基于C# 的FLAC3D到Surpac三維地質數據轉換

柴福山， 陳建平， 徐　斌

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京100083)

基于C# 的FLAC3D到Surpac三維地質數據轉換

柴福山1,2， 陳建平1,2， 徐斌1,2

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京100083)

摘要：將FLAC3D和Surpac應用于正演成礦模擬和反演預測評價來實現礦產資源的聯合評價是找尋隱伏礦體的一種新思路。FLAC3D和Surpac的存儲方式和數據結構有很大不同,為了使FLAC3D正演模擬的結果能導入Surpac中進行聯合評價，采用C# 語言實現了FLAC3D的模擬數據(TXT數據)向Surpac的CSV數據轉換。實驗表明，此轉換方法能夠簡單快速地將FLAC3D的模擬結果轉移到Surpac軟件中，具有較高的實用性。

關鍵詞：C#語言；FLAC3D軟件；Surpac軟件；數據轉換；云南個舊

中圖分類號：P628+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0491-04

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-06-18；編輯：蔣艷

基金項目：國土資源部公益性行業科研專項(201011002),中國地質調查局地質礦產評價專項(12120113091100)

作者簡介：柴福山(1988—)，男，碩士研究生，地質工程專業, E-mail：fushan@cugb.edu.cn

0引言

計算機的快速發展對地球科學的推動作用，以及地學定量化、數字化和信息化的自身需求，地學模擬技術有了巨大的提升(呂鵬等，2011)。對隱伏礦體的模擬和再現，探討其動力學機制，是當前地質工作者感興趣的課題之一。到目前為止，可以通過物理方法和數學方法來對隱伏礦體進行模擬。但是，物理模擬方法成本較高，而且對地質演化的空間規模以及時間規模難以控制。鑒于這些局限性，數值模擬方法越來越受到重視。很多國內外研究傳統構造地質學、大地構造學和成礦學等領域的專家先后在地學數值模擬方面做過大量研究，例如Bruce Hobbs(澳大利亞)、Neil Mancktelow(瑞士)、Paul Williams(加拿大)、Cee Pashan(德國)、England Houseman(英國)等。到20世紀80年代末，我國才開始將FLAC應用于巖土工程地質力學分析，也就是在這個時候，FLAC才開始在地質學方面得到應用，并且取得了一定的應用成果(謝和平等，1999；龔紀文等，2002；楊立強等，2003)。

在隱伏礦體的預測評價中，基于成礦地質過程模擬，通過剖析礦床成因，總結規律來進行成礦預測的方法，是與礦床成礦過程相一致的預測評價過程，稱為正演成礦模擬；利用數學模型對指示礦床存在的地質特征(地層、巖體、斷裂、地球物理異常、地球化學異常等)進行綜合分析，計算找礦有利度的隱伏礦成礦預測評價方法，是在尋求已有成礦事實的基礎上反推成礦過程的預測評價過程，稱為反演預測評價。基于FLAC3D在巖石三維結構受力特性模擬和塑性流動方面的優勢，在正演成礦模擬中一般采用FLAC3D軟件。前人已經做過大量從GOCAD等轉換到FLAC3D的研究(趙鵬飛等,2012)，但尚未見進行反向轉換的報道，因為需要二次開發程序來實現。依托C#語言為平臺，依據最近鄰域插值算法實現了FLAC3D的模擬數據向Surpac的CSV數據轉換。通過此轉換方法，能夠快速將FLAC3D的模擬結果轉移到Surpac軟件中進行資源預測評價。

最近鄰域插值算法是經典插值算法中最為簡單的算法(馬書紅，2014)，它以歐氏距離為基礎，適合快速處理大量空間數據。此方法在醫學、圖像去噪、傳感器模式識別等方面得到了很好的應用，所以使用這種方法來轉換數據。

1FLAC3D軟件和Surpac軟件

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國Itasca公司開發的一套仿真計算軟件。它是二維的有限差分程序FLAC2D的拓展，能進行三維結構的受力特性模擬和塑性流動分析，更適用于連續多孔介質的變形、傳熱和流體的模擬。在地學領域的應用主要包括：流體在巖石中的運移規律、斷裂-流體耦合及空間分布、成礦流體-壓力模型等(蔣春明，2012；李小雙等，2013；李利東等，2014)。

Surpac軟件由澳大利亞Gemcom公司開發，在礦業領域處于國際領先水平，被廣泛應用于資源評估、礦山開采、地質測量等方面。它擁有一整套三維立體建模和三維圖形顯示等工具，完全集成的圖形模塊是其核心內容，是建立復雜的地質模型方便、快捷、有效的平臺。軟件系統采用模塊化集成，包含數十個可選的功能模塊，涵蓋礦山的各個應用，并有TCL二次開發平臺，提供面向礦山的三維可視化展示。

由資料可知(羅周全等，2008)，FLAC3D軟件在三維實體建模和劃分網絡單元方面稍有不足，而Surpac強大的復雜地質建模和三維可視化功能正好彌補了FLAC3D的缺陷(王銀秀等，2014；王巧云等，2014)。所以在礦產勘查中，經常將這2個軟件結合起來進行成礦資源預測評價。

2技術實現

如何將正演成礦模擬的結果(TXT文件)快速準確地導入到Surpac中進行可視化顯示，具有重要的意義。對FLAC3D的正演模擬數據的結構和Surpac軟件讀取數據的特點進行分析，發現二者的數據結構和存儲方式有很大的不同，因此，根據二者的存儲方式和空間結構的不同確定轉換算法，選擇合適的數據結構來實現編程。數據轉換流程圖如圖1。

