地质体三维模型构建及不确定性分析

1绪论/(1)

1.1引言/(2)

1.2地质体三维建模技术/(3)

1.3地质体三维模型不确定性/(5)

1.4地质体三维建模软件/(8)

1.5存在问题与研究内容/(10)

参考文献/(11)

2地质体三维建模理论与方法/(16)

2.1地质体三维空间数据模型/(17)

2.2空间信息预测与地质统计学/(26)

2.3讨论与小结/(32)

参考文献/(33)

3基于语义尺度的地质体三维多模型构建/(35)3.1地质体三维建模与矿山地质过程/(36)

3.2基于语义尺度的矿山多模型构建原理/(39)

3.3矿山地质体多模型语义尺度设定的相关算法/(42)3.4基于语义尺度的矿山地质体多模型构建过程/(45)3.5讨论与小结/(49)

参考文献/(49)

4地质体三维模型不确定性来源与传递/(51)4.1 GIS空间信息不确定性/(52)

4.2地质体三维模型不确定性来源/(55)

4.3地质体三维模型的不确定性传递/(57)

4.4地质体三维模型不确定性传递模型算法实现/(62)4.5地质体三维属性模型不确定性传递算法实现/(65)4.6讨论与小结/(69)

参考文献/(69)

5地质体三维属性模型不确定性定量分析/(715.1不确定性与信息熵分析/(72

5.2基于信息嫡的地质体模型不确定性分析/(75)

5.3地质体三维属性模型不确定性分析/(79)5.4讨论与小结/(84)

参考文献/(84)

矿山地质体多模型构建与不确定性分析应用/(86)

6.1矿区概况与实验准备/(87)

6.2矿山地质体多模型构建/(90)

6.3地质体三维属性模型不确定性分析/(98)6.4讨论与小结/(102)

参考文献/(103)

7地质体三维模型多源不确定性整合与评价/(104)7.1地层面高程随机函数/(105)

7.2多源不确定性整合方法/(107)

7.3测量误差与建模方法的不确定性的整合/(108)7.4考虑认知偏差的不确定性更新/(110)

7.5三维地层属性不确定性/(112)

7.6地质体三维模型综合不确定性/(113)

7.7地质体三维结构模型不确定性综合评价实例/(114)

7.8讨论与小结/(122)

参考文献/(123)

8多地层结构联合不确定性建模/(125)

8.1基于接触点高程函数的多地层结构描述/(126)

8.2地层面相关结构分析/(127)

8.3基于 Copula的多维相关建模理论/(132)

8.4基于藤 Copula的多地层相关结构建模/(144)

8.5多地层结构形态预测与不确定性分析方法/(150)

8.6针对断层等情况的处理/(153)

8.7多地层联合不确定性分析实例/(155)

8.8讨论与小结/(165)

参考文献/(166)

9结语/(168)

1.1引言

自20世纪80年代后期以来，美国、加拿大、澳大利亚等发达国家在地理信息系统的基础上提出了虚拟地质建模和可视化的概念(3D Geological Modeling and Visualization)(武强和徐华，2011)。地质体三维建模成为丽盖勘探地理信息系统、勘探地质学、数学地质、地球物理、科学可视化、虚拟现实等多学科的新型研究领域。20世纪90年代后期，数字地球(Digital Earth)概念出现,其目的是对地球实现数字化和可视化表达，最终达到空间信息的多分辨率和多尺度交互应用目的，数字地球将全球有关数字参考信息的交换和发布变成了可能。随着对虚拟地质建模技术的深人探索，地质科学工作者开始面临新的机遇并开展了在新领域下的研究工作(吴立新和古德生，2009),

地质体三维建模和可视化是利用计算机技术构建虚拟的地质环境，在三维环境下将地质空间内采集的地表、地下等地质数据进行汇总、集成、分析、解释、模型构造、可视化显示的综合技术。该技术涵盖三个方面内容。

(1)地质环境虚拟化。在计算机生成的虚拟地质环境里，地质工作者能对复杂的地下空间数据进行可视化和交互操作。

2)三维模型构造。对多源数据进行地质解释并汇总整合,利用三维空间几何模型表达地质体或地下工程内部的有关物理和化学属性,并将多源异构数据在虚拟空间进行高度集成和显示，

(3)可视化与分析。在地质体三维模型的基础上进行空间显示、空间计算、空间分析。地质体三维模型的应用极为广泛,可为地质空间分析、地质构造演化、矿山开采过程模拟、矿产资源评价等科学研究和工程应用提供直观和清晰的技术支撑。笔者以矿山开采过程和地质结构模型不确定性为研究方向，以地质体三维模型中的属性模型与结构模型为研究实体，对矿山开采过程中的决策规划、储量评估及地质体质量评估与模型修正进行了深入探讨与研究。

