固体矿产储量动态管理系统的设计与实现

何贞健

(福州市国土资源测绘队，福州，350000)

自上个世纪80年代以来，众多国内外学者、组织、企业利用三维地质建模与可视化技术，为矿产资源评估、矿山规划、采掘设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析[1]。经过30年多的发展，有些发达国家在矿山的地质勘探、矿山设计、矿山测量等行业应用的三维可视化技术和矿山信息管理方面开发了实用软件系统，如GOCAD、Surpac、MicroMine 、AMSKAN矿山信息系统和ENDAKD铝矿信息系统等[2]。随着地球科学信息技术的发展，我国数字矿山也已经开始从理论研究阶段逐步走向实际应用[3,4]。从整体上看，我国在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、监控等全面信息化仍处于起步阶段，仅有一些研究机构或公司针对某些应用领域的软件成果，例如中国地质大学的 GeoView 软件、北京大学的 GSIS 软件、武汉中地数码公司基于MapGIS平台的三维扩展模块、中国矿业大学的 GeoMo3D 软件，以及北京3DMine三维矿业软件等。绝大多数数字矿山建设所采用矿业软件仍是来自国外，有些软件功能强大也较易操作，但也存在技术支持不足、汉化程度低、系统价格昂贵等问题，在国内推广应用具有较大的局限性。

近年来，福建省在矿政管理信息化建设方面做了大量工作，具备了一定的基础。但储量管理仍存在动态监管难度大、数据质量低的问题。①矿产资源/储量基础数据复杂，依靠常规管理手段，难以对矿山具体开采变化情况进行比对、核查；②“一帐三图”的质量难以保证，储量年度统计和“三率”考核数据失真；③提交的数据缺少连续性，可靠性较低，难以实现对矿产资源储量的动态、精细、规范化管理。目前数字矿山逐步由二维向三维发展，三维地质建模与可视化技术是构建数字矿山的关键技术之一[5]。为了提升矿产资源储量管理信息化水平，实现固体矿产(矿山)三维空间信息的可视化和资源/储量估算的智能化，促进储量管理方式的根本性转变，运用三维地质模型与可视化技术已成为必然选择。笔者利用龙岩马坑铁矿矿产地质基础数据，介绍固体矿产(矿山)三维资源储量动态建模方案，并设计开发“福建省固体矿产储量动态管理系统”，致力于实现资源/储量估算、空间分析、地质储量动态监管的三维可视化、智能化和精细化*福建省地质测绘院，福建省固体矿产储量三维空间信息管理系统开发技术方案，2014。。

1 系统概述

1.1 系统定位

“固体矿产储量动态管理系统”是面向储量管理部门的需求，基于矿山三维资源储量模型地质数据库，以三维虚拟空间作为背景，集成三维地质建模、WebGIS、SOA等技术，采用3DMine和ArcGIS平台二次开发的一个交互式储量三维空间信息管理系统。系统以主流三维矿业软件构造的三维模型为主要输入数据，同时兼容AutoCAD、南方CASS、MapGIS等矿山常用软件的数据格式。能够实现三维模型可视化，直观展现探矿程、矿区地形、矿山地质体、矿产资源储量、矿石质量等空间信息；能够辅助储量动态监管，通过矿山地质三维虚拟空间模型，直观展现矿体探采对比情况及储量数据动态变化情况，降低管理工作难度，提高储量动态检测数据的可靠性、准确性，夯实储量管理工作基础；能够提供数据支撑，集成矿山开采回采率和不同矿种综合利用率的计算方法，为矿山年度统计、“三率”指标考核，以及价款评估和资源补偿费征收等矿政管理工作提供真实可靠的数据支撑。

1.2 系统总体结构

以计算机软硬件环境与网络通信平台为依托，以矿产(矿山)资源数据为基础，基于3DMine、ArcGIS、.Net技术平台，构建固体矿产(矿山)储量动态空间信息管理系统，实现信息共享、数据服务、业务监管，通过局域网和政务网进行信息发布，同时为矿政管理相关应用提供服务接口，与矿政综合管理进行有效衔接。系统以信息化标准规范体系、数据交换体系及安全体系为保障，标准体系包括数据规范、服务规范和应用规范，交换体系则包括数据、应用和服务的综合交换。系统总体概念架构可划分为四个层次(图1)。

