《數(shù)字礦山與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)》課程實驗指導書（智能采礦）

《數(shù)字礦山與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)》課堂實驗指導書課程中文名稱：數(shù)字礦山與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程英文名稱：DigitalMineandBigDataAnalysisTechnology課程編號：021040060適用專業(yè)：智能采礦工程專業(yè)學時數(shù)：32學時（理論26學時，實驗6學時）學分數(shù)：2.0學分課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第六學期實驗/實踐一：遙感找礦與礦區(qū)環(huán)境遙感分析實驗/實踐類型：操作型實驗/實踐學時：2學時實驗/實踐要求：開展實驗項目，并撰寫實驗報告一、實驗/實踐目的1．了解TM遙感影像的特點，掌握遙感影像目視解譯基本方法；2．學習遙感圖像處理軟件使用方法，用地質(zhì)、地理知識結(jié)合影像分析礦區(qū)環(huán)境；二、實驗/實踐內(nèi)容1．礦區(qū)土地利用狀況分析；2．礦山可能發(fā)展和開拓方向分析；三、儀器設(shè)備1．臺式計算機；2．ENV1遙感圖像處理軟件；3．礦山TM遙感影像和同一地區(qū)數(shù)字地形圖（比例尺1:10000）。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟（1）向計算機輸入TM影像參數(shù)，系統(tǒng)讀取遙感影像，屏幕顯示；（2）屏幕顯示數(shù)字地形圖，選取5～10個同名點，從地形圖上讀取其坐標數(shù)據(jù)；（3）以地形圖上讀取的同名點坐標數(shù)據(jù)，對TM影像進行幾何校正，像元灰度重采樣采用雙線內(nèi)插法；（4）從TM影像上目視解譯、結(jié)合地形圖分析煤礦塌陷區(qū)的狀況，包括新、舊塌陷區(qū)以及礦區(qū)整體生態(tài)環(huán)境狀況，礦區(qū)土地利用狀況；（5）結(jié)合地學相關(guān)知識，分析該礦可能發(fā)展、開拓的方向。五、實驗/實踐結(jié)果處理遙感影像幾何校正有兩種方式：對于低幾何分辨率遙感影像，則需要利用原始影像提供的數(shù)據(jù)進行校正，校正過程中還要在現(xiàn)有網(wǎng)格數(shù)據(jù)中進行內(nèi)插，補充網(wǎng)格數(shù)據(jù)，這里不做具體介紹。對于高幾何分辨率遙感影像，一般使用以下模型進行校正：X式中：x,y為原始影像上網(wǎng)格點的坐標；X，Y為校正后影像上該網(wǎng)格點的理想坐標；bo,a,,b1,a2,b2,a3,b3為待定系數(shù)。使用該校正模型時，在圖像處理軟件支持下，用鼠標在屏幕圖像上采集有明顯地物特征的點，如道路交叉點、河流交匯點、田坎邊角點，系統(tǒng)自動得到x、y數(shù)據(jù)；然后用地面測量方法獲取這些點的準確坐標，在系統(tǒng)中輸入這些準確坐標，由此得到X、Y數(shù)據(jù)。這種既有圖面上x、y數(shù)據(jù)，又有X、Y準確數(shù)據(jù)的地物點，稱作同名點。系統(tǒng)軟件要求用戶給出4個或4個以上的同名點坐標，由這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)解算式中這8個待定系數(shù)。模型這樣建立以后，系統(tǒng)即可對待校正影像的每一個網(wǎng)格坐標代入式中進行校正，得到準確坐標。