面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維模型構(gòu)建研究

景 瑞，于旭庭，李冠良，李 夢(mèng)，馬駿歡

(1.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西 大同 037003；2.山西省自然資源確權(quán)登記中心，山西 太原 030024；3.北京新興華安智慧科技有限公司，北京 100070)

“推動(dòng)建立歸屬清晰、權(quán)責(zé)明確、保護(hù)嚴(yán)格、流轉(zhuǎn)順暢、監(jiān)管有效的自然資源資產(chǎn)產(chǎn)權(quán)制度”[1]是開(kāi)展包括探明儲(chǔ)量的礦產(chǎn)資源在內(nèi)的自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記工作的總體目標(biāo)。在明確各級(jí)政府直接或代理行使所有權(quán)的自然資源清單的基礎(chǔ)上，劃清自然資源所有權(quán)邊界，著力解決自然資源所有者不到位、所有權(quán)邊界模糊等問(wèn)題是自然資源確權(quán)登記工作的核心。而礦產(chǎn)資源因其不可視化導(dǎo)致其所有權(quán)邊界不清，如何清晰界定及表達(dá)固體礦產(chǎn)資源及權(quán)屬邊界是本文的重要工作。

利用地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)遙感等礦產(chǎn)勘查信息，應(yīng)用三維建模、可視化等信息化技術(shù)，進(jìn)行礦體圈定和三維形態(tài)反演，建立以三維模型表示的礦產(chǎn)資源立體邊界，正成為現(xiàn)代化數(shù)字礦山建設(shè)的重要內(nèi)容。一些學(xué)者對(duì)礦產(chǎn)資源三維模型構(gòu)建涉及的數(shù)據(jù)組織、技術(shù)方法、礦體圈定流程、儲(chǔ)量估算等進(jìn)行了有益探索[2-11]。這些實(shí)踐和研究大多著眼于安全高效開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益、管理效能，更加注重礦產(chǎn)資源“物”的立體邊界建模和儲(chǔ)量估算。按照自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記制度要求，開(kāi)展探明儲(chǔ)量的礦產(chǎn)資源確權(quán)登記，礦產(chǎn)資源三維模型不僅是“物”的邊界，也是“權(quán)利”邊界。面向確權(quán)登記的礦產(chǎn)三維模型構(gòu)建，還需要在前述已有實(shí)踐和研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入探索能夠彰顯以“權(quán)”為要義的制度目標(biāo)、降低三維建模工作技術(shù)門(mén)檻、合理把握成本效益平衡的礦體三維模型建模方法。

1 面向確權(quán)登記的礦產(chǎn)資源三維模型必要性分析

礦產(chǎn)資源確權(quán)登記相對(duì)于其他水林草濕自然資源確權(quán)登記具有其獨(dú)特性，如何有效表達(dá)礦產(chǎn)資源與地表資源空間關(guān)系，如何體現(xiàn)地下礦產(chǎn)資源的資源邊界和權(quán)屬邊界等都是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)諸多學(xué)者的研究分析發(fā)現(xiàn)，引入礦產(chǎn)資源三維建模技術(shù)可有效解決礦產(chǎn)資源確權(quán)登記中的諸多問(wèn)題。

1) 礦產(chǎn)資源作為一類(lèi)特殊的自然資源，在標(biāo)識(shí)資源邊界方式上，與水(這里特指地表水)林草濕等自然資源不盡相同。附著在土地表面的水林草濕用其所在土地的平面界址、界線就可以基本上清楚界定資源邊界和權(quán)屬邊界；賦存于地殼內(nèi)部或地表、埋藏于地下或出露于地表的礦產(chǎn)資源，本源上就是以體的形態(tài)存在的，其地表投影坐標(biāo)可以較為準(zhǔn)確地表示其水平位置，其標(biāo)高信息也可以粗略表示其垂直分布，但以投影位置和標(biāo)高信息刻畫(huà)礦產(chǎn)資源所有權(quán)權(quán)屬邊界，其準(zhǔn)確性是難以支撐定紛止?fàn)幍姆勺饔冒l(fā)揮的。礦產(chǎn)資源確權(quán)登記工作需清晰界定礦產(chǎn)資源及權(quán)屬現(xiàn)狀，僅依據(jù)現(xiàn)有二維空間數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源中的“物體”與“權(quán)屬”雙界界定、“資源”與“資產(chǎn)”雙體空間表達(dá)、“物質(zhì)”與“空間”統(tǒng)一管理。

