体 数据 表 作 为数 据 来源 ， 从 中读 取 规 则 的体 数 据 同时 ， 用 户可 以通 过 人机 交 互 方 式输 入 相应 的控制 参 数 ， 如 所 需绘 制 的体 数据 的空 间范 围 、 重 点 区域 、 边 界 品位 、 观 察角度等参数 ， 来确 定所 需绘 制 的体 数据 之 后 根 据 数 据 的分 布特 点 ， 采 用 相 应 的分类 方 式 如 门限法 对 所 需绘 制 的体 数据进 行分类 ， 并依据 分类结果及 绘制 需要建立 相应 的数据 组织 结构 ， 从而得 到 分类后 的体数 据 形 式 针 对 分类后 的体数据 ， 通过 视 向变换 、 投 影 变 换等 一系列 的坐 标变换 ， 使其转变 为像 空 间 中 的体数据 此 时结合相 应 的分类 方 式 下颜 色 与不 透 明度 的计 算方 法 ， 可 以得 到各类 数据 的相应 颜 色及 不透 明度 然后采用 改进后 的光线投射法旧 ， 进行 从后 向前 的累积 合 成 来 点亮 每 一 个像素 点 ， 建立像 空 间 的颜色 场 ， 得 到帧缓存 中的二 维离散 信 号 最后通 过 图形 硬件 的重 构 ， 在 屏幕 的指 定 区域 中显 示 出绘 制 的结果口， 按照矿 体真三 维显 示 的数 据流 程 ， 本文 主 要 建立 了三 类 体矿 床模 型 矿 体 空 间分布 的真三 维显 示 ， 即建立 矿 体 空 间分 布 的体模型 这 一 体模 型 主 要 从 整 体 上 展 现矿 岩 的空 间分布 及 相互位 置 关系 、 矿 体 的空 间 几 何形 态及矿床 的赋存状 态等 ， 目的是对其进 行 整 体描述 ， 帮助用 户 直观 地 考 察矿 床 全 局 对 于 这 类 体 模型 ， 将 规 则 化 的体 数 据 分 成 两 类 物 质 － 矿 石 和 岩石 ， 由于矿 石 与岩石 的划分 是根据 边 界 品位 来确 定 ， 即大 于 等 于 边 界 品位 的为矿 石 ， 小 于 边 界 品位 的为 岩 石 ， 由此 可 得 这 两 类 物 质之 间存 在着 明显 的 闽值划 分 ， 故采用 门限法对 数据场 进 行 分类 对 于 分类 后 的这 两类 物质 ， 依 据 在 门 限法 下颜色 与 不透 明度 的计算方 法 ， 分别 为这 两类 对 象赋 予 不 同 的颜 色和 不透 明度 对 于 不透 明度 的赋予 应 遵循 原 则 是 ， 重 点观 察和 分析 的对 象不 透 明度 高一些 ， 非重 点 区 域 的对象 不透 明度 相 对低 一 些 ， 目的是 突 出重 点对 象 此模 型 中矿 石 为重 点对 象 矿 体 中重 点 区域 的绘制 ， 即建立 矿 体 中重 点区 域 的体模 型 在 整 体 显 示 的基础 上 ， 需对 矿 体 内部 矿 石 品位 的分 布 情 况 及 矿 石 品位 的空 间 变化 规律进 行研 究 ， 这 时就 需描述 体 数据 内部所 蕴 涵 的细 节 ， 来 绘 制 用 户 感 兴 趣 的数据 场 在 这 种情 况 下 ， 可 依据 需求 不 同来 显 示 不 同 的效 果 譬 如 ， 要求 显 示 品位 高于 的矿石 在 矿体 中的 分布状 况 ， 则可 以将体数 据 分 为三类 ， 即 围岩 、 品 位 高 于 的矿 石 和 品位 介 于 边 界 品位 与 之 间 的矿石 ， 这 三 类 物质具 有 明确 的阂值 ， 所 以 也采用 门限法 来进行 分 类 ， 其 闽值是 边 界 品位 值 和 这样 ， 低 于边 界 品位 的认 为是 围岩 ， 品位 高于 的为重 点 区 域 ， 介 于 这 两 者 之 间 的便 为 矿 体 的其 他 部 分 为 了达 到 比 较理 想 的效果 ， 在 进 行 不 透 明度 的计 算 时 常 将 重 点 区域 设 置 为完 全 不 透 明 ， 并且 矿 石 比 围岩 具 有 较 高 的不 透 明 度 此 模 型 可 以用 来 同时绘 制和 显 示矿 体 中任 意 一 种物 质 或 几 种物 质属 性 矿体 的剖切 分层 显 示 ， 即建立矿 体分层 的 体模 型 为 了对矿 体 内部 的复杂 结构 有更加 详细 的 了解 ， 通 过 沿某 一方 向按 一 定 间隔对矿 体进 行 剖切 显 示 ， 这 样 既能够 解 决绘 制速 度 的 问题 ， 又 可 以发现 体数据 所蕴涵 的 内部 结构 ， 从而 改善 图 像 的绘制 质量 用 户可 根据 需要任 意设定分层 间