影像幾何校正后，需要根據(jù)原始影像數(shù)據(jù)對新生成網(wǎng)格陣列中的每一個網(wǎng)格重新賦予灰度值（DN），這一工作稱作灰度重采樣。一般遙感圖像處理軟件提供三種灰度重采樣方法，即：最近鄰域法、雙線內(nèi)插法以及三次卷積法。對于變形不大的影像，用前兩種方法的一種果較好；而對于變形較大的影像，用后一種方法效果較好。六、實驗/實踐注意事項1．上機操作前，熟悉實驗操作手冊和實驗的主要內(nèi)容；2．在電腦上不做與實驗無關(guān)內(nèi)容；七、預習與思考題（1）ENVI遙感圖像處理軟件顯示遙感影像以及對影像幾何校正的方法；（2）目視解譯影像獲取的礦區(qū)有關(guān)生態(tài)環(huán)境的信息；（3）用找礦知識，分析該礦體可能延伸的方向。實驗/實踐二：礦山三維建模與可視化分析實驗/實踐類型：操作型實驗/實踐學時：2學時實驗/實踐要求：開展實驗項目，并撰寫實驗報告一、實驗/實踐目的（1）了解利用剖面數(shù)據(jù)建立地層、礦體三維模型的基本方法；（2）了解利用設(shè)計數(shù)據(jù)建立巷道三維模型的基本方法。二、實驗/實踐內(nèi)容（1）建模數(shù)據(jù)組織與預處理；（2）采用剖面法交互構(gòu)建地層、礦體三維模型，并進行剖切分析；（3）采用屏幕交互法構(gòu)建三維巷道模型；（4）將地層、礦體模型與巷道模型進行集成可視化。三、儀器設(shè)備（1）硬件要求；微機，推薦配置CPU3.0G，內(nèi)存2G，顯存256M，硬盤80G以上；（2）建模軟件：DIMINE數(shù)字礦山軟件；（3）數(shù)據(jù)資料：某礦山簡單地質(zhì)剖面、巷道設(shè)計圖。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟（1）交叉剖面法建模交叉剖面建模又叫網(wǎng)格法建模，是使用平面礦體界線和剖面輪廓線結(jié)合建模，這樣建立的模型因為有平面控制，與實際情況比較吻合。交叉剖面法建模思想是：首先進行平、剖面的一致性處理，以保證所有平、剖面對應這樣就在空間中形成一系列的單元網(wǎng)格（每個單元網(wǎng)格由2個平、剖面的部分線組成）；隨即對每一個單元網(wǎng)格分別進行模型構(gòu)建；最后合并所有單元網(wǎng)格內(nèi)的模型形成最終地質(zhì)模型。交叉剖面法建模適用于礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)勘探已結(jié)束的中段，將建立好的勘探線剖面礦體解譯線、中段平面礦體解譯線在三維軟件中打開，按照勘探線剖面進行視圖限制，查看交叉剖面結(jié)合處兩線是否對應。由于平面礦體線（生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)）精確程度高于剖面礦體線（地質(zhì)勘探），所以拖動剖面線與平面線相交，即利用平面修改剖面，但注意不能修改鉆孔控制點對應數(shù)據(jù)。交叉剖面線調(diào)整好后，開始進行模型的創(chuàng)建，步驟大致如下。①單元網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)界面的構(gòu)建?；诿總€單元網(wǎng)格形成的地質(zhì)界面構(gòu)建地質(zhì)體，而其中地質(zhì)界面的構(gòu)建是構(gòu)建地質(zhì)模型的核心及難點。②單元網(wǎng)格線框模型生成。基于單元網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)界面是由三角網(wǎng)組成的空間曲面，根據(jù)空間曲面生成線框模型，有些軟件還提供了自動建立線框模型功能。