基于C# 的FLAC3D到Surpac三维地质数据转换

柴福山， 陈建平， 徐　斌

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)

基于C# 的FLAC3D到Surpac三维地质数据转换

柴福山1,2， 陈建平1,2， 徐斌1,2

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)

摘要：将FLAC3D和Surpac应用于正演成矿模拟和反演预测评价来实现矿产资源的联合评价是找寻隐伏矿体的一种新思路。FLAC3D和Surpac的存储方式和数据结构有很大不同,为了使FLAC3D正演模拟的结果能导入Surpac中进行联合评价，采用C# 语言实现了FLAC3D的模拟数据(TXT数据)向Surpac的CSV数据转换。实验表明，此转换方法能够简单快速地将FLAC3D的模拟结果转移到Surpac软件中，具有较高的实用性。

关键词：C#语言；FLAC3D软件；Surpac软件；数据转换；云南个旧

中图分类号：P628+.3

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)03-0491-04

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-06-18；编辑：蒋艳

基金项目：国土资源部公益性行业科研专项(201011002),中国地质调查局地质矿产评价专项(12120113091100)

作者简介：柴福山(1988—)，男，硕士研究生，地质工程专业, E-mail：fushan@cugb.edu.cn

0引言

计算机的快速发展对地球科学的推动作用，以及地学定量化、数字化和信息化的自身需求，地学模拟技术有了巨大的提升(吕鹏等，2011)。对隐伏矿体的模拟和再现，探讨其动力学机制，是当前地质工作者感兴趣的课题之一。到目前为止，可以通过物理方法和数学方法来对隐伏矿体进行模拟。但是，物理模拟方法成本较高，而且对地质演化的空间规模以及时间规模难以控制。鉴于这些局限性，数值模拟方法越来越受到重视。很多国内外研究传统构造地质学、大地构造学和成矿学等领域的专家先后在地学数值模拟方面做过大量研究，例如Bruce Hobbs(澳大利亚)、Neil Mancktelow(瑞士)、Paul Williams(加拿大)、Cee Pashan(德国)、England Houseman(英国)等。到20世纪80年代末，我国才开始将FLAC应用于岩土工程地质力学分析，也就是在这个时候，FLAC才开始在地质学方面得到应用，并且取得了一定的应用成果(谢和平等，1999；龚纪文等，2002；杨立强等，2003)。

在隐伏矿体的预测评价中，基于成矿地质过程模拟，通过剖析矿床成因，总结规律来进行成矿预测的方法，是与矿床成矿过程相一致的预测评价过程，称为正演成矿模拟；利用数学模型对指示矿床存在的地质特征(地层、岩体、断裂、地球物理异常、地球化学异常等)进行综合分析，计算找矿有利度的隐伏矿成矿预测评价方法，是在寻求已有成矿事实的基础上反推成矿过程的预测评价过程，称为反演预测评价。基于FLAC3D在岩石三维结构受力特性模拟和塑性流动方面的优势，在正演成矿模拟中一般采用FLAC3D软件。前人已经做过大量从GOCAD等转换到FLAC3D的研究(赵鹏飞等,2012)，但尚未见进行反向转换的报道，因为需要二次开发程序来实现。依托C#语言为平台，依据最近邻域插值算法实现了FLAC3D的模拟数据向Surpac的CSV数据转换。通过此转换方法，能够快速将FLAC3D的模拟结果转移到Surpac软件中进行资源预测评价。

最近邻域插值算法是经典插值算法中最为简单的算法(马书红，2014)，它以欧氏距离为基础，适合快速处理大量空间数据。此方法在医学、图像去噪、传感器模式识别等方面得到了很好的应用，所以使用这种方法来转换数据。

1FLAC3D软件和Surpac软件

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美国Itasca公司开发的一套仿真计算软件。它是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，能进行三维结构的受力特性模拟和塑性流动分析，更适用于连续多孔介质的变形、传热和流体的模拟。在地学领域的应用主要包括：流体在岩石中的运移规律、断裂-流体耦合及空间分布、成矿流体-压力模型等(蒋春明，2012；李小双等，2013；李利东等，2014)。

Surpac软件由澳大利亚Gemcom公司开发，在矿业领域处于国际领先水平，被广泛应用于资源评估、矿山开采、地质测量等方面。它拥有一整套三维立体建模和三维图形显示等工具，完全集成的图形模块是其核心内容，是建立复杂的地质模型方便、快捷、有效的平台。软件系统采用模块化集成，包含数十个可选的功能模块，涵盖矿山的各个应用，并有TCL二次开发平台，提供面向矿山的三维可视化展示。

由资料可知(罗周全等，2008)，FLAC3D软件在三维实体建模和划分网络单元方面稍有不足，而Surpac强大的复杂地质建模和三维可视化功能正好弥补了FLAC3D的缺陷(王银秀等，2014；王巧云等，2014)。所以在矿产勘查中，经常将这2个软件结合起来进行成矿资源预测评价。

