基于GIS的金属矿山采矿方法优选系统研究.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 5年 4 月 测绘 与空 间地理信息 G EO MAT I C S ＆ S P AT I A L l NF ol t MA Tl ON T E Ct t NO L OG Y Vo 1 ． 3 8， No ． 4 Ap r ． ，2 01 5 基 于 GI S的金属矿 山采矿方法优选 系统研究 刘 亚静 ，冉 维维 ，梁瑞哲 1 ． 河北联合大学 矿业工程学院， 河北 唐山 0 6 3 0 0 9 ； 2 ． 唐山达意科技有限公司， 河北 唐山 0 6 3 0 0 9 摘要 传统 的采矿 方法选择 大 多 由采矿 专 家基 于二维 图件进 行 ， 可视化 程度 不 高且具 有一 定 的主观 随 意性。 本文研 究了基 于 G I S技术 ， 运 用 3 DMi n e ， 3 D Ma x ， S u p e r Ma p软件 ， 以及 二维地 形地质数据 构建矿 山地质 体三 维模 型的方 法和过 程 ， 包括地表及矿 体的三 维模 型 ， 实现二三 维一体化 的地下矿体环境 ； 并在 上述搭建 的三 维可视化 环境下 ， 采用模糊数 学法和层 次分析 法 等数 学理论进 行 采矿 方法选择 ， 使 采矿 方法 选择 的过 程更 直观 ， 结果 更 准确。 关键词 G I S ； 3 D M i n e ； 二三维一体化 ； 模糊数 学； 层 次分析 法； 采矿 方法选择 中图分 类号 P 2 0 8 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 5 8 6 7 2 0 1 5 0 4 0 0 1 1 0 3 Re s e a r c h o n t h e S e l e c t i o n o f M i n i n g M e t ho d s u n d e r Two a n d Thr e e Di me n s i o n a l I n t e g r a t i o n En v i r o n me nt Ba s e d o n GI S L I U Y a j i n g ’ ， R A N We i w e i ， L I A N G R u i z h e 1 ． C o l l e g e o f Mi n e r a l E n g i n e e r i n g ， He b e i U n i t e d U niv e r s i t y ， T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ， C h i n a； 2 ． D a y i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o mp a n y ，T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ，C h i n a Ab s t ra c t T h i s a r t i c l e d o e s t h e r e s e a r c h o n t h e me t h o d a n d p r o c e s s o f c o n s t r u c t i o n 3 D mo d e l s o f mi n i n g g e o l o g i c a l b o d y，wh i c h i n c l u d e s t h e mo d e l s o f s u r f a c e a n d o r e b o d y ，b y u s i n g t h e s o f t w a r e o f 3 DMi n e a n d t h e t wod i me n s i o n a l t o p o g r a p h i c a n d g e o l o g i c a l d a t a ． T h u s a c c o mp l i s h e s t h e t w o a n d t h r e e d i me n s i o n a l i n t e gra t e d u n d e r g r o u n d o r e b o d y e n v i r o n me n t ．