用電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告構(gòu)建煤炭勘探區(qū)三維地質(zhì)模型方法與軟件研究

李青元，李 爽，郝多虎，魏新勇，張 宣

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100036；3.中國煤炭地質(zhì)總局一七三地質(zhì)隊，河北涿州，072750；4.暢圖科技公司，北京 100083)

0 引言

煤礦正在由傳統(tǒng)的粗放型開采向數(shù)字化、智慧化開采發(fā)展。數(shù)字礦山、智慧礦山將促使煤炭資源勘探向綠色、精細、真三維的方向發(fā)展[1-3]，三維地質(zhì)建模技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于煤田地質(zhì)勘探中[4]。采用三維地質(zhì)建模可以更立體、直觀、精準地展示煤礦區(qū)煤層與圍巖以及斷層的形態(tài)特征，并為煤田的沉積環(huán)境分析、儲量計算、開采條件分析以及以后的礦井設(shè)計、建井、開采帶來眾多的好處[5]。在過去幾十年的煤田地質(zhì)勘探工作中積累了大量的傳統(tǒng)紙質(zhì)版地質(zhì)報告，自20世紀80年代末，電子計算機在煤田勘探的地質(zhì)報告制作中廣泛應(yīng)用，地質(zhì)報告基本實現(xiàn)了電子化。這些電子化的地質(zhì)報告采用Office/WPS編制文字報告與表格，用AutoCAD/MapGIS等制作各類圖件[6-8]。這些圖件如地形地質(zhì)圖、煤層底板等高線圖、勘探線剖面圖所要表達的地質(zhì)內(nèi)容都是真三維的，但它們的形式是二維的，它們需要在地質(zhì)工程師的頭腦中才能還原出三維模型，無法在屏幕上直接顯示成三維形態(tài)。這些電子化的地質(zhì)報告距離智慧礦山所要求的礦區(qū)真三維地質(zhì)模型還有很大的差距。礦井設(shè)計、建設(shè)與運營單位需要耗費巨大的人力物力才能將電子化的地質(zhì)報告轉(zhuǎn)換為三維地質(zhì)模型。由于現(xiàn)在勘探規(guī)范并沒有要求勘探項目必須提交三維地質(zhì)模型。估計地質(zhì)隊提交的地質(zhì)報告還會在較長時間內(nèi)以電子化的傳統(tǒng)地質(zhì)報告為主。

目前國際、國內(nèi)都已有若干成熟的三維地質(zhì)建模軟件，如國際上的GoCAD、Petrel、Surpac、Micromine。國內(nèi)也有很多已較為成熟的三維地質(zhì)建模軟件，如北京網(wǎng)格天地公司的DeepInsight(深探)、武漢中地公司的MapGIS、北京超維創(chuàng)想公司的Creatar、武漢地大坤迪公司的QuantiView，北京龍軟公司的Longruan，中南大學(xué)的Dimine，北京三地曼公司的3DMine，西安集靈公司的VRMine，山東藍光公司的智慧礦山軟件等。這些軟件經(jīng)過多年的發(fā)展都已經(jīng)達到商業(yè)化運營的程度。這些軟件都可以用于煤炭地質(zhì)勘探的三維地質(zhì)建模。但這些軟件都還不是直接針對煤炭地質(zhì)勘探行業(yè)。自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室研究了以高精度地震數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源的基于精細勘查的煤礦地質(zhì)保障信息系統(tǒng)[9]。這些三維建模軟件都有自己的建模流程。但其基本原理是相通的。

由此本文探討由電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告制作三維地質(zhì)模型中的通用方法。

1 地質(zhì)報告中的三維建模數(shù)據(jù)源

電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告的三維建模數(shù)據(jù)來自以下幾個方面：

(1)各種原始或成果數(shù)據(jù)表格

如①鉆孔孔位數(shù)據(jù)表、②鉆孔井斜數(shù)據(jù)表、③鉆孔見煤數(shù)據(jù)表。由①、②表可以構(gòu)建各個鉆孔的三維空間形態(tài)；③表結(jié)合表①、②可以定位各鉆孔中不同煤層頂?shù)装宓娜S空間位置，它們是地質(zhì)報告各類圖件編制的基礎(chǔ)，也是三維地質(zhì)建模中必須遵從的“硬約束”。

