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三维数字矿山建模技术示范

以国内外现有成熟地质体三维建模软件为平台，结合3S技术、数学地质、虚拟现实技术，建立各种三维地质模型、工程模型，并形成结合多种技术的三维地质体建模方法体系和矿山多类型数据的综合分析流程，形成数字矿山可视化-数据管理一体化三维建模技术示范研究，为我国找矿勘探工作提供一套便于推广的数字矿山三维建模技术方法体系。三维数字矿山建模在云南个旧和四川拉拉铜矿进行了示范。

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云南个旧数字矿山建设情况将结合建设的整个技术流程，包括基础数据的收集和预处理、各种实体模型的建立、集成与系统功能研发等方面。

(一)数据收集与预处理

数字矿山仿真系统的构建以整个矿山为对象，具有范围大、数据量大等特点。在确定了研究区的区域范围、地理位置、仿真类型、效果要求以及实现平台的基础上，收集了研究区矿山相关的地上、地下、地理、地质等的数据资料，并对基础图件和数据进行了矢量化、空间校正等预处理，为基于GIS及三维建模软件分别建立矿山地上地下真三维实体模型奠定基础。

收集了个旧东区30m分辨率的DEM数据和0.5m分辨率的WorldView2遥感影像，并进行了投影转换、校正、融合等处理。针对地质体建模全面系统的收集了个旧高松矿田的矿区构造地质图(局部中段地质图)、工程分布图、坑道平面图、地质勘探线剖面图、钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等。通过数码相机采集真实的图片素材作为纹理数据，并利用图像处理软件进行校正、匹配，转换等处理。利用激光高度计获取地表建筑长宽高尺寸数据。

(二)三维实体建模

本系统在对各种建模算法适用于不同实体的建模进行研究分析的基础上，针对地形地貌、地质体、井巷工程、二维资料以及地物景观等进行了相关建模方法的研究。

1.地形建模

地形实体模型可以真实地反映地表地形地貌的情况，本研究利用数字高程数据(DEM)和遥感影像数据，基于Grid形式表达，对地表进行了建模，很好地反映出了矿区的总体地表情况(图4-27)。

图4-27 个旧东区三维地形模型图

2.地质体建模

三维地质建模包括地层实体模型、构造实体模型、已知矿体实体模型和岩体实体模型等。地层实体模型可以直观地显示研究区内的区域成矿地质背景，清楚的表达矿区地层与矿体的空间位置关系及矿体主要的集中层位；通过构造实体模型可以清楚地掌握断层与矿体的位置关系及断层对矿体开采的影响，直观地显示和更好地揭示出区域不同类型的断裂的形态趋势和属性特征，对于把握整个研究区的构造格局具有重要作用；构建矿体模型能准确掌握矿体的几何空间形态与位置，且为品位估值奠定基础；岩体一般被认为是在成矿期为成矿作用提供成矿物质、成矿热液和热源的证据，建立岩体实体模型对于矿体位置有较大的指示作用。图4-28为地质体建模的技术流程图。

根据收集的工作区的地质图、中段平面图、工程部署图、实测勘探线剖面、大中比例尺地质平面图以及图切剖面图等，进行三维空间校正后，提取出地层、矿体、岩体、断层等地质体的轮廓线，并对各勘探线剖面进行连接、平滑，最终基于轮廓线重构面技术形成三维实体模型。对于岩体实体模型一般可以通过钻孔的岩性资料进行推断，或者根据岩体等深线资料插值生成。本书研究区范围内地表无岩浆岩出露，但在深部有隐伏花岗岩体分布，岩体模型主要根据收集到的岩体等深线插值生成岩体实体模型。为使三维数字模型能够更加明显地展示出该区各地质体的特点，在Z轴方向上对模型进行了适当的拉伸，这样的处理对研究区实体模型展示及预测分析工作十分有利。

图4-28 地质体建模的技术流程图

3.井巷工程建模

坑道实体模型的建立有助于地质工作者一目了然地看出矿区内坑道工程的实际部署，并且在三维空间工程里可以与其他三维实体模型相叠加，可以更好地了解矿区内矿体的勘探情况和其他的地质条件，为下一步工程勘探部署建议提供重要参考资料。