An d t h e n，u n d e r t h e a b o v e t h r e e d i me n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n e n v i r o n me n t ，t h e a r t i c l e u t i l i z e s t h e f u z z y ma t h e ma t i c s me t h o d a n d t h e a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s t o d o t h e s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s ，a n d r e ali z e t h e mo r e v i s u a l a n d a c c u r a t e s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s u n d e r t h e t wo a n d t h r e e d i me n s i o n a l i n t e grate d e n v i r o n me n t ． Ke y wo r d s GI S；3 DMi n e；t wo a n d t h r e e d i me n s i o n a l i n t e g r a t i o n；f u z z y ma t h e ma t i c s me t h o d ；a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ；s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s 0 引 言 目 前 ， 计算机技术 、 三维可视化技术及地理信息技术 已广泛应用到矿 山设计 、 开采和生产的各个阶段。而采 矿方法的选择是进行 矿山生产后续工程 的基础 ， 采矿方 法的选择和设计方案的优劣将直接影响到建设项 目的工 期 、 成本 、 生产能力 和整 体经济效益⋯。因此 ， 将上述技 术合理运用于采矿方法选择具有重要意义。 由于所有的矿山生产活动均是在真三维环境下进行 的， 而传 统的采 矿方法 选择 工作 大多是基 于二维 的 图 件 。使得矿山地下的空间地质情况往往需要设计人员 空间想象力臆测， 空间可视化效果不好 ， 无法根据矿山三 维地质情况验证采矿方法选择结果 ， 影响采矿方 法的速 度和准确性。 同时采矿方法的选择涉及技术 、 经济 、 资源 、 安全以 及环境等多方面 因素 ， 采矿方法 的选择变成了一个多层 次、 多因素和多 目标决策的系统 工程问题 。对于这样复 杂的系统工程 ， 由于矿床地质资料的误差 、 某些指标 的不 确定性， 以及定性指标难以量化描述等因素的影响， 使得 采矿方案的选择具有极大的模糊性 、 随机性 和未知性 ， 从 而采矿方 法选择成 为一 个典型 的模 糊决策 问题 。因 此 。 利用模糊数学法 、 层次分析法等数学理论构建科学的 采矿方法决策方法， 可以避免传统 的由采矿专家根据经 验进行采矿方法选择所导致的主观性。 收稿 日期 2 0 1 41 02 8 基金项目 河北省 自然科学钢铁联合基金 D 2 0 1 4 2 0 9 2 5 3 资助 作者简介 刘亚静 1 9 7 7一 ， 女 ， 河北唐山人， 教授 ， 博士， 2 0 0 7年毕业于中国矿业大学 北京 地图制图学地理信息T程专业 ， 主要从 事地理信息系统专业科研与教学T作。 l 2 测绘 与 空间地理信息 2 0 1 5聋 本文利用二维 C A D格式的地形地质图， 经过 G I S软 件的处理 和分析 ， 获得 二维矢量 数据， 在此基础 上利用 3 D Mi n e软 件 建立 矿 山 的地 表 模 型 和矿 体模 型， 并 经 3 D Ma x和 S u p e r Ma p软件之间转换 ， 在 S u p e r Ma p中用 已制 作的三维模型构建三维场景 ， 并用 s c e n e C o n t r o l 控件显示， 从而搭建出二三维一体化的矿体环境。根据国内外现有 的采矿方法及其适用条件构建 采矿方法选择知识库 ， 首 先初选出几种可行 的方案 ， 然后采用层次分析法建立采 矿方案综合评判指标体 系， 客观确定各因素的权重 ， 再通 过模糊综合评判 确定最优 的采矿方案 ， 从而实现三维环 境下的采矿方法选择系统， 选择结果更加直观准确。 1 地下矿体二三维一体化环境的搭建 1 ． 1 二维矢量数据的获取和处理 基础的 C A D格式的数据资料由于没有正确的坐标信 息 ， 也不是符合 GI S规范的图层类型文件。为此， 需要先 将这些 数 据进 行 编 辑 ， 用 A r c G I S处 理 成二 维 矢 量 的 s h a p e fi l e 格式， 构建 二维地 图展示地 下环 境， 并且 导人 3 D Mi n e进行三维建模。 数据的处理过 程如下 1 将 C A D数 据在 A r c C a t a l o g 中导出为 s h a p e fi l e格式。