582 北京科技大学学报 2004年第6期 隔，即所需一次绘制的体切片数据（如按分段高 通过对原始采样数据的预处理，体矿化模型 度依次绘制矿体).这样，通过矿体分层的体模型 的体素被处理成大小相同的小长方体，这样各体 可以更加清楚地观察到矿体在空间的分布及赋 素的体积便可轻而易举得到.而对于长方体内任 存状态的变化. 意一点的属性通过八个角点的属性来确定，由于 对于上述三类体模型，为了更加清楚地认识 体素是最基本的处理单位，仿真中对于每个体素 矿体和重点区域在空间的分布，均可通过旋转从 内任意一点的品位通过该体素的八个顶点的品 不同角度对其进行观察， 位值的三元线性插值得到，并且每一体素的平均 品位定义为体素中心点的品位 4分析体数据流程 而每一体素的体重值计算需根据具体矿山 体视化的目的不仅在于实现体数据的显示， 的现场生产经验所建立的典型品位与体重的对 更主要的是通过三维图像显示，来分析体数据中 应关系（数据库管理系统中的体重品位对照表$_ 所蕴涵的复杂结构和内部规律.譬如，本文利用 Gravity)并利用如下的公式求得： 矿床（矿体）的真三维显示图像，可以直观分析矿 G=-(G-c)8=8 岩的空间几何形态、矿岩的空间分布、矿石品位 其中，G,为第个体素的待求体重值；C,为第i个体 的空间变化等，并且可以直接利用这种体矿化模 素品位值：C,C分别为体重品位对照表中高于 型进行刊矿旷石储量、金属量的计算，解决了以往矿 和低于C品位的临界品位值：G,G分别为体重 床建模中存在的图形显示模型与属性分析模型 品位对照表中高于和低于C,品位的对应临界体 分离处理的问题.矿床体视化仿真中储量、金属 重值， 量计算的数据流程如图4所示. 这样，求得所有体素的体积、品位及对应体 从图4可以看出，计算储量、金属量需要两类 重值，便可计算出整个开采水平、任意矿块、甚至 数据.一类是从DATA体数据表中提取体数据， 任意指定区域的矿石储量和金属量.指定区域的 根据各体素来求得其体积和相应品位：另一类是 矿石储量与金属量可利用下面的关系求得 通过从体重品位对照表中提取相应的对照值，根 T=∑G,', 据经验公式求得相应品位的体重值.利用这两类 2=ΣG'C. 数据可计算指定区域的储量及金属量， 其中，T表示所求区域的矿石储量，2表示所求区 由于在体矿化模型中最基本的处理单元是 域的矿石金属量，G,表示第i个体素的矿石体重， 体素，体素是组成体数据的最基本单位，用于表 ”表示第i个体素的体积，C,表示第i个体素的品 示研究对象不同空间位置上的属性信息，这样， 位. 只要得到每一体素的具体属性，就得到了整个模 可见，体视化不仅可显示体数据，也能分析 型的属性. 体数据中所蕴含的各种物质属性的空间变化. Data 读入 战则体数据表 规则体 数据 打印输出 储量、金属量 数据集 S Gravity 读入 体重数据表（属于 重值 原始地质数据) 图4储量、金属量计算的数据流程 Fig.4 Calculations of ore reserve and metal amount