本书研究主要采用顶板中心线加巷道断面法建立巷道模型，从实测中段平面图提取巷道，进行格式转换，投影、配准、数字化等操作，作为巷道建模的中心线。为实现快速模型构建，我们对巷道分三级处理，将巷道适当的抽象为不同的对象实体。对巷道内部以及采矿和运矿系统进行了建模方法研究，为地下可以进入巷道以及对采矿运矿等知识的科普提供三维模型。

4.二维、三维一体化

与矿山研究与管理相关的其他资料包括地质图、物探和化探异常信息以及行政区划图、资源规划图等，包含大量的有用信息，但多以二维平面图件表达，因此，在建立的三维空间模型中有效的集成这些传统的二维的地、物、化、遥信息是很有必要的。本书探究了将长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机融合的方法，实现二维信息三维模型一体化集成与表达，为综合研究提供一个有机的辅助平台。如基于准确地理坐标，以地质图叠加DEM高程数据，建立了矿区的地质地形模型，以物探图件、化探图件，叠加DEM高程数据，基于Grid表达，建立矿区的物化探图件模型。以勘探线剖面、化探剖面、化探剖面，基于三维空间关系恢复的三维校正与立剖面，建立了勘探线剖面与中断平面关系模型、物探剖面模型和化探剖面模型等。

其他二维地学数据如钻探原始地质编录资料、坑探原始地质编录资料及样品化验资料等表数据可以以数据库的方式实现一体化集成。对于相机采集的真实图片素材、激光高度计获取建筑物的高度数据、钻探原始地质编录资料以及相关的图片、视频、动画等结构化与非结构化数据选择相应的存储与建模方式，为实现最终的一体化集成做准备。

5.地物建模

地表建筑物的建模主要采用多边形建模方法，根据遥感数据或建筑底图，建立相应的楼体拉伸多边形，再采用处理好的图片做成纹理贴图。进行建模时要平衡速度和质量的关系，尽量将模型简化，可以采用贴图技术表现模型上的细节。对于主要建筑进行了楼内布局和设备的建模方法研究，实现了地上进楼。

(三)系统的集成与功能研发

通过上述步骤完成的各类实体模型是相对独立的，尚未实现真正意义上的联系，需在此基础上，进行模型的集成与信息系统的开发。系统集成主要是根据用户的需要设计友好的操作界面、预先设计导览路径、创建交互操作功能等。

1.系统结构

三维数字矿山系统结构(图4-29)。系统主要通过虚拟现实软件VRP实现系统的集成和开发，切制剖面等部分功能在Visual Studio2008环境下用C++语言结合DirectX图形库开发实现。三维矿山系统实现系统导览、集成管理、信息查询、综合分析及切制剖面等功能，图形用户界面友好。

图4-29 数字矿山系统结构图

2.界面设计

在保证基本的软件功能实现的同时，系统为用户提供简洁、大方、美观、友好的程序界面，通过各命令按钮方便用户的控制操作，系统界面设计如图4-30所示，主要通过对话框组织各类功能命令。

图4-30 系统界面、菜单、控制面板设计图

3.功能设计

三维数字矿山系统的功能(图4-31)，主要包括系统导览、集成管理、信息查询、综合分析和切制地质剖面等5个模块。

图4-31 数字矿山系统功能图

(1)系统导览：系统导览功能主要包括对地表地形及对地下地质体模型的浏览。系统通过创建相机和设计路径，可以浏览矿山虚拟场景，实现对地上地表地形的浏览以及地下地质体的动态固定路径浏览以及任意交互漫游浏览。

(2)集成管理：地学研究根据研究对象和特点分为不同的学科，从而使各个领域具体且深入，同时，地学研究需要各个学科的成果交融，从不同角度综合反映，提高整体认识水平。然而，随着研究的深入和高新技术的发展，不同学科成果内容和形式各异、数据格式类型不兼容，导致地学数据孤立分散等问题越来越突出，不利于地学的综合研究发展。对此，研究实现了传统的二维数据资料与建立的三维实体模型的集成管理、同步显示和操作，为矿产资源预测研究提供一个基础平台。