（2）井巷工程建模井筒三維模型與其他兩類開拓工程實體的建模相比，井筒建模相對簡單，只要確定井口和井底的三維坐標以及斷面形狀規(guī)格，就可以快速建立實體模型，生成井筒模型的方法有：豎井法（根據(jù)中心線和斷面生成），實測井法（根據(jù)井筒的空間位置進行生成），輪廓線連線框法。本書井筒模型建立中，主要采用方法一、三。下面以主井為例介紹其建模過程：①確定井筒的井口和井底三維坐標。②確定斷面形狀，根據(jù)斷面參數(shù)繪制井筒斷面圖。礦山中井筒的斷面形狀一般都比較規(guī)則，主要的形狀包括圓形、矩形等；斷面參數(shù)包括斷面的半徑（圓形斷面），斷面的長寬（矩形斷面）。③繪制井筒中心線。④通過確定的井筒中心線及斷面生成實體。平巷三維模型在創(chuàng)建井巷工程實體中，無論什么類型的實體線框模型，只需要準備好以下兩個條件就可以輕松地進行工程線框?qū)嶓w模型的創(chuàng)建，這兩個條件是：井巷工程實體的中心線位置（應滿足空間位置，即平面位置和坡度要求）；井巷工程實體的斷面形狀和規(guī)格。下面以“中心線十斷面”的模式，介紹平巷建立過程。完成綜合平面圖整理與坐標對應，提取巷道中心線。定義巷道中心線文件“巷道工程”屬性，定義巷道斷面信息。利用“井巷工程→聯(lián)通巷道”對中心線生成巷道模型。斜坡道實體模型斜坡道實體建模相對來說比較復雜，因為斜坡道不在一個固定的平面內(nèi)，有很多拐角，所以確定斜坡道中心線時比較復雜。首先要確定斜坡道各拐彎處及其在各中段交點處的三維坐標；然后再確定斜坡道斷面形狀和斜坡道中心線；最后通過中心線加單一斷面方法生成實體。采用“中心線十斷面”進行斜坡道設(shè)計，在進行中心線時考慮斜坡道的坡度及轉(zhuǎn)彎半徑、位置等。五、實驗/實踐結(jié)果處理（1）模型有效性檢驗在對線框進行布爾運算、切分等操作以及計算線框體積之前，需要對線框模型進行合并而后校驗。線框模型的校驗可完成對線框模型的大量檢查工作，主要有檢查線框的面有無空洞、檢查有無相交三角形、檢查在同一個面或不同面之間有無跨接、檢查有無重復點、檢查有無多余邊等。（2）井巷工程模型布爾運算由于巷道和豎井都是單獨按相應的方法生成的，但很多時候巷道與豎井間經(jīng)常需要連通，因此，需要生成貫穿的實體模型。平巷與豎井之間的貫通分為直角模式、丁字模式、貫穿模式。有些軟件如Dimine可直接提供巷道聯(lián)合功能處理上述平巷與豎井之間的貫通。六、實驗/實踐注意事項（1）上機操作前，熟悉實驗操作手冊和實驗的主要內(nèi)容；（2）在電腦上不做與實驗無關(guān)內(nèi)容；七、預習與思考題（1）如何進行井巷工程三維建模？它與管線三維建模有何不同？（2）礦山地表、地層及地下工程應分別采用什么方法建模，模型之間如何耦合？實驗/實踐三：采礦數(shù)字化設(shè)計實驗/實踐類型：操作型實驗/實踐學時：2學時實驗/實踐要求：開展實驗項目，并撰寫實驗報告一、實驗/實踐目的（1）了解地下礦山開采三維設(shè)計中的三維開拓設(shè)計、盤區(qū)及采場劃分；（2）了解露天礦開采三維設(shè)計的露天境界優(yōu)化及露天臺階設(shè)計。二、實驗/實踐內(nèi)容（1）地下礦開拓方案選擇及三維開拓設(shè)計；（2）地下礦盤區(qū)采場劃分方法、采場算量及指標分析；（3）露天礦境界優(yōu)化及結(jié)果分析；（4）露天礦臺階數(shù)字化設(shè)計。三、儀器設(shè)備（1）硬件要求；微機，推薦配置CPU3.0G，內(nèi)存2G，顯存256M，硬盤80G以上；（2）建模軟件：DIMINE數(shù)字礦山軟件；（3）數(shù)據(jù)資料：礦山地表模型、礦體模型和已有的工程資料。