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 隔 ， 即所 需 一 次 绘 制 的体 切 片 数 据 如 按 分 段 高 度 依 次绘 制矿 体 这 样 ， 通 过矿 体 分 层 的体模 型 可 以更 加 清 楚 地 观 察 到 矿 体 在 空 间 的分 布 及 赋 存 状 态 的变 化 对 于 上 述 三 类 体模 型 ， 为 了更 加 清 楚地 认 识 矿 体 和 重 点 区域 在 空 间 的分布 ， 均 可通 过旋转 从 不 同角度 对 其 进 行 观 察 分 析 体数 据 流 程 体 视 化 的 目的不 仅 在 于 实现 体 数据 的显 示 ， 更 主 要 的是通 过三 维 图像 显 示 ， 来分 析 体 数据 中 所 蕴 涵 的复 杂 结 构和 内部 规 律 譬 如 ， 本 文 利 用 矿 床 矿 体 的真 三 维 显 示 图像 ， 可 以直 观 分 析 矿 岩 的空 间几 何 形 态 、 矿 岩 的空 间分 布 、 矿 石 品位 的空 间变 化 等 ， 并且 可 以直接利 用 这种 体矿 化模 型 进 行 矿 石储 量 、 金 属 量 的计 算 ， 解 决 了 以往 矿 床 建 模 中存 在 的 图形 显 示 模 型 与 属 性 分 析 模 型 分 离处 理 的 问题 矿 床 体 视 化 仿 真 中储 量 、 金属 量 计 算 的数 据 流 程 如 图 所 示 从 图 可 以看 出 ， 计 算储 量 、 金属量 需要 两类 数 据 ， 一类 是 从 人 体数 据 表 中提 取 体数据 ， 根 据 各 体素 来 求 得 其 体积 和 相 应 品位 另 一类 是 通 过 从 体重 品位 对 照表 中提 取 相 应 的对 照值 ， 根 据经 验 公 式求 得 相 应 品位 的体重值 利 用 这 两类 数 据 可 计 算 指 定 区 域 的储 量 及 金 属 量 伟， 由于 在 体 矿 化 模 型 中最 基 本 的处 理 单 元 是 体 素 ， 体 素 是 组 成 体数 据 的最 基 本 单 位 ， 用 于表 示研 究对 象 不 同空 间位 置 上 的属 性 信 息 这 样 ， 只 要 得 到每一 体 素 的具 体属 性 ， 就得 到 了整个模 型 的属 性 通 过对 原始采 样 数据 的预 处理 ， 体矿 化模型 的体素被处 理成 大 小相 同 的小长 方 体 ， 这样各体 素 的体积 便可 轻 而 易举得 到 而 对 于长 方 体 内任 意一 点 的属 性通 过 八 个 角点 的属 性来确定 ， 由于 体素 是最 基 本 的处 理 单位 ， 仿真 中对 于每个体素 内任 意 一 点 的 品位 通 过 该 体 素 的八 个顶 点 的 品 位 值 的三 元 线性插 值得 到 ， 并且 每一 体素 的平 均 品位 定 义 为体 素 中心 点 的 品位 而 每 一 体 素 的体 重 值 计 算 需 根 据 具 体矿 山 的现 场 生 产 经 验 所 建 立 的 典 型 品位与体 重 的对 应关系 数据 库管理 系 统 中的体重 品位对 照表 伍 并 利用 如 下 的公 式求 得 民 一 以 一 · 民 一 瓜 一 ’ 其 中 ， 仅为第 个体 素 的待求 体重 值 为第 个 体 素 品位 值 ， 分 别 为体 重 品位 对 照 表 中高于 和 低 于 品位 的 临界 品位值 吼 ， 分 别 为体 重 品位 对 照 表 中高 于 和 低 于 口 品位 的对 应 临 界 体 重 值 这 样 ， 求 得所 有 体素 的体 积 、 品位及 对 应 体 重 值 ， 便 可计 算 出整个开采 水平 、 任 意矿块 、 甚至 任 意指 定 区域 的矿 石储 量 和 金属 量 指 定 区域 的 矿 石 储 量 与 金 属 量 可 利用 下 面 的关 系 求 得 艺以 ， 艺以叱 其 中 浮表 示 所 求 区 域 的矿 石 储 量 ， 表 示 所 求 区 域 的矿 石 金属 量 ， 表 示 第 个体 素 的矿 石 体 重 ， 环表 示 第 个 体 素 的体 积 ， 表 示 第 个 体 素 的 品 位 可 见 ， 体视 化 不 仅 可 显 示 体数据 ， 也 能分析 体 数 据 中所 蕴 含 的各 种 物质 属 性 的 空 间变 化 日切 规则体 规则体数据表 数据 口 储量 、 金属量 一 花 数据集 门 体重值 · 体重数据表 属于 数据集 原始地质数据 图 储量 、 金 属 且计 算 的数据流 程