礦產(chǎn)資源三維建模主要用于地質(zhì)找礦、儲(chǔ)量估算及礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分析等方面[2-4,6-11]，其能較好地表達(dá)礦產(chǎn)資源邊界狀態(tài)，將其應(yīng)用于礦產(chǎn)資源確權(quán)登記工作將在實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源三維表達(dá)的基礎(chǔ)上，有效體現(xiàn)礦產(chǎn)資源權(quán)屬邊界界定，為確權(quán)登記中劃清“四條邊界”任務(wù)實(shí)現(xiàn)提供可能。

2) 礦體三維模型一般意義上是表示礦體的空間形態(tài)、產(chǎn)狀以及成礦地質(zhì)條件，按一定比例編制或在計(jì)算機(jī)上建立起同礦體實(shí)物相似的礦體立體模型。該模型能較形象而完善地表現(xiàn)礦體特征，揭示礦體的空間形態(tài)、品位分布等規(guī)律，目的是輔助研究礦床形成機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，具有直觀和高度概括的特點(diǎn)。以往的礦產(chǎn)三維建模存在建模成本高、建模周期長(zhǎng)、精度要求高等特點(diǎn)，相較而言，礦產(chǎn)資源確權(quán)登記對(duì)建模精度要求相對(duì)較低，但對(duì)建模周期及建模成本具有較高要求，故傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源三維建模方法難以直接應(yīng)用。因此，研究形成面向確權(quán)登記的礦產(chǎn)資源三維建模方法無(wú)論是對(duì)礦產(chǎn)資源確權(quán)登記工作開(kāi)展還是對(duì)礦產(chǎn)資源三維建模方法的應(yīng)用都具有重要意義。

2 面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維模型構(gòu)建需求

面向確權(quán)登記的礦產(chǎn)資源三維模型構(gòu)建應(yīng)以滿(mǎn)足確權(quán)登記制度的要求為根本，它并不完全等同于以“輔助研究礦床形成機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)礦山設(shè)計(jì)與生產(chǎn)”為目的的礦產(chǎn)資源三維模型構(gòu)建，其主要關(guān)注點(diǎn)應(yīng)是礦體表面，而不是礦體內(nèi)部的模型化。

2.1 與重要程度和資料水準(zhǔn)相當(dāng)?shù)哪Ｐ途?/h3>

基于成本效益原則，面向確權(quán)登記的礦體資源三維模型構(gòu)建，原則上應(yīng)以少量增加地質(zhì)工程測(cè)量工作為前提，主要是利用現(xiàn)有法定資料進(jìn)行技術(shù)處理。所形成的模型精度應(yīng)與相應(yīng)礦產(chǎn)資源的重要程度和可利用基礎(chǔ)資料的水準(zhǔn)相當(dāng)，模型的空間范圍不得小于基于基礎(chǔ)資料所能確定的礦體空間范圍。

2.2 構(gòu)建過(guò)程應(yīng)盡量簡(jiǎn)化和自動(dòng)化

面向確權(quán)登記的礦體三維建模不追求在圈礦范圍以及儲(chǔ)量計(jì)算上的高精度，建模過(guò)程應(yīng)以模型滿(mǎn)足確權(quán)登記制度要求為前提，盡量去掉與確權(quán)登記需求關(guān)系不大的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)(如礦體內(nèi)斷層、夾石的處理等)，盡量簡(jiǎn)化操作，盡量形成規(guī)則可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，盡量降低對(duì)操作人員的地質(zhì)專(zhuān)業(yè)要求。

