《數(shù)字礦山與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（智能采礦）

《數(shù)字礦山與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)》課堂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)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(hào)：021040060適用專業(yè)：智能采礦工程專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)：32學(xué)時(shí)（理論26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)）學(xué)分?jǐn)?shù)：2.0學(xué)分課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第六學(xué)期實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一：遙感找礦與礦區(qū)環(huán)境遙感分析實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：操作型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的1．了解TM遙感影像的特點(diǎn)，掌握遙感影像目視解譯基本方法；2．學(xué)習(xí)遙感圖像處理軟件使用方法，用地質(zhì)、地理知識(shí)結(jié)合影像分析礦區(qū)環(huán)境；二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)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(tái)式計(jì)算機(jī)；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(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟（1）向計(jì)算機(jī)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(gè)同名點(diǎn)，從地形圖上讀取其坐標(biāo)數(shù)據(jù)；（3）以地形圖上讀取的同名點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)TM影像進(jìn)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(xué)相關(guān)知識(shí)，分析該礦可能發(fā)展、開拓的方向。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理遙感影像幾何校正有兩種方式：對(duì)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(jìn)行校正，校正過程中還要在現(xiàn)有網(wǎng)格數(shù)據(jù)中進(jìn)行內(nèi)插，補(bǔ)充網(wǎng)格數(shù)據(jù)，這里不做具體介紹。對(duì)于高幾何分辨率遙感影像，一般使用以下模型進(jìn)行校正：X式中：x,y為原始影像上網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)；X，Y為校正后影像上該網(wǎng)格點(diǎn)的理想坐標(biāo)；bo,a,,b1,a2,b2,a3,b3為待定系數(shù)。使用該校正模型時(shí)，在圖像處理軟件支持下，用鼠標(biāo)在屏幕圖像上采集有明顯地物特征的點(diǎn)，如道路交叉點(diǎn)、河流交匯點(diǎn)、田坎邊角點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)得到x、y數(shù)據(jù)；然后用地面測量方法獲取這些點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，在系統(tǒng)中輸入這些準(zhǔn)確坐標(biāo)，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(zhǔn)確數(shù)據(jù)的地物點(diǎn)，稱作同名點(diǎn)。系統(tǒng)軟件要求用戶給出4個(gè)或4個(gè)以上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，由這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)解算式中這8個(gè)待定系數(shù)。模型這樣建立以后，系統(tǒng)即可對(duì)待校正影像的每一個(gè)網(wǎng)格坐標(biāo)代入式中進(jìn)行校正，得到準(zhǔn)確坐標(biāo)。影像幾何校正后，需要根據(jù)原始影像數(shù)據(jù)對(duì)新生成網(wǎng)格陣列中的每一個(gè)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(duì)于變形不大的影像，用前兩種方法的一種果較好；而對(duì)于變形較大的影像，用后一種方法效果較好。六、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)1．上機(jī)操作前，熟悉實(shí)驗(yàn)操作手冊和實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容；2．在電腦上不做與實(shí)驗(yàn)無關(guān)內(nèi)容；七、預(yù)習(xí)與思考題（1）ENVI遙感圖像處理軟件顯示遙感影像以及對(duì)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(shí)，分析該礦體可能延伸的方向。實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二：礦山三維建模與可視化分析實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：操作型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)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(jì)數(shù)據(jù)建立巷道三維模型的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容（1）建模數(shù)據(jù)組織與預(yù)處理；（2）采用剖面法交互構(gòu)建地層、礦體三維模型，并進(jìn)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(jìn)行集成可視化。三、儀器設(shè)備（1）硬件要求；微機(jī)，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(jì)圖。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)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?yàn)橛衅矫婵刂?，與實(shí)際情況比較吻合。交叉剖面法建模思想是：首先進(jìn)行平、剖面的一致性處理，以保證所有平、剖面對(duì)應(yīng)這樣就在空間中形成一系列的單元網(wǎng)格（每個(gè)單元網(wǎng)格由2個(gè)平、剖面的部分線組成）；隨即對(duì)每一個(gè)單元網(wǎng)格分別進(jìn)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(jìn)行視圖限制，查看交叉剖面結(jié)合處兩線是否對(duì)應(yīng)。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(dòng)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(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。交叉剖面線調(diào)整好后，開始進(jìn)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€(gè)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(diǎn)。②單元網(wǎng)格線框模型生成?；趩卧W(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(dòng)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(shí)體的建模相比，井筒建模相對(duì)簡單，只要確定井口和井底的三維坐標(biāo)以及斷面形狀規(guī)格，就可以快速建立實(shí)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(shí)測井法（根據(jù)井筒的空間位置進(jìn)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(biāo)。