(2)各類圖件

這些圖件是有的是野外直接實測的，如①地形地質(zhì)圖；有的是地質(zhì)工程師用原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過加工編制的，如②煤層底板等高線圖、③勘探線剖面圖。

1)地形地質(zhì)圖：可以看成是用地面這一特殊的曲面去虛擬“切割”三維地質(zhì)模型，然后垂直投影到水平面上而獲得的一個對三維地質(zhì)模型的降維表達。它的上面既有表達切割面(地面)自身形態(tài)的地形等高線，也有反映被切割的地質(zhì)模型內(nèi)的各種面要素(如地層界面、斷層面)與切割面——“地面”相交而成的“交線”(地層界面露頭線、斷層露頭線)；以及地質(zhì)模型內(nèi)的體要素(地層體)被地面切割相交而成的多邊形——“地層多邊形”。

2)煤層底板等高線與儲量計算圖：可以看成是以煤層底板這一特殊的曲面去切割三維地質(zhì)模型，然后垂直投影到水平面上而獲得的一個對三維地質(zhì)模型的降維表達。它的上面反映切割面(煤層底板曲面)本身形態(tài)的是煤層底板等高線，反映與被切割的斷層面的交線——斷面交線，反映被切割鉆孔線的交點是鉆孔底板見煤點。

3)勘探線剖面圖：由鉆孔地面連線的向下的折垂面去切割三維地質(zhì)模型，然后水平投影到折垂面上而后拉直而成。它的上面有切割面與地質(zhì)模型的面要素(地形面、不整合面、地層界面、斷層面)的交線，也有切割面與地層體的相交的多邊形。

2 三維地質(zhì)模型的建模方法

由電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告構(gòu)建三維地質(zhì)模型的建模方法就是綜合使用多種技術(shù)手段，將地質(zhì)報告的二維圖件、表格的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能在計算機上能三維顯式的三維數(shù)據(jù)模型。這其中涉及到二維圖形元素的多次嬗變。其中最關(guān)鍵的變化就是將各煤層底板的二維等高線轉(zhuǎn)化為三維曲面的不規(guī)則三角網(wǎng)，并由各煤層底板曲面上的斷面交線構(gòu)建斷層面。傳統(tǒng)的地質(zhì)報告中的煤層底板曲面的空間形態(tài)是用被斷面交線切割的底板等高線表達的。地形曲面是用地形等高線表達的。而三維地質(zhì)模型中煤層底板曲面、斷層面和地形曲面都是用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)支撐的小三角面片相連而成的“蒙皮”曲面構(gòu)成的。二維的勘探線剖面圖轉(zhuǎn)換成三維勘探線剖面圖的關(guān)鍵是將二維垂直剖面上的線要素的坐標轉(zhuǎn)換為三維空間坐標[10]。

3 轉(zhuǎn)換操作前的數(shù)據(jù)預(yù)處理

下面討論煤層底板等高線圖構(gòu)建煤層底板曲面之前的數(shù)據(jù)預(yù)處理。一般而論，從二維的AutoCAD、MapGIS圖件構(gòu)建三維地質(zhì)模型需要經(jīng)過以下幾步預(yù)處理。

3.1 將AutoCAD、MapGIS圖件轉(zhuǎn)換到目標平臺

將AutoCAD、MapGIS的圖形交換文件轉(zhuǎn)換到目標平臺，原圖形文件中有很多圖層內(nèi)容對三維地質(zhì)建模沒有什么用處，可以扔掉，留下有用的圖層。GDAL是一個用C++編寫的開源的國際通用圖形數(shù)據(jù)讀取工具包，dwg、dxf、shp等常用的國際軟件的交換文件的讀寫都可以實現(xiàn)；對于MapGIS等國產(chǎn)GIS軟件的交換文件(.pat、.pal、.pap),可以用擴展GDAL的OGR庫的方法[11]。

3.2 將斷開的等高線連接起來

在電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告的煤層底板等高線圖制作過程中，作圖員為了圖件的美觀，往往會在等高線標注處將本來是相連的地形或煤層底板等高線打斷，這在以二維視覺效果為主的傳統(tǒng)地質(zhì)報告中是沒有問題的，但對于以三維地質(zhì)建模為目的的數(shù)據(jù)預(yù)處理需要將其連接起來。連接中需要注意，對于被斷面交線隔開的等高線不能相連。好的三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)能自動掃描并連接“應(yīng)連接”的等高線。