数字矿山(Digital Mine)是在矿山GIS的基础上深化而来,是对真实矿山整体及现象的统一认识与数字化再现(武强和徐华,2011)。数字矿山以计算机和网络技术为基础，对矿山空间的数据进行采集、传输、存储、解释、加工和重新表述，使该数据应用在矿山生产和管理过程中,最终达到生产方案优选化、管理高效化和目标科学化的目的。数字矿山依托地质体三维建模和可视化技术,对真实矿山及有关现象进行了数字化再现,并利用空间分析、虚拟现实、科学计算等技术为矿山挖掘、资源评价、安全生产、科学决策等提供了数字平台和理论支撑。

近年米，随着数字矿山技术的蓬勃发展，地质体三维建模理论与技术在采矿领域得以广泛应用，数字化三维建模及采矿软件在矿山生产中起到了重要作用，尤其是矿山地下三维建模技术在提高矿山的生产效率和安全性等诸多方而起到了极大的推动作用。但在建设数字化矿山的进程中，如何满足矿山企业对地质休三维模型的不同层次应用需求，如何对地质模型进行质量评价，诸如此类的问题在该领域还未取得实质性突破，相关理论与方法的研究仍是三维建模领域的科技难题并成为地质空间信息化进程的瓶颈。

矿山开采过程中，矿山企业在预测、评价、设计等各方面对矿体地质模型有着不同层次的需求。在矿山资源评价阶段，需要预测矿山在开采和运输过程中可采储量的特征变化情况;在矿山采矿设计阶段,需要根据矿石品位和矿休厚度的波动性来编制采矿计划与配矿方案;在矿山生产勘探回采阶段,需要对矿石三级储量中的备采储量进行精确估算。矿山企业的不同应用目的,要求所建立的地质模型具备多尺度、多层次的数据基础，地质体三维模型的传统建模方法和单粒度显示方式显然无法体现矿山地质空间实体的多粒度特性。因此，根据矿山地质过程认知的多尺度特点，结合地质体三维属性模型构建过程中不同的插值计算方法,建立具有不同层次和特性的地质体三维属性多模型序列,将极大提高矿山企业的设计能力和生产效率。

在地质体三维模型的构建过程中,受地质体自身存在的不稳定性、地质结构的复杂性、建模数据的稀疏性及地质建模人员认识的主观性等多方面影响,建模中的各种不确定性因素降低了模型的精确度,建立的地质模型不可避免存在一定程度的不确定性，这些不确定性往往使地质结构模型的空间精度、形态、拓扑关系与实际存在一定程度的偏差,限制了模型的进一步应用水平。因此，有必要对模型的不确定性进行评估。为保证模型的可用性,应对建模过程中的误差传递机制进行分析,建立地质体三维模型不确定性传递模型并实现定量分析，同时,应考虑多源不确定性对模型质量的综合影响，以及由于变量间的相关性会影响不确定性的估计,对涉及多个地层的地质结构进行分析预测时,需要考虑地层内部的空间自相关和地层间的互相关对信息和不确定性传递的影响。笔者旨在通过研究多源不确定性对地质模型的综合影响,提高模型不确定性评价的准确性，并将不确定性分析的对象从单个点位扩展到涉及多地层的空间邻域，分析多地层结构的联合不确定性,最后通过考虑地层间的相关结构约束修正地质模型，降低模型的不确定性,提高模型的建模精确度。

基于以上地质体三维建模领域所面临的问题，笔者将在以下几个方面进行深人探讨与研究:在矿山企业地质体三维模型多层次应用方面，以地质体三维属性模型全局性、波动性及精确性的多层次表达为研究对象，深人探讨矿山地质体三维多模型构建技术;同时,根据属性模型构建过程中不确定性传递模型与相关算法,实现地质体三维属性模型不确定性的定量分析与评价。在地质体三维模型不确定性评价方面,对建模过程中多源不确定性的传播和累积,以及地质变量间的相互作用等基础性问题展开深人研究,并将这些基础性问题的研究成果应用到地质体三维属性模型和地质体三维结构模型的不确定性分析评价中。

本书全面介绍了地质体三维建模及不确定性评价的研究成果，包括地质空间数据模型、三维地质建模技术、地质模型不确定性传递与空间信息预测算法等；详细阐述了基于上述理论研究成果在矿山开采、地层结构预测与修正等方面的应用过程，为矿产资源评价、地质空间分析、地下空间利用等提供了地质依据和实用参考。