如图4-32为系统数据集成管理界面，通过下拉列表的形式对各二维资料和三维模型进行集成与组织管理。另外，系统设计的“分区式”数字矿山建设集成组合方案，可以按照矿区(矿段)与矿山(矿田)分片、分期进行数字矿山建设，便于矿山生产与管理，将不同区域范围的矿区(矿段)与矿山(矿田)，不同阶段形成的研究成果一体化集成，为矿区的生产、管理提供服务。

图4-32 系统数据集成管理界面图

(3)信息查询：数据信息查询是数字化矿山系统的重要组成部分，需要对已有收集到的研究区的地层岩性信息等数据建立地质基础属性数据库，并加入了矿区实拍照片图件，实现了地层信息属性查询及实拍照片的热链接功能。系统通过使用ADO数据库接口，使三维虚拟场景的对象与地质属性数据库建立联系，实现了属性信息的查询。个旧高松数字矿山系统主要实现了地层信息查询和实拍图片信息查询。如图4-33为地层信息查询界面，在场景中右键地层实体模型可以查询该地层的属性信息，如地层描述等。系统还实现了坐标信息的查询功能，点击模型可获取模型的坐标位置信息。

(4)综合分析：对个旧高松数字矿山系统的建设实现了叠加分析与综合信息分析功能，主要包括二维数据与三维模型的叠加分析、多模型组合叠加分析。

在二维、三维一体化叠加分析方面，本书将个旧高松矿区长期积累的生产、管理、科研(地、矿、物、化、遥)的二维资料与三维模型有机地结合起来的方法，实现二维资料、三维模型一体化集成与表达与叠加分析，为个旧高松矿区的综合研究提供一个有机的辅助平台。解决了矿区长期积累的不同资料、不同数据、图件、图像以及不同文件类型资料的集成显示、对比及以往这些二维、三维资料分别运行不同软件系统显示调用，很难配准进行综合分析的难题(图4-34)。

图4-33 地层信息查询界面图

图4-34 综合分析界面图

(5)切制剖面：前面提到将二维的地、矿、物、化、遥资料叠加到三维模型上以及由二维剖面图生成三维模型，是由二维到三维，实现了个旧高松矿区二维资料和三维模型的统一管理。而切制剖面功能实现了由三维模型获取二维信息的功能，实现由三维到二维的切剖面功能，对已有的三维模型进行任意剖切，获取任意方向的地质剖面图，给地质工作者提供任意方向的剖面信息，辅助找矿和地质勘查研究，以及模型准确度评价。

对个旧高松数字矿山的切制剖面功能主要包括垂直切剖面、等间距平行切剖面、按坐标切剖面3种不同方式切剖面方法。其中等间距平行切制剖面是根据勘探线剖面的需求设计开发的，可以同时生成间距一定距离的一定数量的平行剖面。按坐标切制剖面法可以通过输入剖面起点和终点的XY坐标进行切剖面。利用系统的切剖面功能，可以进行矿区三维地质实体的任意剖切和等间距平行剖切，如图4-31和图4-32为对个旧高松地层模型进行垂直切剖面，图4-35为切剖面模式设置界面图，图4-36为在模型上拉出的一条勘探线剖面，对切制的剖面图片可进行数字化处理，按照不同的地质体类型、单元边界分别形成不同的文件图层，相同节点通过捕捉功能保证各模型单元边界重叠无缝。数字化后的剖面可转换为不同格式，服务于下一步的分析与应用，如进行成矿过程的数值模拟等的应用研究。

图4-35 切剖面模式设置界面图

图4-36 三维模型拉剖面设置图

(6)系统打包发布：对个旧高松数字矿山的建设集成完整之后，为了可以做到无须安装任意移植，我们对矿山系统进行打包发布，生成可独立执行的exe文件。同时可以输出为可网络发布的形式，客户只需要事先下载安装一个1M左右的插件，即可在线下载个旧高松的矿山场景或在线互动漫游。在打包生成exe文件之前，可以根据个旧高松的生产情况、保密情况或是针对不同客户不同需求等方面决定仿真系统的内容、功能，以及工区范围等，进行不同版本系统的打包发布。