网络层：为硬件、软件和网络基础设施。

数据层：由基础类数据库、专业类数据库、管理类数据库、文档资料数据库等组成。

平台层：基于关键软件技术平台对各类业务功能需求进行服务封装，并以服务的方式提供给应用层服务支撑，并与之交互。

应用层：基于平台层开发各项业务应用，应用范围包括矿产资源、矿产储量动态空间信息管理、相关矿政管理应用接口等。

1.3 系统功能设计

主要划分为数据管理、查询统计、动态核查三大部分，数据管理实现矿山储量动态数据的省、市、县三级网络汇交，流程化、权限化数据库管理，查询统计实现矿山基本信息、储量评审情况及矿山分布情况的综合查询，实现分区域储量分类统计分析、单矿山历年储量变化统计分析，动态核查实现储量动态数据三级网络化在线核查。系统功能包括数据汇交、动态核查、统计分析、报表输出、综合查询、系统管理六个功能模块(图 2)。

数据汇交：实现对矿山提交储量动态数据的网络汇交。

动态核查：这是该系统的重点部分，实现对矿山提交的储量动态数据进行详细的核查。

统计分析：可对某个行政区域内的储量变化情况进行统计，同时也可对某个矿山的历年储量数据进行统计分析。

报表输出：主要是对矿山提交的储量报表从数据库中查询调阅。

综合查询：可对相关的矿山的基本信息、储量评审情况及矿山分布情况进行查询。

系统管理：用于系统用户权限管理与系统参数设置。

2 三维矿床储量动态建模

2.1 试验区概况

马坑铁矿位于龙岩市区约13 km的马坑村北东向，交通较便利。矿床地质条件及水文地质条件复杂，矿体埋藏深、地下涌水量大，但矿床储量大，矿石品位中等，且可选性较好，极具开采价值。矿床呈北东45°分布，东西长为4 000 m，南北宽为1 000 m，面积为4 km2(图3)。矿体总体走向北东，倾向北西，倾角20°～50°，呈连续单一的层状、似层状产出。主矿体控制长度为3 600 m，延伸490～1 300 m，主矿体储量占全矿区储量的98%，分布集中。矿区分中、西两个矿段，矿段间并无自然分界线，仅是人为将71线西南划为西矿段、71线至F11划为中矿段。西矿段平均厚度为54.04 m，中矿段平均厚度为21.76 m。铁矿的品位西矿段全铁为38.08%，中矿段全铁为38.4%。马坑铁矿现采矿许可证范围内累计查明的铁矿石资源量为38 055.49万t，占全省探明储量的72%，占全区储量的88.8%，属于大型铁矿床。

马坑铁矿区勘探工作主要以钻探、坑探为主，勘探数据主要以纸质报告、MapGIS 图件、AutoCAD图件方式存在。试验区现有有效钻孔285个，勘探线30条，主矿体的分析，在勘探剖面上圈定出了矿体范围，并且通过剖面法、断面法等传统方法进行过储量估算。具备三维地质建模与空间分析的条件，可以勘探平面图、剖面图，采掘工程平面数据，钻孔、槽探、坑探等地质资料作为基础数据，提取地质体空间形态后构建矿体、地表、断层、储量动用范围、采空区、巷道等地质体三维模型；通过对钻孔、坑探等采样分析，形成空间上矿体品位分布，进行空间品位插值后对矿体块模型赋值，从而实现矿体储量计算。

