面向確權登記的固體礦產資源三維模型構建研究

景 瑞，于旭庭，李冠良，李 夢，馬駿歡

(1.山西省煤炭地質115勘查院，山西 大同 037003；2.山西省自然資源確權登記中心，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、權責明確、保護嚴格、流轉順暢、監管有效的自然資源資產產權制度”[1]是開展包括探明儲量的礦產資源在內的自然資源統一確權登記工作的總體目標。在明確各級政府直接或代理行使所有權的自然資源清單的基礎上，劃清自然資源所有權邊界，著力解決自然資源所有者不到位、所有權邊界模糊等問題是自然資源確權登記工作的核心。而礦產資源因其不可視化導致其所有權邊界不清，如何清晰界定及表達固體礦產資源及權屬邊界是本文的重要工作。

利用地球物理、地球化學、地質遙感等礦產勘查信息，應用三維建模、可視化等信息化技術，進行礦體圈定和三維形態反演，建立以三維模型表示的礦產資源立體邊界，正成為現代化數字礦山建設的重要內容。一些學者對礦產資源三維模型構建涉及的數據組織、技術方法、礦體圈定流程、儲量估算等進行了有益探索[2-11]。這些實踐和研究大多著眼于安全高效開發礦產，取得更好的經濟效益、管理效能，更加注重礦產資源“物”的立體邊界建模和儲量估算。按照自然資源統一確權登記制度要求，開展探明儲量的礦產資源確權登記，礦產資源三維模型不僅是“物”的邊界，也是“權利”邊界。面向確權登記的礦產三維模型構建，還需要在前述已有實踐和研究的基礎上，進一步深入探索能夠彰顯以“權”為要義的制度目標、降低三維建模工作技術門檻、合理把握成本效益平衡的礦體三維模型建模方法。

1 面向確權登記的礦產資源三維模型必要性分析

礦產資源確權登記相對于其他水林草濕自然資源確權登記具有其獨特性，如何有效表達礦產資源與地表資源空間關系，如何體現地下礦產資源的資源邊界和權屬邊界等都是本文研究的重點內容。通過對諸多學者的研究分析發現，引入礦產資源三維建模技術可有效解決礦產資源確權登記中的諸多問題。

1) 礦產資源作為一類特殊的自然資源，在標識資源邊界方式上，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屬邊界；賦存于地殼內部或地表、埋藏于地下或出露于地表的礦產資源，本源上就是以體的形態存在的，其地表投影坐標可以較為準確地表示其水平位置，其標高信息也可以粗略表示其垂直分布，但以投影位置和標高信息刻畫礦產資源所有權權屬邊界，其準確性是難以支撐定紛止爭的法律作用發揮的。礦產資源確權登記工作需清晰界定礦產資源及權屬現狀，僅依據現有二維空間數據難以實現礦產資源中的“物體”與“權屬”雙界界定、“資源”與“資產”雙體空間表達、“物質”與“空間”統一管理。

礦產資源三維建模主要用于地質找礦、儲量估算及礦區地質構造分析等方面[2-4,6-11]，其能較好地表達礦產資源邊界狀態，將其應用于礦產資源確權登記工作將在實現礦產資源三維表達的基礎上，有效體現礦產資源權屬邊界界定，為確權登記中劃清“四條邊界”任務實現提供可能。

2) 礦體三維模型一般意義上是表示礦體的空間形態、產狀以及成礦地質條件，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礦體特征，揭示礦體的空間形態、品位分布等規律，目的是輔助研究礦床形成機理，進而指導礦山生產，具有直觀和高度概括的特點。以往的礦產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，礦產資源確權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，故傳統礦產資源三維建模方法難以直接應用。因此，研究形成面向確權登記的礦產資源三維建模方法無論是對礦產資源確權登記工作開展還是對礦產資源三維建模方法的應用都具有重要意義。

2 面向確權登記的固體礦產資源三維模型構建需求

面向確權登記的礦產資源三維模型構建應以滿足確權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，進而指導礦山設計與生產”為目的的礦產資源三維模型構建，其主要關注點應是礦體表面，而不是礦體內部的模型化。

2.1 與重要程度和資料水準相當的模型精度

基于成本效益原則，面向確權登記的礦體資源三維模型構建，原則上應以少量增加地質工程測量工作為前提，主要是利用現有法定資料進行技術處理。所形成的模型精度應與相應礦產資源的重要程度和可利用基礎資料的水準相當，模型的空間范圍不得小于基于基礎資料所能確定的礦體空間范圍。

2.2 構建過程應盡量簡化和自動化

面向確權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，建模過程應以模型滿足確權登記制度要求為前提，盡量去掉與確權登記需求關系不大的業務環節(如礦體內斷層、夾石的處理等)，盡量簡化操作，盡量形成規則可以由計算機自動完成，盡量降低對操作人員的地質專業要求。

2.3 支持已有數字礦山成果集成

部分礦山企業已開展了數字化礦山建設，并根據礦區的地質特征和勘查現狀建成了三維地質模型[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，隨著勘查程度的不斷推進，礦體模型也在持續完善。對已有數字礦山成果的集成能夠在礦產資源確權登記過程中繼續發揮其效用，劃清礦產資源“物體”與“權屬”雙邊界。