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1．三維開拓設(shè)計在地表和礦體模型的基礎(chǔ)上進行開拓設(shè)計，開拓方式為豎井開拓；通風方式為單翼對角0式、抽出式，進風井布置在礦體南側(cè)，回風井布置在礦體北側(cè)，副井輔助進風；井底車場為環(huán)形臥式結(jié)構(gòu)；運輸巷設(shè)置在底板巖石中，沿脈布置，一100m水平、一200m水平為運輸水平，采用環(huán)形運輸結(jié)構(gòu)，共分4個中段：一180m，一160m，一140m，一120m。主副井考慮到地表構(gòu)筑物的位置以及使地下礦巖的運輸功最小，因而布置在礦體中間附近位置；風井布置在兩端，由于安全要求較高，位置需至少在巖石移動角外2m處，并且在露天境界外；斜坡道坡度為20％。（1）主井井筒設(shè)計需根據(jù)礦體發(fā)育形態(tài)以及地表起伏狀態(tài)，確定主井井筒位置及標高；（2）中段運輸巷道設(shè)計中段運輸巷道包括沿脈巷道與穿脈巷道。本實驗以-200m中段進行設(shè)計，穿脈間距取100m。（3）中段斜坡道中段之間的人員、無軌設(shè)備往往通過中段斜坡道進行連通，所以在中段之間有時需開拓中段斜坡道。斜坡道的布置方式有直線式、折返式和螺旋式。螺旋式斜坡道又分為圓柱螺線式與圓錐螺線式。本實驗以在一100m中段與一200m中段之間南沿建一坡度為20％的折返式斜坡道為例進行。2．盤區(qū)及采場劃分由于后期采切設(shè)計、爆破設(shè)計和指導生產(chǎn)時是以盤區(qū)或采場模型為基礎(chǔ)，所以需對三維礦體模型進行必要的劃分。采場劃分有兩種方式：一種是“實體切割＋裁剪”，另一種是“雙線法十布爾運算”。（1）實體切割＋裁剪①中段模型劃分。由于構(gòu)建的三維礦體模型是整個礦區(qū)模型，因而在劃分盤區(qū)或采場模型之前需劃分中段模型。中段模型的劃分可用三維礦業(yè)軟件中的實體分割功能切出各中段實體。②盤區(qū)或采場模型劃分。在劃分的中段模型的基礎(chǔ)上，用采場范圍線在中段模型基礎(chǔ)上進行切割或裁剪，得到盤區(qū)或采場模型。（2）雙線法＋布爾運算首先采用雙線法創(chuàng)建盤區(qū)間柱網(wǎng)格模型，然后用此模型與劃分出的中段模型進行布爾運算。布爾運算即采用實體A一B求差得到采場模型（A為礦體），以及采用實體求交得到礦柱模型。3．露天境界優(yōu)化本節(jié)以Dimine軟件對某鐵礦的境界優(yōu)化進行。在價值模型選項卡下，主要定義金屬價格、回收率、體重等參數(shù)。在成本參數(shù)選項卡下，主要定義礦巖的開采成本等參數(shù)。在邊坡參數(shù)選項卡下，主要定義最終邊坡角度的形態(tài)，參數(shù)內(nèi)容如圖8-10所示。在特殊約束參數(shù)選項卡下，定義特殊的開采條件。在輸出參數(shù)選項卡下，主要定義輸出文件路徑、是否輸出嵌套坑等。點擊確定，進行運算。運行結(jié)束后，生成計劃結(jié)果體積報告，將“礦體.dmf”文件拖入系統(tǒng)中，即可得到露天境界優(yōu)化結(jié)果。4．露天臺階數(shù)字化設(shè)計首先根據(jù)礦體賦存情況，確定山坡露天的底部標高。邊坡臺階設(shè)計步驟如下：①按底部標高的礦體投影線和開采工藝要求，畫出最下部臺階的坡底線。利用軟件“露天礦設(shè)計→擴展平臺”功能即可生成最底部臺階的坡頂線。②以步驟①為基礎(chǔ)，利用軟件不斷重復“擴展平臺”功能操作，增加新的臺階閉合圈，直至最高臺階超過預定的邊坡最高標高，即可獲得臺