(7)开采复原分析：该功能主要是恢复了开采前的矿山形态，并对采空的地层、矿体、岩体可以进行单独查看。如图4-37为开采复原分析界面及复原后的地层显示。

图4-37 开采复原分析界面及复原后的地层显示图

四川省GIS专业大学有多少

四川省GIS专业大学有西南交通大学、电子科技大学

成都理工大学、成都信息工程大学等 另外西南石油大学、四川农业大学、四川师范大学

基于GIS的成矿预测方法研究

黄旭钊

（地矿部航空物探遥感中心，北京　100083）

地理信息系统（geographic information system；简称GIS）始于50年代；70年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，促使GIS朝实用方面迅速发展，一些发达国家先后建立了许多专业性的地理信息系统；80年代是GIS普及和推广应用阶段；进入90年代，随着数字化信息产品在全世界的普及，GIS逐步深入到各行各业。中国地理信息系统起步较晚，但发展很快。在地质科学发展的进程中，科学家们创造了多种认识地质现象的方法和手段，如地质、物探、化探和遥感等。利用GIS技术，探讨这些信息资源的“开发利用”方法，使其发挥更大的作用，是本文的根本目的。

GIS是一种对空间信息以数字形式进行采集、编辑、处理、存储、组织、模拟、分析并表示的计算机辅助决策系统，它由硬件、软件、数据和应用四大分量组成，其任务则包括数据输入、数据管理、数据分析和数据表示四个方面。它具有如下两个显著特点：一是它不仅可以像传统的数据库管理系统那样管理数字和属性信息，而且可以管理图形信息；二是它可以利用各种空间分析的方法对多种不同的信息进行综合分析，解决空间实体之间的相互关系，对矿产预测水平的提高，起着积极的作用。

一、软件介绍

在GIS引进推广过程中，将MapInfo作为平台，开发一套功能较强、适于应用目的的中小型GIS软件，是行之有效的。它的主要功能如下（图1）。

图1　该系统的主要功能

（一）强大的地图输入、编辑能力

MapInfo对地图的输入提供三种输入方式。

①可以通过数字化仪进行地图的输入。

②支持光栅图像的输入，其格式可以是：BMP,GIF,JPEG,PCX,SPOT（卫星航空照片位图）、TGA,TIFF为后缀的图形格式。光栅图像输入后，用户可以用MapInfo提供的强大的作图工具在其上作图、编辑，然后存成单独的矢量地图层，也可以把光栅图像作为底图显示。

③MapInfo支持标准的DXF文件的输入。

（二）地图与属性管理

MapInfo以表的形式组织文本或图形信息。每个表都有两个文件：①文件名.tab，该文件描述表的结构；②文件名.dat或文件名.wks,.dbt,.xls，这些文件包含表数据；对栅格表相应的扩展名是tif、gif或bmp。如果表里已经含有图形目标还将有两个相关文件，文件名.map和文件名.id，前者描述图形目标，后者是连接属性数据和图形目标的交叉参考文件。这样，就可以在MapInfo内生成数据库文件。

MapInfo采用层的概念组织、管理数据，用户可根据自己对图幅及相关内容的理解，出于自身的实际需要，将某一特定的地理单元划分成不同的层，以满足单层或多层叠加浏览地理单元的需要。

（三）查询统计与空间分析

查询包括空间查询和属性查询两种方式。空间查询是根据图形目标查找对应的专业属性，属性查询则根据专业属性字段构成的数据表达式或逻辑表达式，查找对应的空间实体。该功能能够实现按单一数据项进行数据查询到按多个数据项进行复杂的SQL查询，使我们能够从大量的数据中，迅速得到分析所需要的数据，并进行统计计算。

使用GIS很重要的原因之一是要对数据项进行空间分析。MapInfo中的空间分析主要包括缓冲区分析和叠置分析。缓冲区分析是地图窗口中一个围绕线目标、区域或点等其它目标的区域，可以用设置缓冲区半径的方法控制缓冲区的大小。创建完缓冲区，就能够在缓冲区内寻找目标。叠加分析是将两个不同层内的多边形叠加合并的一种空间操作。该操作生成第三层，从而可对交叉区域进行分析，在MapInfo中该功能需要进一步扩充和完善。仅仅这些空间分析，不能满足成矿预测的要求，因此将传统的成矿预测方法纳入到GIS中是核心任务。目前常见的建模统计方法有信息量计算法、贝叶斯概率统计及特征向量法等。它们的基本思路是由已知典型矿床总结的矿床地质标志、地球物理标志、地球化学标志和遥感影像标志构成综合标志系列；然后，根据相应的数学模型，在选定的成矿带中建立找矿模型，再结合GIS的图形分析功能，最终形成矿产预测图。