2.3 支持已有數(shù)字礦山成果集成

部分礦山企業(yè)已開(kāi)展了數(shù)字化礦山建設(shè)，并根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)特征和勘查現(xiàn)狀建成了三維地質(zhì)模型[12]，雖然在部分邊界位置采用了一定的推測(cè)算法，但較大程度還原了各礦體的實(shí)際形態(tài)，隨著勘查程度的不斷推進(jìn)，礦體模型也在持續(xù)完善。對(duì)已有數(shù)字礦山成果的集成能夠在礦產(chǎn)資源確權(quán)登記過(guò)程中繼續(xù)發(fā)揮其效用，劃清礦產(chǎn)資源“物體”與“權(quán)屬”雙邊界。

3 面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維建模方法研究與實(shí)踐

本文基于確權(quán)登記礦體三維模型建立的必要性和構(gòu)建需求，遵循礦體三維模型構(gòu)建的基本原理，依托山西省礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量三維立體調(diào)查登記試點(diǎn)項(xiàng)目[13]，結(jié)合貴州省、福建省自然資源(礦產(chǎn))統(tǒng)一確權(quán)登記試點(diǎn)在三維建模方面的有益做法，在分析山西省現(xiàn)有固體礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)資料現(xiàn)狀、礦山數(shù)字化建設(shè)成效的基礎(chǔ)上，以山西省屯蘭井田煤礦、王坡井田煤礦、奧家灣鋁土礦、賀家圪臺(tái)鋁土礦、袁家村鐵礦5個(gè)礦區(qū)涉及的煤礦、鋁土礦、鐵礦、黏土礦為研究對(duì)象，參照相關(guān)研究與實(shí)踐[2-12,14-15]，以模型精細(xì)度與產(chǎn)權(quán)保護(hù)重要性相當(dāng)、現(xiàn)有資料可基本滿(mǎn)足、成本效益基本均衡、適應(yīng)各種構(gòu)造類(lèi)型、建模操作盡量簡(jiǎn)化為原則，經(jīng)多次探討、反復(fù)論證，研究選定了由簡(jiǎn)到繁、由粗到細(xì)的簡(jiǎn)單法、剖面法、統(tǒng)計(jì)學(xué)三種固體礦產(chǎn)三維建模方法(圖1)，并基于建模過(guò)程研制了快速三維礦產(chǎn)模型構(gòu)建軟件——F3DR(圖2)，根據(jù)礦體形態(tài)、數(shù)據(jù)資料收集程度選用合適的建模方式，通過(guò)機(jī)器輔助、人工參與、流程化作業(yè)的方式快速完成固體礦產(chǎn)資源三維建模。

圖1 面向確權(quán)登記的礦體三維模型構(gòu)建方法Fig.1 Construction methods of three-dimensional model of ore body for rights verification and registration

圖2 快速三維礦產(chǎn)模型構(gòu)建軟件——F3DRFig.2 Fast 3D mineral model building software——F3DR

3.1 建模過(guò)程與實(shí)踐

3.1.1 簡(jiǎn)單法建模

簡(jiǎn)單法建模適用于呈層狀、似層狀、板狀形態(tài)等構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的固體礦產(chǎn)資源或斷裂構(gòu)造、采空區(qū)等三維模型構(gòu)建，主要依據(jù)頂/底板等高線以及鉆孔中的有效礦體厚度，或縱投影/水平投影/傾斜投影及傾角演算出礦體三維模型。簡(jiǎn)單法建模使用F3DR軟件自動(dòng)構(gòu)建，基本無(wú)需人工操作，研究區(qū)中王坡井田煤礦、屯蘭井田煤礦、奧家灣鋁土礦、賀家圪臺(tái)鋁土礦(圖3)均適用此方法，能夠較好地刻畫(huà)礦體實(shí)際形態(tài)與邊界。