3.3 處理等高線的“未及”與“過伸”

在等高線與斷面交線(以及無煤區(qū)邊界線)等線要素交界尤其要注意處要等高線的“未及”與“過伸”問題。“未及(undershot)”是指一條線本來應(yīng)該與另一條線相交，但是“差一點點”沒有交上；“過伸(overshot)”是指一條線本來應(yīng)該相交并終止于另一條線，但它走過了，在交點的另一邊留下一小段過剩的線頭[11]?！拔醇啊迸c“過伸”在傳統(tǒng)的地質(zhì)報告圖件中都不是問題，因為它們“幾乎”看不出來，但在三維地質(zhì)建模中則可能導(dǎo)致通過等高線為斷面交線的高程賦值失敗。好的三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)該有自動檢測并處理“未及”與“過伸”這種“瑕疵”的功能，如圖1、2所示。

(a)原始“未及”線 (b)處理后兩條線相交圖1 “未及”線及其處理Figure 1 “Undershot”line and its treatment

(a)原始“過伸”線 (b)處理后兩條線相交圖2 過伸線及其處理Figure 2 “Overshot”line and its treatment

3.4 為等高線賦高程

電子版的傳統(tǒng)地質(zhì)報告的地形地質(zhì)圖、煤層底板等高線圖上一般都沒有為等高線的屬性賦高程，而只是在等高線上或傍邊標注高程，從傳統(tǒng)的地質(zhì)報告審查標準來看，這沒有一點問題，但三維地質(zhì)建模需要每根等高線的屬性賦值為其所標注的高程值。三維建模軟件除了提供單根等高線賦高程的功能外，還應(yīng)提供根據(jù)等高線具有等差高程的特點拉線批量賦高程的方法。每根等高線賦以高程值后在三維軟件中就自然“立起來”了(圖3)。

圖3 煤層底板等高線賦以高程后(三維圖)Figure 3 Contours of coal floor after elevation given (stereo)

3.5 用等高線為斷面交線賦高程

斷面交線、煤層無煤區(qū)邊界線、勘探區(qū)邊界線這些線要素在原始圖中都是沒有高程的，但當(dāng)它們要成為煤層底板曲面三維建模的約束邊界時就必須給它們賦予合理的高程。最合理的做法是使斷面交線、煤層無煤區(qū)邊界線等線要素從與其相交的煤層底板等高線獲取高程。斷面交線通過與其相交的煤層底板等高線獲取高程后的三維形態(tài)如圖4所示。

圖4 斷面交線通過煤層底板等高線獲得高程(三維圖)Figure 4 Fault lines after elevation given from the contour map of the coal floor (stereo)

煤層底板等高線圖的數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，下面就該進入到曲面構(gòu)建——三角剖分階段。

4 半自動分區(qū)構(gòu)建煤層底板曲面

煤層底板曲面三維建模的過程就是將由等高線和斷面交線表達的曲面升華為由不規(guī)則三角網(wǎng)表達的曲面，即由等高線、斷面交線限定的“三角剖分”。對于被斷層完全切斷而分成幾片的煤層底板曲面，唯一可選的三角剖分方案就是分片三角剖分。完全全自動的分片三角剖分也許將來可以實現(xiàn)，但其算法將非常復(fù)雜。目前較為明智的方案是半自動分片，即由用戶用鼠標點擊選擇分片的邊界線要素(如斷面交線、無煤區(qū)邊界線、工區(qū)邊界線)，構(gòu)成分片的外邊界環(huán)(圖5、圖6)

圖5 某試驗區(qū)的煤層底板等高線圖(平面圖)Figure 5 Contour map of coal floor in a test area (plan)

圖6 試驗區(qū)應(yīng)分為4個分片(平面圖)Figure 6 Test area should be divided into 4 subareas (plan)

4.1 構(gòu)建分區(qū)邊界環(huán)的構(gòu)建順序

構(gòu)建分區(qū)邊界環(huán)的順序是從與工區(qū)邊界環(huán)相交的斷面交線開始，逆時針方向順序點擊斷面交線，最后點擊工區(qū)邊界線。下面以圖6中的1分區(qū)為例，說明構(gòu)建分片邊界環(huán)的操作順序(圖7)，其生成的分區(qū)邊界環(huán)見圖8。