（四）输出形式

Maplnfo是基于Windows操作系统上的，凡是Windows支持的外设它都自然支持。

二、地质与地球物理、地球化学概况

研究区位于四川、陕西、甘肃三省交界地带，出露地层有元古界、古生界、中生界及新生界。其中寒武—奥陶系太阳顶群、泥盆系下吾那组、三叠系是微细浸染型金矿的重要赋矿层位。

该区大地构造位置属秦岭褶皱系西段、松潘甘孜褶皱系的一部分。断裂构造十分发育，玛曲—略阳大断裂带、尕海—舟曲—成县大断裂带、玛曲—文县—勉县大断裂带均由数条与走向基本平行的主干断层组成，为多期多次活动的大断裂带，亦是重要的控矿断裂[1]（图2）

图2　构造分区

Ⅰ—西秦岭加里东褶皱带；Ⅱ—西秦岭华力西褶皱带；Ⅲ—西秦岭印支褶皱带；Ⅳ—松潘甘孜褶皱系；Ⅴ—扬子准地台

岩浆活动与内生金属矿关系密切。在本区，大中型金矿床在空间分布上常常与岩体有关，与基岩有关的金矿床多分布于岩体的外接触带上。

由于该区航磁数据和重力数据比例尺较小，因此有些局部异常反映不明显。但该资料对区域构造轮廓、主要断裂构造反映比较清晰。

研究区内水系沉积物资料表明：①共生元素组合Au—As—Sb-Hg及Au—As—Sb或Au—As—Hg主要和微细粒金矿生成有关。②在金的高背景或低背景上的Au、As、Sb、Hg浓集中心有利于形成微细浸染型金矿。③较好的金矿化区，化探异常浓集中心面积并不大，背景不高，浓集中心突出，重合性好。

三、基于GIS的成矿预测方法

（一）多元地学数据的建立与管理

此次研究共收集了五种来源的地学数据，它们是地层及构造数据、矿产数据、航磁数据、重力数据、化探数据。处理流程如图3所示。

图3　处理流程

将以上这些图件通过扫描仪输入到计算机中，形成.tif栅格影像文件。经过配准（一般选择四个控制点）形成.tab文件，便可作为栅格影像图显示出来。地质影像图、航磁平面等值线影像图、矿床分布影像图通过屏幕跟踪实现矢量化，同时亦形成.tab文件，一个.tab文件由一个图层组成，代表一种专题信息。航磁剖面平面影像图、布格重力异常影像图、水系沉积物元素异常影像图未经全部矢量化，只在典型矿床上及其周围做矢量化处理。根据航磁异常和重力异常的基本特征，圈出五条隐伏大断裂及28处隐伏中酸性岩体。参考地质资料，形成断裂及岩体分布图。经过矢量化后的图层，可随时进行编辑，并可创建相应的属性数据库。

（二）查询统计

根据地层分布图，通过条件查询功能检索赋矿地层：下古生界（Pzl）、上古生界（Pz2）及三叠系（T）（图4）。从图中我们可以看到矿床（点）在各地层中的分布情况，还可以进一步作统计分析，结果见表1。

（三）空间分析与成矿远景预测

1.断裂与矿床（点）相关性分析

图4　赋矿地层

表1　赋矿地层与矿床（点）统计

该区矿床与断裂关系甚为密切，因此，研究矿床到线性构造的“距离”是十分重要的。为了确定矿床与断裂构造的相关性，在控矿断裂周围每隔2km设置一个通道，共设置八个通道。设置通道的办法是用缓冲区功能来实现的，对微细浸染型金矿而言，分析结果见表2。从表中可以看出，在距断裂16km的范围内，集中了71.2%的矿床（点），其中包括了全部的大、中型矿床和77.8%的小型矿床。表中还给出了不同距离区间内出现矿产地的频数（%）。上述分析结果为确定断裂影响带宽度提供了客观依据。为此，我们以16km为缓冲区半径，做出该类型金矿的断裂影响带，这是寻找该类型金矿的有利地带。应该指出，我们选择的断裂带都是规模较大的断裂带，本身都由数条主干断层组成，具有较宽的断裂破碎带，当我们用线表示它们时，只反映了它们的中心位置，所以我们做出的断裂影响带的宽度较宽（图5）。