圖3 賀家圪臺(tái)鋁土礦簡(jiǎn)單法建模示例Fig.3 Simple modeling example of Hejia Getai bauxite mine

3.1.2 剖面法建模

剖面法建模適用于現(xiàn)有礦區(qū)剖面數(shù)據(jù)豐富，能夠很好地刻畫(huà)出礦體形態(tài)的情況。剖面建模法要求剖面內(nèi)含有礦體輪廓線，且輪廓線封閉，拓?fù)錈o(wú)問(wèn)題[2-3]。利用F3DR軟件，通過(guò)單點(diǎn)定位或兩點(diǎn)定位，將剖面數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到三維空間，在三維可視化界面，按照工程控制網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀信息，進(jìn)行各個(gè)剖面間的礦體輪廓線快速連接[13]，邊緣處結(jié)合平推、尖推等實(shí)現(xiàn)礦體三維模型構(gòu)建。剖面法建模需要簡(jiǎn)單人工操作，研究區(qū)中奧家灣鋁土礦(圖4)適用此方式。對(duì)奧家灣鋁土礦進(jìn)行簡(jiǎn)單法建模、剖面法建模對(duì)比，驗(yàn)證出層狀、似層狀、板狀礦體更適合簡(jiǎn)單法建模，且經(jīng)濟(jì)效益更高。

圖4 奧家灣鋁土礦礦體模型Fig.4 Ore body model of Aojiawan bauxite mine

3.1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)建模

統(tǒng)計(jì)學(xué)建模適用于面對(duì)復(fù)雜礦體，需要借助探礦工程中的鉆孔及品位信息進(jìn)行三維立體模型圈定的情況。基于“位置表”“形態(tài)表”“采樣信息表”數(shù)據(jù)，按照指定的勘探線方向和距離等參數(shù)，生成剖面數(shù)據(jù)，按照“邊界品位”圈定不同剖面下的礦體輪廓(圖5)，將各封閉輪廓進(jìn)行曲面構(gòu)建，最終將兩側(cè)開(kāi)放的曲面生成閉合的曲面，曲面所包圍的空間即為礦體三維模型[7]。統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法可用于所有已開(kāi)展地質(zhì)工作的礦區(qū)，研究區(qū)內(nèi)袁家村鐵礦適用此方法(圖6)。統(tǒng)計(jì)法建模雖然能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)礦體邊界，但建模過(guò)程復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)性要求較高、耗時(shí)長(zhǎng)投入大，面向確權(quán)登記的整體推廣價(jià)值較低，建議僅針對(duì)有需要的礦區(qū)使用。

圖5 礦體輪廓圈定Fig.5 Circle the ore body profile

圖6 袁家村鐵礦統(tǒng)計(jì)學(xué)建模示例Fig.6 Statistical modeling example of Yuanjiacun iron mine

3.2 建模方法對(duì)比分析

本研究所形成的固體礦產(chǎn)資源三維建模與傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源建模方法存在一定差異，具體分析如下所述。

1) 在建模路線方面，與應(yīng)用于礦山生產(chǎn)的三維建模對(duì)比而言，面向確權(quán)登記建模方法充分利用已有數(shù)據(jù)，在保證建模精度滿(mǎn)足礦產(chǎn)資源確權(quán)登記需求的前提下，降低了精度要求，深入融合自動(dòng)化、程序化建模流程，形成了快速高效構(gòu)建模型的技術(shù)路線。

2) 在建模工具方面，面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維建模充分采用信息化技術(shù)，將繁瑣復(fù)雜的建模參數(shù)內(nèi)置到軟件中，同時(shí)給出大量默認(rèn)推薦值，形成了可應(yīng)用于不同場(chǎng)景的F3DR軟件，相較于傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源建模軟件更具有普適性，為礦產(chǎn)資源確權(quán)登記全面鋪開(kāi)提供工具支持。