圖1　數據轉換流程Fig.1　Flow chart of data conversion

在將FLAC3D的正演模擬結果轉換到Surpac軟件的程序中，數據來源于FLAC3D的文本文件(TXT文件)和Surpac的CSV文件。通過FLAC3D提供的命令來輸出塊體的空間位置和模擬結果值，即可得到網格的ID(塊體編號)、x(塊體在X軸上的坐標)、y(塊體在Y軸上的坐標)、z(塊體在Z軸上的坐標)以及模擬結果(如Zone Pore Pressures，孔隙壓力值)等數據；在Surpac中能直接導出塊體成CSV文件，CSV(Comma Separated Value)是逗號分隔值，有時也叫字符分隔值，其文件以純文本形式存儲表格數據，最廣泛的應用是在程序之間轉移表格數據。Surpac的塊體數據結構為：

xyzsize(x)size(y)size(z)屬性

其中，x、y、z為塊體單位的中心點坐標，size(x)、size(y)、size(z)分別代表塊體單元在X、Y、Z方向上的長度，其余項為塊體單元的屬性。

在數據轉換的過程中，通常存在如下一種情況：FLAC3D軟件中網格大小與Surpac軟件中塊體模型的尺寸并不一樣大，無法直接按塊體賦值。為此，研究其數據特點，通過三維空間坐標的方法對這些數據進行重組，從而計算獲取Surpac塊體在FLAC3D中所對應的數據。具體計算步驟如下。

(1) 讀取FLAC3D數據，根據其質心計算塊體X、Y、Z方向的索引號，并將此索引號和對應的模擬結果存儲到數據字典中。計算方法如下。

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中，dx、dy、dz分別是FLAC3D塊體的三維坐標，minXbound、minYbound、minZbound分別是在FLAC3D中X、Y、Z方向的整個模型的最小邊界值，Xlength、Ylength、Zlength分別是FLAC3D單個塊體在X、Y、Z方向上的長度，其空間關系如圖2。

圖2　空間關系圖Fig.2　Diagram showing spatial relationship

(2) 根據Surpac塊體的三維質心坐標采用式(1)—(3)來計算此塊體在FLAC3D中所對應的索引號。

(3) 在以上2個數據的基礎上，通過塊體的索引號，建立二者的關聯，取得塊體的模擬結果。

3應用實例

以云南個舊錫礦卡房礦田新山勘查區為研究對象，進行正反演聯合評價。個舊是我國最大的錫礦床，也是世界上最早的產錫基地，卡房礦田新山勘查區位于個舊礦的西南部，是個舊五大礦田之一，基礎地質資料非常豐富。一方面，建立研究區實體模型，對地、物、化、遙等信息進行定量化分析，應用“立方體預測方法”，采用證據權法進行找礦有力度的計算，進行反演成礦預測，圈定找礦靶區；另一方面，采用FLAC3D中進行正演成礦數值模擬，得到模擬結果。最后將正反演結果導入Surpac中進行三維可視化顯示。將FLAC3D正演模擬結果導入到Surpac中的展示效果如圖3、圖4所示。

圖3　FlAC3D正演模擬結果Fig.3　Forward simulation results of FLAC3D

圖4　FLAC3D導入Surpac后的顯示效果Fig.4　Display effect of FLAC3D after exporting Surpac

通過圖3、圖4對比可以看出，FLAC3D中的顯示效果與FLAC3D正演模擬結果基本相同，但由于二者的顯示方式不同，顯示效果稍有差別。這主要是由以下2個方面的原因引起：(1) 在數據轉換的過程中，受計算機的性能的影響，FLAC3D和Surpac中塊體的總范圍要適中，不能一個范圍遠遠大于另一個范圍；(2) 數據轉換過程中沒有涉及到插值，所以顯示的時候，二者有稍微差別。總體來看，這種轉換方法簡單、可行、有效。

4結論

FLAC3D軟件在數值模擬中具有獨特的優勢，但在三維實體建模和劃分網絡單元方面稍有不足，Surpac強大的復雜地質建模和三維可視化功能正好彌補了FLAC3D的缺陷。在隱伏礦體的預測評價中，將FLAC3D和Surpac應用于正演成礦模擬和反演預測評價來實現礦產資源的正反演聯合評價。為了實現正反演的聯合評價，先把FLAC3D的數據保存到TXT文件中，再將其導入到Surpac的CSV文件中。通過轉換程序，生成1個新的帶模擬結果的CSV文件，完成了FLAC3D的模擬數據(TXT數據)向Surpac的CSV數據轉換。這種方法解決了這2種軟件之間數據的單獨性，為正反演的聯合評價提供了數據基礎。從轉換結果可以看出，雖然在某些地方出現了一定的誤差，但總體上來看，轉換后的趨勢與FLAC3D中的趨勢基本一樣，表明此轉換方法簡單可行，具有較高的實用性。

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Three-dimensionalgeologicaldataconversionfromFLAC3DtoSurpacbasedonC#

CHAIFu-shan1,2,CHENJian-ping1,2,XUBin1,2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China； 2.KeyLaboratoryofDevelopmentandResearchforLandResourcesInformationinBeijing,Beijing100083,China)

Abstract：A combined evaluation of mineral resources by using FLAC3D software in forward metallogenic modeling and using Surpac software in inversion prediction evaluation is a new idea in searching for concealed ore bodies. The data format and data storage of FLAC3D are very different from those of Surpac. In order to import the data of forward mineralization simulation from FLAC3D into Surpac for a combined research, this study used C# to realize the data conversion from simulated data (TXT format) in FLAC3D to CSV data in Surpac. Experiments show that the conversion method can rapidly and accurately export the simulation of FLAC3D to the Surpac software.

Keywords：C#; FLAC3D software; Surpac software; data conversion; Gejiu in Yunnan