2 对导 出的矢量数据进 行 配 准， 根据 已知点坐标， 将所有矢量数据移动到正确的坐标 位置。3 原 C AD数据的比例尺与实际不符 ， 需要在 A r c ． M a p中用空间校正 ， 使矢量数据配准到正确的比例大小。 4 当前数据有点 、 线、 面、 注记点、 多面五种类型 的图层 。 不符合 G I S 按类型分层原则 ， 也无法直接利用这些数据进 行三维建模 ， 为此需要将图层按类型重新进行分层， 生成 不同类型的要素类 ， 包括矿体边界 、 勘探线及剖面 、 井位 、 高程点 、 等高线等。 1 ． 2地表模型的构建 生成地表模型主要有两种方法 1 由散点生成 D T M 数字地形模型 面 ， 例如矿山采场的高程点文件 ； 2 由线 条生成 D T M 面， 主要是地形等高线。 本文通过对等高线进行赋值 ， 由线 条生成 D T M 面 ， 再采用 D e l a u n a y三角形连接法建模。建立地表模 型的原 始数据来源于原始 的 A u t o C A D文件的地 形等高线 。由 于前面已经在 A r c G I S中对原 始 C AD数据进行 了分层及 坐标纠正 ， 数据有了等高线及高程点两个 图层 ， 但 由 C A D 导出的等高线 图层是没有高程信 息的， 故需要先在 A r c ． G I S中对等高线 图层添加高程字段 ， 参照附近高程点的高 程值， 对每段等高线 的高程字段赋值。高程赋值完成后 将等高线矢量数据导入 3 D Mi n e中， 然后在 3 D Mi n e软件 中用“ 属性数学计算” 工具将高程信息赋予代表高程 的 z 属性 ， 形成三维等高线。然后将等高线作为约束条件 ， 通 过等高线生成不规则三角网， 通过消隐 、 渲染、 光照等效 果形 成矿 区 D T M。 1 ． 3三维矿体模型的构建 矿体模型建立 的方法一般有三种 1 利用 已有的钻 孔数据， 建立基于钻孔数据的矿体实体模型； 2 利用矿山 的各种地质图件 ， 建立基于勘探线剖面 图的矿体实体 模 型 ； 3 利用矿体边界线确定矿体 范围 。本文是根据矿 体边界线建立矿体三维模型的。 建立矿体模型的第一步是进行平面图的线 条处理 。 在线条处理工作之前先完成对平面图的坐标校 正丁作 ， 通过“ 工具” 下“ 坐标转换” 的部分将原有图件坐标校正到 统一的三维坐标系中。对校正完坐标的平面图进行线条 处理的工作 ， 即将平面图中的压盖线条、 冗余点和断线通 过工具 中清 理／ 查错 、 连接线和激活画线等操作进行 处 理 ， 处理好的线条应该保证除了断层线 以外的线条均为 闭合曲线 ， 线条之间无交叉 ， 线段本身无重叠和“ z ” 字形 现象 。 在线条处理好 的基础上 ， 对矿体进行分层连接。寻 找两平面图之间矿体的对应关 系， 将两个 对应矿体通过 “ 实体” 下“ 闭合线之间连接三角网” 来进行连接。将连接 好的分层矿体在一张图中打开， 通过查错 、 修改， 保证矿 层之间无 自相交、 开放线和无效边等错误 。最后 ， 采用 “ 实体” 下“ 实体验证 ” 中的“ 合并三角网为实体 ” 的操作 将分层的矿体合并成为一个整体， 完成矿体建模。 1 ． 4三维模型在 系统 中的显示 二 三维一体化 的可视化环境是在 V S ． n e t 平台下， 用 S u p e r M a p组件开发的。二维和三维数据显示分别采用了 S u p e r Ma p O b j e c t s 组件的 ma p C o n t r o l 和 s c e n e C o n t r o l 控件。 将在 3 D M i n e 中制作好的三维模 型， 包括矿体模型和地表 模型 ， 最终导人 S u p e r M a p D e s k p r o 桌面软件 ， 制作三维场 景 ， 然后加载到 s c e n e C o n t r o l 控件中。 将 3 D Mi n e中三维模型导人 S u p e r Ma p中建立i维场 景的过程为 1 3 D Mi n e中模型建好后 ， 保存 为 A u t o C A D D x f 文件。2 用 3 D ma x打开 已保存 的 d x f 文件。注意打 开类型选择所有文件 。3 在 3 D ma x中打开矿体模 型， 给 其赋材质。注意将 d x f 文件和所选 的材质图片放到相同 的文件 夹 中， 避 免导 出时材 质丢 失。4 打开 S u p e r M a p D e s k p r o 软件 ， 新建数据源 ， 并关闭待用。5 安装超 图的 m a x插件 ， 此控 件使得 3 D Ma x模 型可 为 S u p e r Ma p所用。 安装后 3 DMa x软件 出现超图 ma x插件菜单项 ， 选择生成 数据集， 输入模型所在经纬度并选择数据源 第四步新建 的数据源 。