圖7 分區(qū)1外邊界環(huán)的點擊順序(平面圖)Figure 7 Click sequence of subarea 1 outer boundary ring (plan)

圖8 分區(qū)1的外邊界環(huán)(平面圖)Figure 8 Outer boundary ring of subarea 1 (plan)

4.2 分區(qū)內(nèi)的三角剖分

分區(qū)邊界環(huán)構(gòu)建成功后，分區(qū)內(nèi)的三角剖分基本上就可自動完成。軟件需要經(jīng)過下面的幾步。

1)自動掃描分區(qū)內(nèi)的斷面交線，構(gòu)建分區(qū)內(nèi)的斷面交線環(huán)。

2)自動判斷斷面交線環(huán)是逆斷層環(huán)還是正斷層環(huán)。其原理就先掃描與斷層環(huán)的兩條斷層線在端點處相交的煤層底板等高線；然后判斷這些底板等高線的靠近斷層環(huán)的這一端的第一段與斷層環(huán)的另一條斷層線是否相交，若相交，則為逆斷層；若不相交，檢查其第二個節(jié)點是否落在斷層環(huán)中，若是，則為逆斷層，若未落入斷層環(huán)，則為正斷層(圖9)。

圖9 逆斷層環(huán)與等高線(平面圖)Figure 9 Reverse fault ring and contours (plan)

4.3 分區(qū)三角剖分的實現(xiàn)

在三維地質(zhì)建模中，構(gòu)建三維曲面的本質(zhì)是三角剖分，即確定各地質(zhì)要素的采樣點或虛擬控制點的相互連接關(guān)系。

1)正斷層邊界環(huán)處理算法：正斷層環(huán)的中間是煤層缺失的空白區(qū)，因此三角剖分較為簡單，對于正斷層環(huán)的處理方法就是直接將正斷層邊界環(huán)的采樣點按照順時針方向組織成頂點數(shù)組作為三角剖分的內(nèi)邊界環(huán)。

2)逆斷層邊界環(huán)處理算法：逆斷層環(huán)中間是煤層疊覆區(qū)，因此含逆斷層疊覆區(qū)的三角剖分一直是困擾三維地質(zhì)建模的難題。蔡強，楊欽等人提出了“引橋邊”的逆斷層分片建模法[12]。魏竹斌、李青元提出了一種通過在疊覆區(qū)外添加一個外包圍環(huán)，將疊復(fù)區(qū)與正常區(qū)分開，然后將疊覆區(qū)區(qū)分為上、下盤分別剖分，再去掉外包圍環(huán)的實現(xiàn)逆斷層疊復(fù)區(qū)的三角剖分方法[13](圖10)。

圖10 分區(qū)3的三角剖分后顯示的三維曲面(三維圖)Figure 10 Subarea 3 3D curved surface after triangulation (stereo)

5 三維斷層曲面的構(gòu)建

煤田三維地質(zhì)建模首先是煤層底板曲面的三維建模，然后就是斷層曲面的三維建模。斷層面的構(gòu)建至少有下面兩種方：方法一就是將上下各煤層底板曲面上的相同的斷面交線連接起來作為骨架線，然后以這些骨架線為基礎(chǔ)構(gòu)建斷層曲面，如圖11所示。

圖11 以上、下三個煤層的斷面交線構(gòu)建的斷層面(三維圖)Figure 11 Fault curved surface constructed by fault lines of three coal seam floors (stereo)

方法二就是將不同勘探線剖面圖上編號相同的斷面交線作為骨架線，構(gòu)建斷層面，如圖12所示。

圖12 以相鄰勘探線剖面上同一斷層編號的斷面交線做骨架線構(gòu)建斷層面(三維圖)Figure 12 Fault lines of same fault code on adjacent sections used as skeleton lines to construct fault curved surface (stereo)

可用樣條曲線對由剖面斷面交線作為骨架線構(gòu)建的斷層面進行光滑處理，如圖13、圖14所示。

圖13 樣條曲線光滑處理后的相鄰勘探線剖面斷面交線做骨架線構(gòu)建斷層曲面(三維圖)Figure 13 Fault curved surface construction through smooth processing for fault surface mode by fault line as skeleton in the adjacent sections (stereo)