3) 在建模成本方面，傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源三維建模成本高達(dá)幾十萬(wàn)元，而本文所形成的面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維建模成本在幾千元至幾萬(wàn)元，其更適合應(yīng)用于礦產(chǎn)資源確權(quán)登記等類(lèi)似行業(yè)。

3.3 建模成效評(píng)估

表1從所需基礎(chǔ)資料、適宜礦種、礦產(chǎn)資源重要程度、模型精度、工作量投入、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)技能要求等方面總結(jié)了各種建模方法的特點(diǎn)，以此作為對(duì)特定礦體選用建模方法的主要依據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情況一定程度上代表了礦體的重要程度、建模精度，為了滿(mǎn)足快速登記的需要，應(yīng)從所收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入手，制定適宜的建模辦法，利用F3DR快速完成建模工作，以支撐礦產(chǎn)資源三維立體登記。

表1 面向確權(quán)登記的固體礦產(chǎn)資源三維建模方法對(duì)比Table 1 Comparison of solid mineral 3D modeling methods for rights verification and registration

通過(guò)基于5個(gè)試點(diǎn)礦區(qū)的研究，得出以下結(jié)論：對(duì)于層狀沉積礦產(chǎn)(煤、鋁土礦等)礦體頂?shù)装宓鹊雀呔€較齊全的礦種，可以使用厚度+底板等高線法、頂板/底板等高線法，快速建立面向確權(quán)登記的礦體三維模型；對(duì)于僅存于儲(chǔ)量估算投影圖以及相關(guān)資料的老舊礦山，可以使用二維投影塊段法構(gòu)建數(shù)字化礦體三維模型；對(duì)于變質(zhì)類(lèi)礦產(chǎn)礦體形態(tài)變化較大的，且已有較為豐富的地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)資料的礦種，可以使用剖面建模法[15]；對(duì)于已有數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)的礦山，可以直接集成或在對(duì)現(xiàn)有資料適度調(diào)整的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)建模法建立礦體三維模型。

4 結(jié) 語(yǔ)

面向確權(quán)登記的礦體三維模型發(fā)揮著礦體“物”邊界與國(guó)家所有權(quán)的“權(quán)”邊界兩種邊界的雙重角色作用，是“權(quán)利客體”與“權(quán)屬空間”的統(tǒng)一。它與以礦物機(jī)理研究、礦產(chǎn)資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)管理為目的的礦產(chǎn)資源三維模型相比，具有類(lèi)似但不完全一樣的業(yè)務(wù)需求。筆者認(rèn)為，前者應(yīng)該是面向確權(quán)登記制度的需要而對(duì)后者的適度簡(jiǎn)化。

通過(guò)本次研究，面向從立體上清楚界定礦產(chǎn)資源所有權(quán)空間界線為基本目標(biāo)，綜合考慮時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度、推廣價(jià)值等因素，最終選定了適合不同賦存形態(tài)的固體礦產(chǎn)的3種礦體三維建模方法，并配套研制了適宜的快速三維礦產(chǎn)模型構(gòu)建軟件，通過(guò)空間關(guān)系，將三維建模成果與二維調(diào)查成果緊密銜接，實(shí)現(xiàn)地下礦產(chǎn)資源與地表山水林田湖草之間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，為礦產(chǎn)資源確權(quán)登記由二維向三維擴(kuò)展、平面向立體轉(zhuǎn)換提供技術(shù)支撐。受時(shí)間、地點(diǎn)、條件的限制，本研究尚存在一定的局限性如試點(diǎn)礦種偏少、試點(diǎn)區(qū)域集中在北部等問(wèn)題，筆者將在后續(xù)工作中，針對(duì)其建模方法、軟件平臺(tái)進(jìn)一步加強(qiáng)、完善、優(yōu)化。