6 打开 S u p e r Ma p D e s k p r o ， 打开 刚才新建的 数据源 ， 新建场景 ， 并将第五步生成存储 三维模型的数据 集加载到场景 中， 至此三维场景制 作完毕 ， 并 可加载到 s c e n e C o n t r o l 控件进行系统开发。 2 采矿方法选择系统的开发 2 ． 1 采矿方法选择评价指标体系 采矿方法选择是一个 系统 工程， 建立评 价指标 体系 是进行评价 的基础工作， 其科学性和合理性 直接影响着 评估结果的准确性 。影响采矿方法选择的 因素繁多 ， 既有定量化 因素， 又有定性 化因素 ； 既有地质 条件因 素 ， 又有经济技术条件因素 ， 且相互影响 、 互相 制约。评 价指标选取时应充分考虑各种影响因素， 以便对采矿方 第4期 刘亚静等 基于 G I S的金属矿山采矿方法优选系统研究 1 3 法做出最全面 、 最准确 的评判。利 用层 次分析法基本原 理 ， 从地质 、 技术 、 经济等方面出发 ， 构建采矿方法评价指 标体系的因素 ， 见表 1 。 表 1 采矿方法评价指标体系 Ta b． 1 Ev a l u a t i o n i n d e x s y s t e m o f mi n i n g me t h o d 素名称 值 矿体 形状 矿体厚度 矿体倾角 品位分布 产状变化程度 埋深 地表陷落 接触界限 上盘稳 固性 矿体稳固性 氧化结块性 自燃性 放射性 节理裂痕 贵重性 水文情况 地 压 损失率 贫化率 粉矿率 技术装 备 材料供应 技 术管理水平 2 ． 2 确定各因素的模糊权重矩阵 采用层次分析法解决各因素的权重分配问题。首先采 用二元对比法对各因素进行 比较 ， 然后通过专家对指标进 行重要度评价， 构造各因素的判断矩阵； 根据判断矩阵 D ， 采 用方根法求出其最大特征根 A 所对应的特征向量 ， 并对 归一化， 可得各评价因素的相对权重 。公式如下 r 一 √H ／ 三 1 、 DW ， 、 告 式中， i 1 ， 2 ， ⋯， m；j 1 ， 2 ， ⋯， r t 。即可得到权重矩阵。 2 ． 3采矿方法模糊综合评判 进行模糊综合评判 ， 首 先需要确 定隶属矩阵。定量 指标的隶属度 由隶属函数 法确定 ， 非定量指标采用相对 二元 比较法确定。 定量指标可以分为收益性指标与消耗性指标 。对 于 收益性指标 ， 值越大越好 ， 如矿石生产能力 ； 对于消耗性 指标 ， 值越小越好 ， 如生产成本和贫化率 。分别采用公 式 r y Jm a x Y o 及 1 一 y ／ m a x Y ， 对收益性及消 耗性指标进行量纲为 1 化处理 ， 可得定量指标相对隶属度 矩阵 R ． 。 对于那些无 法定量描述 的指标， 如安全性和劳动强 度 ， 需要采用二元对比排序法确定其隶属函数。设论域 u { y l ， Y - - ， Y ， 以 c 表示 Y 。 与 Y s 相 比时 Y 的优越程 度 ， 则有 0 ≤c ≤1 ； 如果 Y 比 绝 对优越 ， 则 c 1 ， 反之 。 0 ； 且 l 。由此可得到模糊优选关系矩阵 C 【 c 】 ， 再用平均法计算隶属度。计算公式为 m c 3 按照非常好、 好 、 较好 、 较差、 差和非 常差六个级别分 别为 1 0 ， 8 ， 6 ， 4 ， 2和 O ， 邀请 1 O位专 家分别对上述三种采 矿方法 的定 性 指 标 进 行 打分 ， 计 算 得 到 隶 属 度 矩 阵 毋” 。根据上述得到的权重矩阵 及隶属度矩阵 ， 采 用加权平均计算 ， 按普通矩阵乘法计算权 向量与隶属度 矩阵的乘积 ， 计算公式如下 n ， 互 R b l ， b 2 ， ⋯， b 4 式中， 6 表示方案 A 综合隶属度。在方案评选中 ， 可以根 据方案的综合隶属度对方案集 A进行排序 ， 以综合 隶属 度最大的采矿方法为最适合待选矿山的采矿方法。 3结束语 本 文研 究 了构建矿 山地质体 三维模型 的原理 和方 法 ， 以及用模糊数学方法结合层次分析法进行采矿方法 选择的原理及过程。通过构建矿山二三维一体化的可视 化环境 ， 并综合考虑影响采矿方法的各个因素 ， 用科学的 模糊数学方法和层 次分析法选择采矿方法 ， 能避免传统 的专家凭借经验选择采矿方法 的主观性和不 准确性 ， 同 时 ， 采矿方法选择过程是在矿体三维可视化环境下进行 ， 可以清楚直观地查看 目标矿山的具体情况 ， 能直观地验 证选择结果的准确性 。 参考文献 [ 1 ] 谭正华 ． 三维可 视化环境 下采 矿设 计与生产规划关 键 技术研究[ D] ． 长沙 中南大学， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 张东旭． 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