圖14 煤層底板曲面、斷層面與三維剖面(三維圖)Figure 14 Coal floor curved surface,fault curved surface and 3D section (stereo)

6 煤層與巖層體的構(gòu)建

沒有完成煤層與地層體的構(gòu)建，就不能算真正的三維地質(zhì)模型。煤層體的構(gòu)建需頂、底板曲面再加上側(cè)環(huán)面。

6.1 煤層頂板曲面的構(gòu)建

地質(zhì)報告的圖件中一般都沒有煤層頂板等高線圖，但是有各煤層厚度等厚線圖。煤層頂板曲面的構(gòu)建方法就可以用煤層底板曲面再加上煤層厚度等值圖所代表的煤層厚度，再加上鉆孔中的煤層頂板采樣點坐標，這是因為煤層厚度等值線圖的等值線遠煤層底板等高線圖的等高線稀疏，因而其對煤層頂板的形狀控制要低，需要增加鉆孔、坑探、井下等一切可能的煤層頂板形態(tài)控制采樣點。當(dāng)然在構(gòu)建煤層底板曲面的時候也可以加上這些底板形狀控制采樣點。

6.2 煤層體側(cè)環(huán)面的構(gòu)建

煤層體的側(cè)環(huán)面是由煤層頂板曲面邊界環(huán)、底板曲面邊界環(huán)上的采樣點上下相連而成。即煤層側(cè)環(huán)面是由斷層面的一部分+勘探區(qū)邊界垂直下切面的一部分+頂?shù)装鍩o煤區(qū)邊界相連面+煤層尖滅線等復(fù)雜的曲面成分構(gòu)成。煤層側(cè)環(huán)面在煤層尖滅處就退化為煤層尖滅線。

煤層的頂、底板曲面再加上側(cè)環(huán)面就構(gòu)成矢量化的煤層體的邊界曲面。

地層體的構(gòu)建方法與煤層體的構(gòu)建方法類似。地層體的分層粗細以與勘探線剖面圖上的分層一致比較合適。

7 建議

當(dāng)前的煤炭地質(zhì)勘探報告編寫規(guī)范中并沒有要求必須提交三維地質(zhì)模型[14-15]，因此在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，三維地質(zhì)建模對煤炭地質(zhì)勘探仍然是“錦上添花”的事。但是，不可否認的是煤炭勘探區(qū)的三維地質(zhì)模型是有具巨大使用價值的好東西。為美好的事物進行技術(shù)準備總是不會錯的。按當(dāng)前的規(guī)范提交的地質(zhì)報告將來總是要進行三維地質(zhì)建模的。因此，建議進行電子版?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)報告圖件編制時，除了考慮滿足當(dāng)前地質(zhì)報告編寫規(guī)范外，還應(yīng)盡可能的照顧到將來三維地質(zhì)建模的需求。具體建議如下。

1)等高線、斷面交線能不打斷盡量不要打斷?？梢圆捎玫雀呔€標注圖層(設(shè)置為不透明)壓在等高線圖層之上的方法，使得等高線標注美觀，但又不需要打斷等高線。

2)在等高線與斷面交線、無煤區(qū)邊界線等限定線交接處應(yīng)盡量避免“未及”與“過伸”。在斷面交線的“過伸”可能導(dǎo)致錯誤。如圖15由于左上角等高線的“過伸”會導(dǎo)致軟件將其判斷為逆斷層，但結(jié)合該斷層其它處的等高線，該斷層實際上是正斷層。

圖15 等高線“過伸”導(dǎo)致斷層可能被誤判為逆斷層(平面圖)Figure 15 Contour “overshot”caused fault may be misjudged as reverse fault (plan)

3)避免出現(xiàn)等高線跨越斷層，如圖16所示。這種情形按傳統(tǒng)地質(zhì)報告的要求也是錯誤的。

圖16 不應(yīng)跨越斷層的等高線(平面圖)Figure 16 Contour should not cross the fault line (plan)

4)應(yīng)持續(xù)地扶持煤炭勘探三維地質(zhì)建模軟件的研發(fā)與應(yīng)用。三維地質(zhì)建模軟件用于煤炭勘探，不僅能生成能為煤礦設(shè)計、建設(shè)帶來益處的礦區(qū)三維地質(zhì)模型，而且能提高煤炭地質(zhì)勘探成果的精準度，為勘探工作自身帶來好處。