3 面向確權登記的固體礦產資源三維建模方法研究與實踐

本文基于確權登記礦體三維模型建立的必要性和構建需求，遵循礦體三維模型構建的基本原理，依托山西省礦產資源儲量三維立體調查登記試點項目[13]，結合貴州省、福建省自然資源(礦產)統一確權登記試點在三維建模方面的有益做法，在分析山西省現有固體礦產資源基礎資料現狀、礦山數字化建設成效的基礎上，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個礦區涉及的煤礦、鋁土礦、鐵礦、黏土礦為研究對象，參照相關研究與實踐[2-12,14-15]，以模型精細度與產權保護重要性相當、現有資料可基本滿足、成本效益基本均衡、適應各種構造類型、建模操作盡量簡化為原則，經多次探討、反復論證，研究選定了由簡到繁、由粗到細的簡單法、剖面法、統計學三種固體礦產三維建模方法(圖1)，并基于建模過程研制了快速三維礦產模型構建軟件——F3DR(圖2)，根據礦體形態、數據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、流程化作業的方式快速完成固體礦產資源三維建模。

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

圖2 快速三維礦產模型構建軟件——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、板狀形態等構造相對簡單的固體礦產資源或斷裂構造、采空區等三維模型構建，主要依據頂/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軟件自動構建，基本無需人工操作，研究區中王坡井田煤礦、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有礦區剖面數據豐富，能夠很好地刻畫出礦體形態的情況。剖面建模法要求剖面內含有礦體輪廓線，且輪廓線封閉，拓撲無問題[2-3]。利用F3DR軟件，通過單點定位或兩點定位，將剖面數據自動轉換到三維空間，在三維可視化界面，按照工程控制網度、礦體產狀信息，進行各個剖面間的礦體輪廓線快速連接[13]，邊緣處結合平推、尖推等實現礦體三維模型構建。剖面法建模需要簡單人工操作，研究區中奧家灣鋁土礦(圖4)適用此方式。對奧家灣鋁土礦進行簡單法建模、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 統計學建模

統計學建模適用于面對復雜礦體，需要借助探礦工程中的鉆孔及品位信息進行三維立體模型圈定的情況?；凇拔恢帽怼薄靶螒B表”“采樣信息表”數據，按照指定的勘探線方向和距離等參數，生成剖面數據，按照“邊界品位”圈定不同剖面下的礦體輪廓(圖5)，將各封閉輪廓進行曲面構建，最終將兩側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]。統計學建模方法可用于所有已開展地質工作的礦區，研究區內袁家村鐵礦適用此方法(圖6)。統計法建模雖然能夠較為準確地表達礦體邊界，但建模過程復雜、專業性要求較高、耗時長投入大，面向確權登記的整體推廣價值較低，建議僅針對有需要的礦區使用。

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

圖6 袁家村鐵礦統計學建模示例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資源三維建模與傳統礦產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，與應用于礦山生產的三維建模對比而言，面向確權登記建模方法充分利用已有數據，在保證建模精度滿足礦產資源確權登記需求的前提下，降低了精度要求，深入融合自動化、程序化建模流程，形成了快速高效構建模型的技術路線。

2) 在建模工具方面，面向確權登記的固體礦產資源三維建模充分采用信息化技術，將繁瑣復雜的建模參數內置到軟件中，同時給出大量默認推薦值，形成了可應用于不同場景的F3DR軟件，相較于傳統的礦產資源建模軟件更具有普適性，為礦產資源確權登記全面鋪開提供工具支持。

3) 在建模成本方面，傳統礦產資源三維建模成本高達幾十萬元，而本文所形成的面向確權登記的固體礦產資源三維建模成本在幾千元至幾萬元，其更適合應用于礦產資源確權登記等類似行業。

3.3 建模成效評估

表1從所需基礎資料、適宜礦種、礦產資源重要程度、模型精度、工作量投入、地質專業技能要求等方面總結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。基礎數據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，應從所收集的基礎數據入手，制定適宜的建模辦法，利用F3DR快速完成建模工作，以支撐礦產資源三維立體登記。

表1 面向確權登記的固體礦產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個試點礦區的研究，得出以下結論：對于層狀沉積礦產(煤、鋁土礦等)礦體頂底板等等高線較齊全的礦種，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資料的老舊礦山，可以使用二維投影塊段法構建數字化礦體三維模型；對于變質類礦產礦體形態變化較大的，且已有較為豐富的地質剖面數據資料的礦種，可以使用剖面建模法[15]；對于已有數字化建設基礎的礦山，可以直接集成或在對現有資料適度調整的基礎上，采用統計學建模法建立礦體三維模型。

4 結 語

面向確權登記的礦體三維模型發揮著礦體“物”邊界與國家所有權的“權”邊界兩種邊界的雙重角色作用，是“權利客體”與“權屬空間”的統一。它與以礦物機理研究、礦產資源設計與開發管理為目的的礦產資源三維模型相比，具有類似但不完全一樣的業務需求。筆者認為，前者應該是面向確權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資源所有權空間界線為基本目標，綜合考慮時間成本、經濟效益、技術難度、推廣價值等因素，最終選定了適合不同賦存形態的固體礦產的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模型構建軟件，通過空間關系，將三維建模成果與二維調查成果緊密銜接，實現地下礦產資源與地表山水林田湖草之間的統籌協調，為礦產資源確權登記由二維向三維擴展、平面向立體轉換提供技術支撐。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、試點區域集中在北部等問題，筆者將在后續工作中，針對其建模方法、軟件平臺進一步加強、完善、優化。