Vol.26 No.6 李器平等：矿床的体视化仿真技术与实现 583· 5实例分析 现矿体的空间几何形态，而且能够表现整体的数 据场，便于考察矿体的内部结构及空间变化，定 应用上述建立体矿床模型的数据流程思想， 性研究矿体的属性分布，同时，直接利用体模型 利用微机在Windows,SQL Server和Visual C"环境 进行品位、储量及金属量的计算，实现了在体模 下对某矿的部分矿床进行了仿真，实现了矿床 型上对矿体的属性进行定量分析，解决了传统矿 (矿体)真三维显示，并基于体模型直接进行了储 床模型中的几何信息描述与属性信息描述分离 量、金属量计算，验证了体矿床建模技术的可行 的问题.当然，矿床体模型的真三维显示对系统 性.目前实现的矿床（矿体）真三维显示方式有： 硬件的要求会更高些，因为复杂的颜色合成和透 (1)矿床空间分布的体模型.通过合成颜色及 明度处理需要较多的计算时间， 透明程度的不同，可以分析出距离视点的远近， 从而体现矿体的几何形态，反映矿岩之间、矿体 参考文献 之间，甚至是同一矿体的不同部分之间的相互位1李仲学，李翠平.矿床仿真及体视化技术.计算 置关系以及矿体的空间分布. 机仿真，2000,17(5)：6 (2)矿体重点区域的体模型.利用该类体模型2 Nielson GM.Visualization in Scientific Computing [M. 可分析重点区域的分布，譬如，可以用一种颜色 Los Alamitos:IEEE Computer Society Press,1990 表现重点区域为品位介于60%~65%之间的矿 3管伟光.体视化技术及其应用M.北京：电子工业 石，而用另一种颜色表现矿体的其他部分.同时， 出版社，1998 可以用不同的透明度（合成颜色）反映重点区域 4李翠平，李仲学，胡乃联.矿床体视化的一种空间规 则体数据生成方法.北京科技大学学报，2002,24 的空间分布. (6:589 (③)矿体剖切分层的体模型.按照给定的分层 5余东明.面向地矿工程体视化系统的矿石储量算法 厚度（譬如，取分段高度14m)进行分层显示，不 及其实现[D].北京：北京科技大学，2004 仅能够提高绘制速度，而且更加清晰地再现了矿 6李翠平，李仲学.矿床仿真模型中光线投射法的改 体的空间变化及内部结构，便于采刊矿工程师的采 进[J.金属山，2003(8：8 矿设计及开采计划工作. 7唐泽圣.三维数据场可视化[M).北京：清华大学出 版社，1999 6结论 采用体视化技术建立矿床模型，不仅可以表 Volume Visualization Approach for Modeling Mineral Deposits LI Cuiping,LI Zhongxue Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Traditional methods for modeling mineral deposits involve two independent parts,i.e.,geometric modeling and attribute computing.Based upon volume visualization,an approach for the modeling of mineral de- posits was presented to integrate the computation of deposit attributes into the modeling of deposit geometry,inclu- ding the preprocessing of volume data,the three-dimensional rendering of mineral deposits and the calculating of deposit attributes.Three types