柴福山， 陳建平， 徐　斌

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

基于C# 的FLAC3D到Surpac三維地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

柴福山1,2， 陳建平1,2， 徐斌1,2

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

摘要：將FLAC3D和Surpac應(yīng)用于正演成礦模擬和反演預(yù)測評價來實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的聯(lián)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有很大不同,為了使FLAC3D正演模擬的結(jié)果能導(dǎo)入Surpac中進(jìn)行聯(lián)合評價，采用C# 語言實現(xiàn)了FLAC3D的模擬數(shù)據(jù)(TXT數(shù)據(jù))向Surpac的CSV數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。實驗表明，此轉(zhuǎn)換方法能夠簡單快速地將FLAC3D的模擬結(jié)果轉(zhuǎn)移到Surpac軟件中，具有較高的實用性。

關(guān)鍵詞：C#語言；FLAC3D軟件；Surpac軟件；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；云南個舊

中圖分類號：P628+.3

文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)科研專項(201011002),中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)評價專項(12120113091100)

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

0引言

計算機(jī)的快速發(fā)展對地球科學(xué)的推動作用，以及地學(xué)定量化、數(shù)字化和信息化的自身需求，地學(xué)模擬技術(shù)有了巨大的提升(呂鵬等，2011)。對隱伏礦體的模擬和再現(xiàn)，探討其動力學(xué)機(jī)制，是當(dāng)前地質(zhì)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(shù)學(xué)方法來對隱伏礦體進(jìn)行模擬。但是，物理模擬方法成本較高，而且對地質(zhì)演化的空間規(guī)模以及時間規(guī)模難以控制。鑒于這些局限性，數(shù)值模擬方法越來越受到重視。很多國內(nèi)外研究傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)和成礦學(xué)等領(lǐng)域的專家先后在地學(xué)數(shù)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(jì)80年代末，我國才開始將FLAC應(yīng)用于巖土工程地質(zhì)力學(xué)分析，也就是在這個時候，F(xiàn)LAC才開始在地質(zhì)學(xué)方面得到應(yīng)用，并且取得了一定的應(yīng)用成果(謝和平等，1999；龔紀(jì)文等，2002；楊立強(qiáng)等，2003)。

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

最近鄰域插值算法是經(jīng)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(chǔ)，適合快速處理大量空間數(shù)據(jù)。此方法在醫(yī)學(xué)、圖像去噪、傳感器模式識別等方面得到了很好的應(yīng)用，所以使用這種方法來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

1FLAC3D軟件和Surpac軟件

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國Itasca公司開發(fā)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(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的受力特性模擬和塑性流動分析，更適用于連續(xù)多孔介質(zhì)的變形、傳熱和流體的模擬。在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：流體在巖石中的運移規(guī)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(fā)，在礦業(yè)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，被廣泛應(yīng)用于資源評估、礦山開采、地質(zhì)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(nèi)容，是建立復(fù)雜的地質(zhì)模型方便、快捷、有效的平臺。軟件系統(tǒng)采用模塊化集成，包含數(shù)十個可選的功能模塊，涵蓋礦山的各個應(yīng)用，并有TCL二次開發(fā)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)，F(xiàn)LAC3D軟件在三維實體建模和劃分網(wǎng)絡(luò)單元方面稍有不足，而Surpac強(qiáng)大的復(fù)雜地質(zhì)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(chǎn)勘查中，經(jīng)常將這2個軟件結(jié)合起來進(jìn)行成礦資源預(yù)測評價。

2技術(shù)實現(xiàn)

如何將正演成礦模擬的結(jié)果(TXT文件)快速準(zhǔn)確地導(dǎo)入到Surpac中進(jìn)行可視化顯示，具有重要的意義。對FLAC3D的正演模擬數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和Surpac軟件讀取數(shù)據(jù)的特點進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲方式有很大的不同，因此，根據(jù)二者的存儲方式和空間結(jié)構(gòu)的不同確定轉(zhuǎn)換算法，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)編程。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖如圖1。

圖1　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.1　Flow chart of data conversion

在將FLAC3D的正演模擬結(jié)果轉(zhuǎn)換到Surpac軟件的程序中，數(shù)據(jù)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(jié)果值，即可得到網(wǎng)格的ID(塊體編號)、x(塊體在X軸上的坐標(biāo))、y(塊體在Y軸上的坐標(biāo))、z(塊體在Z軸上的坐標(biāo))以及模擬結(jié)果(如Zone Pore Pressures，孔隙壓力值)等數(shù)據(jù)；在Surpac中能直接導(dǎo)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(shù)據(jù)，最廣泛的應(yīng)用是在程序之間轉(zhuǎn)移表格數(shù)據(jù)。Surpac的塊體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(biāo)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，通常存在如下一種情況：FLAC3D軟件中網(wǎng)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(shù)據(jù)特點，通過三維空間坐標(biāo)的方法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，從而計算獲取Surpac塊體在FLAC3D中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。具體計算步驟如下。