2技术实现

如何将正演成矿模拟的结果(TXT文件)快速准确地导入到Surpac中进行可视化显示，具有重要的意义。对FLAC3D的正演模拟数据的结构和Surpac软件读取数据的特点进行分析，发现二者的数据结构和存储方式有很大的不同，因此，根据二者的存储方式和空间结构的不同确定转换算法，选择合适的数据结构来实现编程。数据转换流程图如图1。

图1　数据转换流程Fig.1　Flow chart of data conversion

在将FLAC3D的正演模拟结果转换到Surpac软件的程序中，数据来源于FLAC3D的文本文件(TXT文件)和Surpac的CSV文件。通过FLAC3D提供的命令来输出块体的空间位置和模拟结果值，即可得到网格的ID(块体编号)、x(块体在X轴上的坐标)、y(块体在Y轴上的坐标)、z(块体在Z轴上的坐标)以及模拟结果(如Zone Pore Pressures，孔隙压力值)等数据；在Surpac中能直接导出块体成CSV文件，CSV(Comma Separated Value)是逗号分隔值，有时也叫字符分隔值，其文件以纯文本形式存储表格数据，最广泛的应用是在程序之间转移表格数据。Surpac的块体数据结构为：

xyzsize(x)size(y)size(z)属性

其中，x、y、z为块体单位的中心点坐标，size(x)、size(y)、size(z)分别代表块体单元在X、Y、Z方向上的长度，其余项为块体单元的属性。

在数据转换的过程中，通常存在如下一种情况：FLAC3D软件中网格大小与Surpac软件中块体模型的尺寸并不一样大，无法直接按块体赋值。为此，研究其数据特点，通过三维空间坐标的方法对这些数据进行重组，从而计算获取Surpac块体在FLAC3D中所对应的数据。具体计算步骤如下。

(1) 读取FLAC3D数据，根据其质心计算块体X、Y、Z方向的索引号，并将此索引号和对应的模拟结果存储到数据字典中。计算方法如下。

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中，dx、dy、dz分别是FLAC3D块体的三维坐标，minXbound、minYbound、minZbound分别是在FLAC3D中X、Y、Z方向的整个模型的最小边界值，Xlength、Ylength、Zlength分别是FLAC3D单个块体在X、Y、Z方向上的长度，其空间关系如图2。

图2　空间关系图Fig.2　Diagram showing spatial relationship

(2) 根据Surpac块体的三维质心坐标采用式(1)—(3)来计算此块体在FLAC3D中所对应的索引号。

(3) 在以上2个数据的基础上，通过块体的索引号，建立二者的关联，取得块体的模拟结果。

3应用实例

以云南个旧锡矿卡房矿田新山勘查区为研究对象，进行正反演联合评价。个旧是我国最大的锡矿床，也是世界上最早的产锡基地，卡房矿田新山勘查区位于个旧矿的西南部，是个旧五大矿田之一，基础地质资料非常丰富。一方面，建立研究区实体模型，对地、物、化、遥等信息进行定量化分析，应用“立方体预测方法”，采用证据权法进行找矿有力度的计算，进行反演成矿预测，圈定找矿靶区；另一方面，采用FLAC3D中进行正演成矿数值模拟，得到模拟结果。最后将正反演结果导入Surpac中进行三维可视化显示。将FLAC3D正演模拟结果导入到Surpac中的展示效果如图3、图4所示。

图3　FlAC3D正演模拟结果Fig.3　Forward simulation results of FLAC3D

图4　FLAC3D导入Surpac后的显示效果Fig.4　Display effect of FLAC3D after exporting Surpac

通过图3、图4对比可以看出，FLAC3D中的显示效果与FLAC3D正演模拟结果基本相同，但由于二者的显示方式不同，显示效果稍有差别。这主要是由以下2个方面的原因引起：(1) 在数据转换的过程中，受计算机的性能的影响，FLAC3D和Surpac中块体的总范围要适中，不能一个范围远远大于另一个范围；(2) 数据转换过程中没有涉及到插值，所以显示的时候，二者有稍微差别。总体来看，这种转换方法简单、可行、有效。

4结论

FLAC3D软件在数值模拟中具有独特的优势，但在三维实体建模和划分网络单元方面稍有不足，Surpac强大的复杂地质建模和三维可视化功能正好弥补了FLAC3D的缺陷。在隐伏矿体的预测评价中，将FLAC3D和Surpac应用于正演成矿模拟和反演预测评价来实现矿产资源的正反演联合评价。为了实现正反演的联合评价，先把FLAC3D的数据保存到TXT文件中，再将其导入到Surpac的CSV文件中。通过转换程序，生成1个新的带模拟结果的CSV文件，完成了FLAC3D的模拟数据(TXT数据)向Surpac的CSV数据转换。这种方法解决了这2种软件之间数据的单独性，为正反演的联合评价提供了数据基础。从转换结果可以看出，虽然在某些地方出现了一定的误差，但总体上来看，转换后的趋势与FLAC3D中的趋势基本一样，表明此转换方法简单可行，具有较高的实用性。

参考文献：

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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