2.2 关键技术

勘探地质信息化应用的一个重要课题是三维地质建模，其由二维发展到三维虚拟空间，由平面延伸到立体的特点，为地下地质空间体分析提供了一个直观便捷的平台。根据固体矿产(矿山)资源储量动态管理需求，应建立矿体模型、储量动用模型、采空区模型、巷道模型、地层模型、地表模型、构造模型和基础储量块模型(或称品位模型)，其中矿体模型包括生产勘探矿体模型、保有矿体模型，如果矿山企业为首次汇交数据，还应建立原始勘探矿体模型(一般基于地质剖面建立)，历史储量动用模型和历史巷道模型。三维地质建模的过程大体相似，都是从原始数据经过数据预处理后，基于适当的三维模型表达方法，比如TIN、BRep、GTP、TEN等[6,7]，采用交互编辑的方式进行三维可视化建模完成的。不同之处是针对建模目标不同而选择不同的地质空间数据模型表达，不同的数据模型其建模方法也不尽相同。三维地质建模常采用钻孔、剖面、平面地质图、地震勘探数据、多源数据等方式[8-9]，笔者结合马坑铁矿实验区的实际情况，建模主要采用基于剖面图和基于中段平面图两种方式，建模前利用检查无误的探矿工程数据对图件数据进行检查、修正，确保矿体等地质体的准确解译。最后应用地质统计学原理在矿体模型的基础上建立储量块体模型，进行品位空间插值以揭示矿体内部品位的具体分布情况，快速计算出矿石的储量。

2.3 资源/储量动态管理数据库

矿山企业每年需按照储量动态数据汇交格式，规定向国土管理部门提交储量年报数据，储量年报数据包括正文、附图、附件、附表、三维资源/储量数据模型(表1)。利用数据库的海量存储功能，随着时间的推移，就可以对矿山储量变化数据进行动态核查、审核。上述动态信息数据必须整理汇交入库，通过系统实现动态管理应用，这意味着矿山企业每年需要构建当年度的资源/储量三维空间模型。根据资源/储量动态管理需求，应建立矿体模型、储量动用模型、采空区模型、巷道模型、地层模型、地表模型、构造模型和储量块模型(或称品位模型)，其中矿体模型包括生产勘探矿体模型、保有矿体模型，如果矿山企业为首次汇交数据，还应建立原始勘探矿体模型(一般基于地质剖面建立)，历史储量动用模型和历史巷道模型。

表1 固体矿产储量数据三维模型

2.4 储量三维建模的基本流程

基于资源/储量空间数据表达研究，根据三维资源储量动态管理模型，开展以上三维地质模型的构建工作。固体矿产(矿山)资源储量数据三维建模过程，主要包括资料收集、数据标准化处理和数据三维建模三部分(图4)。首先通过野外采集和室内整理矿山的基础数据，包括钻孔、槽探、井巷等工程数据；源数据经标准化处理后，将其通过文件方式或者以Oracle等关系型数据库系统进行数据管理；基于三角网数据模型，采用交互式的三维地质建模技术，建立所需的矿山各类矿产资源/储量模型，服务于储量动态管理专题。实体建模常采用基于钻孔、基于剖面、基于平面地质图等是常采用的实体建模方式[11,12]，实体建模主要采用基于剖面图和基于中段平面图两种方式，建模前应利用检查无误的探矿工程数据对图件数据进行检查、修正，确保矿体等地质体的准确解译。最后运用地质统计学原理，在矿体模型的基础上建立块体模型，通过对其进行品位空间插值，从而揭示矿体内部品位的具体分布情况，快速计算出矿石储量。

3 系统实现及应用

3.1 系统实现

依托于计算机软硬件环境以及网络通信平台，在已经构建的矿产(矿山)资源储量数据三维模型基础上，以三维虚拟空间为背景，基于3DMine、ArcGIS和.Net技术平台，研发“固体矿产储量动态管理系统”。

3.2 系统应用效果

“固体矿产储量动态管理系统”是面向省级国土资源厅储量处、矿管处等相关管理部门的需求，以信息标准化规范体系及安全体系为保障，基于矿山三维资源储量数据，以3DMine和ArcGIS为主要平台二次开发的一个交互式储量三维空间信息管理系统。系统提供数据管理、查询统计、动态核查三大部分功能。

(1)能够实现三维模型可视化。直观展现矿山地质体、探矿工程、采掘系统、矿产储量、矿石质量等空间信息。图5a所示为2014年马坑铁矿储量动用信息，而叠加巷道工程可为必要的现场核实提供准确的位置信息。