(1) 讀取FLAC3D數(shù)據(jù)，根據(jù)其質(zhì)心計算塊體X、Y、Z方向的索引號，并將此索引號和對應(yīng)的模擬結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)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(biāo)，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(guān)系如圖2。

圖2　空間關(guān)系圖Fig.2　Diagram showing spatial relationship

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

(3) 在以上2個數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過塊體的索引號，建立二者的關(guān)聯(lián)，取得塊體的模擬結(jié)果。

3應(yīng)用實例

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

圖3　FlAC3D正演模擬結(jié)果Fig.3　Forward simulation results of FLAC3D

圖4　FLAC3D導(dǎo)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，F(xiàn)LAC3D中的顯示效果與FLAC3D正演模擬結(jié)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，受計算機(jī)的性能的影響，F(xiàn)LAC3D和Surpac中塊體的總范圍要適中，不能一個范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一個范圍；(2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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?？傮w來看，這種轉(zhuǎn)換方法簡單、可行、有效。

4結(jié)論

FLAC3D軟件在數(shù)值模擬中具有獨特的優(yōu)勢，但在三維實體建模和劃分網(wǎng)絡(luò)單元方面稍有不足，Surpac強(qiáng)大的復(fù)雜地質(zhì)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(yù)測評價中，將FLAC3D和Surpac應(yīng)用于正演成礦模擬和反演預(yù)測評價來實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的正反演聯(lián)合評價。為了實現(xiàn)正反演的聯(lián)合評價，先把FLAC3D的數(shù)據(jù)保存到TXT文件中，再將其導(dǎo)入到Surpac的CSV文件中。通過轉(zhuǎn)換程序，生成1個新的帶模擬結(jié)果的CSV文件，完成了FLAC3D的模擬數(shù)據(jù)(TXT數(shù)據(jù))向Surpac的CSV數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這種方法解決了這2種軟件之間數(shù)據(jù)的單獨性，為正反演的聯(lián)合評價提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從轉(zhuǎn)換結(jié)果可以看出，雖然在某些地方出現(xiàn)了一定的誤差，但總體上來看，轉(zhuǎn)換后的趨勢與FLAC3D中的趨勢基本一樣，表明此轉(zhuǎn)換方法簡單可行，具有較高的實用性。

參考文獻(xiàn)：

龔紀(jì)文，崔建軍，席先武，等. 2002.FLAC數(shù)值模擬軟件及其在地學(xué)中的應(yīng)用[J]. 大地構(gòu)造與成礦學(xué)，26(3): 321-325.

蔣春明. 2012. 三維建模及數(shù)值模擬技術(shù)在礦床研究中的應(yīng)用：以刁泉銀銅礦為例[D].湖南長沙: 中南大學(xué).

羅周全，吳亞斌，劉曉明，等. 2008. 基于Surpac的復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型生成技術(shù)[J]. 巖土力學(xué)，29(5): 1334-1338.

呂鵬，畢志偉，朱鵬飛，等. 2011. 地學(xué)模擬相關(guān)技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]. 地質(zhì)通報，30(5): 677-682．

李小雙，李耀基，王孟來. 2013. 磷礦地下開采地壓規(guī)律的FLAC3D數(shù)值模擬[J].金屬礦山，42(11): 14-20.

李利東，高興利，馮國強(qiáng)，等. 2014. 木瓜礦10-103工作面采場礦壓數(shù)值模擬研究[J]. 現(xiàn)代礦業(yè)，28(10): 152-154.

馬書紅.2014.幾種經(jīng)典插值算法的放大結(jié)果比較[J].信息通信，137(5):34.

王巧云，劉漢棟，陳建平，等. 2014. 山東焦家金成礦帶三維地質(zhì)建模及成礦預(yù)測[J]. 地質(zhì)學(xué)刊，38(3): 412-420.

王銀秀，李業(yè)偉. 2014.Surpac軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].地質(zhì)學(xué)刊，38(3): 445-450.

謝和平，周宏偉，王金安，等. 1999.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用及對比分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，18(4): 397-401.

楊立強(qiáng)，張中杰，林舸，等. 2003.FLAC基本原理及其在地學(xué)中的應(yīng)用[J]. 地學(xué)前緣，10(1): 24-24.

趙鵬飛，王功文，李瑞喜，等.2012.基于C#與GOCAD-FLAC3D的三維地質(zhì)模擬程序設(shè)計[J].西北地質(zhì)，45(增刊1):202-205.

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