景 瑞，于旭庭，李冠良，李 夢，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]是開展包括探明儲量的礦產(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、儲量估算等進(jìn)行了有益探索[2-11]。這些實踐和研究大多著眼于安全高效開發(fā)礦產(chǎn)，取得更好的經(jīng)濟效益、管理效能，更加注重礦產(chǎn)資源“物”的立體邊界建模和儲量估算。按照自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記制度要求，開展探明儲量的礦產(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)登記相對于其他水林草濕自然資源確權(quán)登記具有其獨特性，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內(nèi)容。通過對諸多學(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)登記中的諸多問題。

1) 礦產(chǎn)資源作為一類特殊的自然資源，在標(biāo)識資源邊界方式上，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算機上建立起同礦體實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理，進(jìn)而指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，具有直觀和高度概括的特點。以往的礦產(chǎn)三維建模存在建模成本高、建模周期長、精度要求高等特點，相較而言，礦產(chǎn)資源確權(quán)登記對建模精度要求相對較低，但對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論是對礦產(chǎn)資源確權(quán)登記工作開展還是對礦產(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理，進(jìn)而指導(dǎo)礦山設(shè)計與生產(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)建過程應(yīng)盡量簡化和自動化

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量計算上的高精度，建模過程應(yīng)以模型滿足確權(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)，盡量簡化操作，盡量形成規(guī)則可以由計算機自動完成，盡量降低對操作人員的地質(zhì)專業(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算法，但較大程度還原了各礦體的實際形態(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)資源儲量三維立體調(diào)查登記試點項目[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、賀家圪臺鋁土礦、袁家村鐵礦5個礦區(qū)涉及的煤礦、鋁土礦、鐵礦、黏土礦為研究對象，參照相關(guān)研究與實踐[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)有資料可基本滿足、成本效益基本均衡、適應(yīng)各種構(gòu)造類型、建模操作盡量簡化為原則，經(jīng)多次探討、反復(fù)論證，研究選定了由簡到繁、由粗到細(xì)的簡單法、剖面法、統(tǒng)計學(xué)三種固體礦產(chǎn)三維建模方法(圖1)，并基于建模過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，通過機器輔助、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 建模過程與實踐

3.1.1 簡單法建模

簡單法建模適用于呈層狀、似層狀、板狀形態(tài)等構(gòu)造相對簡單的固體礦產(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。簡單法建模使用F3DR軟件自動構(gòu)建，基本無需人工操作，研究區(qū)中王坡井田煤礦、屯蘭井田煤礦、奧家灣鋁土礦、賀家圪臺鋁土礦(圖3)均適用此方法，能夠較好地刻畫礦體實際形態(tài)與邊界。

圖3 賀家圪臺鋁土礦簡單法建模示例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問題[2-3]。利用F3DR軟件，通過單點定位或兩點定位，將剖面數(shù)據(jù)自動轉(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、尖推等實現(xiàn)礦體三維模型構(gòu)建。剖面法建模需要簡單人工操作，研究區(qū)中奧家灣鋁土礦(圖4)適用此方式。對奧家灣鋁土礦進(jìn)行簡單法建模、剖面法建模對比，驗證出層狀、似層狀、板狀礦體更適合簡單法建模，且經(jīng)濟效益更高。

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)計學(xué)建模

統(tǒng)計學(xué)建模適用于面對復(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?；凇拔恢帽怼薄靶螒B(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)計學(xué)建模方法可用于所有已開展地質(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)計法建模雖然能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)礦體邊界，但建模過程復(fù)雜、專業(yè)性要求較高、耗時長投入大，面向確權(quán)登記的整體推廣價值較低，建議僅針對有需要的礦區(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)計學(xué)建模示例Fig.6 Statistical modeling example of Yuanjiacun iron mine

3.2 建模方法對比分析

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，同時給出大量默認(rèn)推薦值，形成了可應(yīng)用于不同場景的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元，其更適合應(yīng)用于礦產(chǎn)資源確權(quán)登記等類似行業(yè)。

3.3 建模成效評估

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)專業(yè)技能要求等方面總結(jié)了各種建模方法的特點，以此作為對特定礦體選用建模方法的主要依據(jù)?；A(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比Table 1 Comparison of solid mineral 3D modeling methods for rights verification and registration

通過基于5個試點礦區(qū)的研究，得出以下結(jié)論：對于層狀沉積礦產(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；對于僅存于儲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；對于變質(zhì)類礦產(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現(xiàn)有資料適度調(diào)整的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計學(xué)建模法建立礦體三維模型。

4 結(jié) 語

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。它與以礦物機理研究、礦產(chǎn)資源設(shè)計與開發(fā)管理為目的的礦產(chǎn)資源三維模型相比，具有類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后者的適度簡化。

通過本次研究，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)，綜合考慮時間成本、經(jīng)濟效益、技術(shù)難度、推廣價值等因素，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展、平面向立體轉(zhuǎn)換提供技術(shù)支撐。受時間、地點、條件的限制，本研究尚存在一定的局限性如試點礦種偏少、試點區(qū)域集中在北部等問題，筆者將在后續(xù)工作中，針對其建模方法、軟件平臺進(jìn)一步加強、完善、優(yōu)化。