(2)能够实现数据网络化汇交。对资料管理、数据分析、评审备案、动态监管的网络化集成。图5b所示为在矿山分布图上掌握宏观矿山分布信息，明确矿体(床)分布位置，可以查看矿山基本信息，还可以调出矿山的三维模型信息。

(3)能够辅助储量动态监管。通过矿体储量三维空间模型，直观展现矿体探采对比情况及储量数据动态变化情况，对空间实体、资源储量、地测资料进行精细化核查，提高储量动态检测数据的可靠性、准确性，夯实储量管理工作基础。图5c、图5d所示为对储量的增减情况从三维上和中断面上进行对比核查，甚至可以加载坑内钻等探矿工程数据，查找储量增加/减少的原因(图5e)。图5f为三维空间下的矿权范围检查。

(4)能够提供数据支撑。集成矿山开采回采率、综合利用率的计算方法，为矿山“三率”指标考核、年度统计及价款评估和资源补偿费征收等管理工作提供真实可靠的数据支撑。系统通过储量动态三维模型的空间运算，实现保有资源量、动用量、采损量和回采率的自动计算及结果三维可视分析。图5g为对马坑铁矿2014年保有资源量的计算，在输出窗口中自动生成保有矿体的位置、形态，同时将各个级别的资源量、储量以图、表展现。

(5)将研究区资源储量数据三维模型应用于该系统进行功能验证，能够满足要求，同时验证了系统具有虚拟三维直观可视、储量估算便捷、数据比查有据的应用效果。

4 结论

(1)矿产资源/储量基础数据复杂，依靠常规管理手段，难以实现对矿产资源储量的动态、精细、规范化管理。随着地球空间信息技术的不断发展，三维地质建模与可视化技术成为构建数字矿山的一个重要手段。针对矿产资源/储量管理中动态监管难度大、数据质量低的状况，根据矿产资源/储量估算、储量动态管理等应用需求，以龙岩马坑铁矿实验区地质矿产数据为基础，研究固体矿产三维资源/储量动态建模的基本思路、模型数据要求和建模基本流程。在此基础上，以三维虚拟空间为背景开发出了具有实用化前景的“固体矿产储量动态管理系统”。

(2)该系统提供数据管理、查询统计、动态核查等功能，实现了资源/储量估算、空间分析、储量动态管理、“回采率”考核的便捷化、智能化，达到了数据三维可视、储量估算便捷、动态监管比查有据的应用效果，能够有效解决资源储量管理中动态监管难度大、数据质量低等问题，同时验证了三维资源/储量动态管理模型的有效性。固体矿产储量动态管理系统具有实用价值和推广应用潜力，可为提升矿产资源储量管理水平，促进固体矿产资源/储量管理方式的根本性转变提供科学支持与实践参考。

1 吴立新. 数字地球、数字中国与数字矿区.矿山测量, 2000(1).

2 王波. 基于三维地质模型的金属矿床动态储量计算技术研究.南京:南京师范大学,2011.

3 赖朝辉, 刘修国, 等. 三维数据场可视化技术在数字矿山中的应用.金属矿山,2009,12.

4 向中林, 王妍, 王润怀, 等. 基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究.地质与勘探2009,45(1).

5 翁正平. 复杂地质体三维模型快速构建及更新技术研究.武汉:中国地质大学,2013.

6 吴立新, 史文中. 论三维地学空间构模.地理与地理信息科学,2005,21(1).

7 王润怀. 矿山地质对象三维数据模型研究.成都:西南交通大学, 2007.

8 M Perrin, B Zhu, JF Rainaud, S Schneider. Knowledge-driven applications for geological modeling. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2005, 47.

9 吴德华, 毛先成, 刘雨. 三维空间数据模型综述.测绘工程,2005, 14(3).

10 翁正平, 何珍文, 毛小平, 等. 三维可视化动态地质建模系统研发与应用. 地质科技情报,2012(06).

11 杨利容. 复杂矿体结构三维建模与储量计算方法研究.成都:成都理工大学, 2013.

12 吴冲龙, 何珍文, 等. 地质数据三维可视化的属性、分类和关键技术.地质通报,2011,30(5).