of volume visualization models for mineral deposits are introduced and a case study is described.It is concluded that this approach can improve the modeling of mineral deposits in terms of the integ- ration of visual display and attribute analysis. KEY WORDS mineral deposit modeling;volume model of deposits;visualization

、 李 翠平等 矿床 的体视化仿真 技 术 与实 现 实例 分 析 应 用 上述 建 立 体矿 床 模 型 的数 据 流程 思 想 ， 利用 微 机 在 ， 和 什 环 境 下 对 某矿 的部 分 矿 床 进 行 了仿 真 ， 实现 了矿 床 矿 体 真 三 维显 示 ， 并基 于 体 模 型 直 接 进 行 了储 量 、 金属 量 计算 ， 验 证 了体矿床 建 模技 术 的可 行 性 目前 实现 的矿 床 矿 体 真 三 维显 示 方 式 有 矿 床 空 间分布 的体模 型 通 过合 成颜色 及 透 明程 度 的不 同 ， 可 以分 析 出距 离 视 点 的远 近 ， 从 而 体现矿 体 的几 何形 态 ， 反 映矿 岩 之 间 、 矿 体 之 间 ， 甚 至是 同一矿 体 的不 同部 分 之 间 的相 互位 置 关 系 以及矿 体 的 空 间分布 矿 体 重 点 区 域 的体 模型 利 用 该类 体模 型 可 分 析重 点 区域 的分布 譬 如 ， 可 以用 一 种 颜 色 表 现 重 点 区 域 为 品位 介 于 一 之 间 的矿 石 ， 而用 另 一种颜色 表 现矿 体 的其他 部分 同时 ， 可 以用 不 同 的透 明度 合成 颜 色 反 映重 点 区域 的空 间分 布 矿 体 剖切 分层 的体模 型 按 照 给 定 的分层 厚度 譬 如 ， 取 分 段 高度 进 行 分 层 显 示 ， 不 仅 能够提 高绘 制速度 ， 而 且更 加 清 晰地 再现 了矿 体 的空 间变 化及 内部 结构 ， 便 于采 矿 工 程 师 的采 矿 设计 及 开 采计 划 工 作 结 论 采 用体 视 化 技 术 建立矿 床 模 型 ， 不 仅 可 以表 现 矿 体 的空 间几 何形 态 ， 而且 能够表现 整 体 的数 据 场 ， 便 于考 察矿 体 的 内部 结构 及 空 间变 化 ， 定 性研 究矿 体 的属 性 分 布 同 时 ， 直 接 利 用 体模 型 进 行 品位 、 储 量 及 金 属 量 的计 算 ， 实现 了在 体模 型上 对矿 体 的属性 进 行 定量 分 析 ， 解 决 了传 统矿 床 模 型 中 的几 何 信 息 描 述 与属 性 信 息 描 述 分 离 的 问题 当然 ， 矿床 体模 型 的真 三 维显 示 对 系 统 硬件 的要 求会 更 高些 ， 因 为复杂 的颜 色 合 成 和透 明度 处 理 需要 较 多 的计 算 时 间 参 考 文 献 李仲 学 ， 李 翠 平 矿床 仿 真及 体视 化技术 计算 机 仿 真 ， ， 即 【 ， 管伟 光 体视 化 技 术 及 其 应 用 北 京 电子 工 业 出版 社 ， 李翠 平 ， 李仲学 ， 胡乃 联 矿 床 体视 化 的 一 种 空 间规 则体数据 生 成 方法 团 北 京科 技 大 学 学 报 ， ， 余 东 明 面 向地 矿 工 程 体视 化 系统 的矿 石 储 量 算法 及 其 实现 北 京 北 京科 技大 学 ， 李 翠 平 ， 李 仲学 矿 床 仿真模 型 中光 线 投 射 法 的改 进 金 属 矿 ， 唐泽 圣 三 维数据 场可 视 化 北 京 清 华 大 学 出 版 社 ， ， ， 、 ， ， 、 叭 ， ， ， ， 一