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(shí)體。平巷三維模型在創(chuàng)建井巷工程實(shí)體中，無論什么類型的實(shí)體線框模型，只需要準(zhǔn)備好以下兩個(gè)條件就可以輕松地進(jìn)行工程線框?qū)嶓w模型的創(chuàng)建，這兩個(gè)條件是：井巷工程實(shí)體的中心線位置（應(yīng)滿足空間位置，即平面位置和坡度要求）；井巷工程實(shí)體的斷面形狀和規(guī)格。下面以“中心線十?dāng)嗝妗钡哪Ｊ?，介紹平巷建立過程。完成綜合平面圖整理與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，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(duì)中心線生成巷道模型。斜坡道實(shí)體模型斜坡道實(shí)體建模相對(duì)來說比較復(fù)雜，因?yàn)樾逼碌啦辉谝粋€(gè)固定的平面內(nèi)，有很多拐角，所以確定斜坡道中心線時(shí)比較復(fù)雜。首先要確定斜坡道各拐彎處及其在各中段交點(diǎn)處的三維坐標(biāo)；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(shí)體。采用“中心線十?dāng)嗝妗边M(jìn)行斜坡道設(shè)計(jì)，在進(jìn)行中心線時(shí)考慮斜坡道的坡度及轉(zhuǎn)彎半徑、位置等。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理（1）模型有效性檢驗(yàn)在對(duì)線框進(jìn)行布爾運(yùn)算、切分等操作以及計(jì)算線框體積之前，需要對(duì)線框模型進(jìn)行合并而后校驗(yàn)。線框模型的校驗(yàn)可完成對(duì)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(gè)面或不同面之間有無跨接、檢查有無重復(fù)點(diǎn)、檢查有無多余邊等。（2）井巷工程模型布爾運(yùn)算由于巷道和豎井都是單獨(dú)按相應(yīng)的方法生成的，但很多時(shí)候巷道與豎井間經(jīng)常需要連通，因此，需要生成貫穿的實(shí)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(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)（1）上機(jī)操作前，熟悉實(shí)驗(yàn)操作手冊和實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容；（2）在電腦上不做與實(shí)驗(yàn)無關(guān)內(nèi)容；七、預(yù)習(xí)與思考題（1）如何進(jìn)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(yīng)分別采用什么方法建模，模型之間如何耦合？實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐三：采礦數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：操作型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的（1）了解地下礦山開采三維設(shè)計(jì)中的三維開拓設(shè)計(jì)、盤區(qū)及采場劃分；（2）了解露天礦開采三維設(shè)計(jì)的露天境界優(yōu)化及露天臺(tái)階設(shè)計(jì)。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容（1）地下礦開拓方案選擇及三維開拓設(shè)計(jì)；（2）地下礦盤區(qū)采場劃分方法、采場算量及指標(biāo)分析；（3）露天礦境界優(yōu)化及結(jié)果分析；（4）露天礦臺(tái)階數(shù)字化設(shè)計(jì)。三、儀器設(shè)備（1）硬件要求；微機(jī)，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(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1．三維開拓設(shè)計(jì)在地表和礦體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)，開拓方式為豎井開拓；通風(fēng)方式為單翼對(duì)角0式、抽出式，進(jìn)風(fēng)井布置在礦體南側(cè)，回風(fēng)井布置在礦體北側(cè)，副井輔助進(jìn)風(fēng)；井底車場為環(huán)形臥式結(jié)構(gòu)；運(yùn)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(yùn)輸水平，采用環(huán)形運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，共分4個(gè)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(yùn)輸功最小，因而布置在礦體中間附近位置；風(fēng)井布置在兩端，由于安全要求較高，位置需至少在巖石移動(dòng)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(jì)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(biāo)高；（2）中段運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)中段運(yùn)輸巷道包括沿脈巷道與穿脈巷道。本實(shí)驗(yàn)以-200m中段進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)行連通，所以在中段之間有時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行。2．盤區(qū)及采場劃分由于后期采切設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)和指導(dǎo)生產(chǎn)時(shí)是以盤區(qū)或采場模型為基礎(chǔ)，所以需對(duì)三維礦體模型進(jìn)行必要的劃分。采場劃分有兩種方式：一種是“實(shí)體切割＋裁剪”，另一種是“雙線法十布爾運(yùn)算”。（1）實(shí)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(gè)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(shí)體分割功能切出各中段實(shí)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(jìn)行切割或裁剪，得到盤區(qū)或采場模型。（2）雙線法＋布爾運(yùn)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(jìn)行布爾運(yùn)算。布爾運(yùn)算即采用實(shí)體A一B求差得到采場模型（A為礦體），以及采用實(shí)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(duì)某鐵礦的境界優(yōu)化進(jìn)行。在價(jià)值模型選項(xiàng)卡下，主要定義金屬價(jià)格、回收率、體重等參數(shù)。在成本參數(shù)選項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)卡下，定義特殊的開采條件。在輸出參數(shù)選項(xiàng)卡下，主要定義輸出文件路徑、是否輸出嵌套坑等。點(diǎn)擊確定，進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)行結(jié)束后，生成計(jì)劃結(jié)果體積報(bào)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(tái)階數(shù)字化設(shè)計(jì)首先根據(jù)礦體賦存情況，確定山坡露天的底部標(biāo)高。邊坡臺(tái)階設(shè)計(jì)步驟如下：①按底部標(biāo)高的礦體投影線和開采工藝要求，畫出最下部臺(tái)階的坡底線。利用軟件“露天礦設(shè)計(jì)→擴(kuò)展平臺(tái)”功能即可生成最底部臺(tái)階的坡頂線。②以步驟①為基礎(chǔ)，利用軟件不斷重復(fù)“擴(kuò)展平臺(tái)”功能操作，增加新的臺(tái)階閉合圈，直至最高臺(tái)階超過預(yù)定的邊坡最高標(biāo)高，即可獲得臺(tái)