表2　断裂与矿床（点）“距离”统计

图5　断裂与岩体缓冲区

2.中酸性岩体与矿化的关系

已知资料表明，岩浆活动与内生金属矿床关系密切。它不仅对溶液起加热和驱动作用，而且可能在成矿作用中带来某些组分。该区与岩体有关的金属矿属中低温热液型金矿，多分布于岩体外接触带附近，一般在距岩体5km的范围内。因此以5km为半径作缓冲区（图5），这亦是成矿的有利地带。

3.根据水系沉积物异常圈定成矿有利区

根据1:20万水系沉积物异常，将具有Au元素异常浓集中心，或者具有Au元素异常浓集中心、同时伴生As、Sb、Hg或伴生As、Sb或伴生As、Hg元素异常，重合性好的区域确定为有利成矿区；将具有Au元素异常，但浓集中心不明显，伴生As或Sb元素异常的区域确定为较有利的成矿区。

4.叠加分析

（1）断裂影响带与岩体影响带作相加运算

断裂影响带和岩体影响带都是形成金矿的有利地带，为此将断裂缓冲区与岩体缓冲区叠加并取其和，形成断裂与岩体影响带叠加图。

（2）赋矿地层与上述断裂与岩体叠加影响带作相交运算

赋矿地层是形成金矿的必要条件，断裂与岩体影响带，只有在赋矿地层中才是金矿成矿的有利地段。因此将赋矿地层图与断裂与岩体影响带叠加图再进行叠加，取相交部分。

（3）将上述结果与根据化探得到的有利成矿区作相交运算

为了更有效、更准确地得到成矿远景区，我们将上述成矿远景区与根据化探得到的有利成矿区作相交运算，从而得到如图6所示的远景区。一级远景区即赋矿地层、断裂影响带（或岩体影响带）、化探异常叠加的交集，其中有已知大中小型矿床分布。此次共圈定25处一级远景区，其中九处区域与已知矿床（点）完全吻合；六处区域包含已知矿床（点），但范围要大得多；九处区域是新圈出的区域。二级找矿远景区即赋矿地层与断裂影响带（或岩体影响带）叠加的交集；或者满足地层及地球化学找矿标志，但不处于构造有利部位；部分已知中小型矿床落在该区域内。三级找矿远景区即赋矿地层与断裂影响带（或岩体影响带）叠加的交集，该区域内没有已知的矿床（点）分布。

图6　成矿远景区

应该指出的是，上面的例子各种信息量是以等权来对待的，若首先应用上文提到的数学模型确定权重，再做叠加运算，预测效果将会更加准确。

四、结论

通过使用GIS，我们有如下几点体会。

①它改变了传统的手工操作模式，可以很方便地将所需要的信息叠合，并且同时输出。

②数据库具有永久性，可以重复利用，为以后更新数据提供方便，从而减少了重复劳动。

③空间数据和属性数据的联合查询，使我们能够从大量的信息中迅速提取分析所需要的信息。

④MapInfo通过点、线和多边形把数据和地图连接在一起，单击地图上的任意对象，便可以同时看到多个与该对象相关联的所有数据。这样可以帮助我们分析数据。

参考文献

李文元，等.秦岭西部微细浸染金矿成矿条件.中国金矿主要类型找矿方向与找矿方法文集（第二辑），北京：地质出版社，1994

A STUDY OF METALLOGENIC PROGNOSTIC TECHNIQUE BASED ON GIS

Huang Xuzhao

（Aerogeophysical Survey and Remote—Sensing Center,Beijing 100083）

Abstract

The geophysical information system（GIS）has greatly raised the multi-purpose utilization level of spatial data for metallogenic prognosis.Its importance is that it plays the role of a bridge which links the traditional manual superimposition technique with the mathematic technique of spatial analysis,thus avoiding many artificial factors imposed on metal-logenic prognosis.Based on evaluation of metallogenic conditions and integrated prognosis for mineral resources in Sichuan-Shaanxi-Gansu triangular area,this paper discusses the application of GIS technique to metallogenic prognosis.

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