面向确权登记的固体矿产资源三维模型构建研究

景 瑞，于旭庭，李冠良，李 梦，马骏欢

(1.山西省煤炭地质115勘查院，山西 大同 037003；2.山西省自然资源确权登记中心，山西 太原 030024；3.北京新兴华安智慧科技有限公司，北京 100070)

“推动建立归属清晰、权责明确、保护严格、流转顺畅、监管有效的自然资源资产产权制度”[1]是开展包括探明储量的矿产资源在内的自然资源统一确权登记工作的总体目标。在明确各级政府直接或代理行使所有权的自然资源清单的基础上，划清自然资源所有权边界，着力解决自然资源所有者不到位、所有权边界模糊等问题是自然资源确权登记工作的核心。而矿产资源因其不可视化导致其所有权边界不清，如何清晰界定及表达固体矿产资源及权属边界是本文的重要工作。

利用地球物理、地球化学、地质遥感等矿产勘查信息，应用三维建模、可视化等信息化技术，进行矿体圈定和三维形态反演，建立以三维模型表示的矿产资源立体边界，正成为现代化数字矿山建设的重要内容。一些学者对矿产资源三维模型构建涉及的数据组织、技术方法、矿体圈定流程、储量估算等进行了有益探索[2-11]。这些实践和研究大多着眼于安全高效开发矿产，取得更好的经济效益、管理效能，更加注重矿产资源“物”的立体边界建模和储量估算。按照自然资源统一确权登记制度要求，开展探明储量的矿产资源确权登记，矿产资源三维模型不仅是“物”的边界，也是“权利”边界。面向确权登记的矿产三维模型构建，还需要在前述已有实践和研究的基础上，进一步深入探索能够彰显以“权”为要义的制度目标、降低三维建模工作技术门槛、合理把握成本效益平衡的矿体三维模型建模方法。

1 面向确权登记的矿产资源三维模型必要性分析

矿产资源确权登记相对于其他水林草湿自然资源确权登记具有其独特性，如何有效表达矿产资源与地表资源空间关系，如何体现地下矿产资源的资源边界和权属边界等都是本文研究的重点内容。通过对诸多学者的研究分析发现，引入矿产资源三维建模技术可有效解决矿产资源确权登记中的诸多问题。

1) 矿产资源作为一类特殊的自然资源，在标识资源边界方式上，与水(这里特指地表水)林草湿等自然资源不尽相同。附着在土地表面的水林草湿用其所在土地的平面界址、界线就可以基本上清楚界定资源边界和权属边界；赋存于地壳内部或地表、埋藏于地下或出露于地表的矿产资源，本源上就是以体的形态存在的，其地表投影坐标可以较为准确地表示其水平位置，其标高信息也可以粗略表示其垂直分布，但以投影位置和标高信息刻画矿产资源所有权权属边界，其准确性是难以支撑定纷止争的法律作用发挥的。矿产资源确权登记工作需清晰界定矿产资源及权属现状，仅依据现有二维空间数据难以实现矿产资源中的“物体”与“权属”双界界定、“资源”与“资产”双体空间表达、“物质”与“空间”统一管理。

矿产资源三维建模主要用于地质找矿、储量估算及矿区地质构造分析等方面[2-4,6-11]，其能较好地表达矿产资源边界状态，将其应用于矿产资源确权登记工作将在实现矿产资源三维表达的基础上，有效体现矿产资源权属边界界定，为确权登记中划清“四条边界”任务实现提供可能。

2) 矿体三维模型一般意义上是表示矿体的空间形态、产状以及成矿地质条件，按一定比例编制或在计算机上建立起同矿体实物相似的矿体立体模型。该模型能较形象而完善地表现矿体特征，揭示矿体的空间形态、品位分布等规律，目的是辅助研究矿床形成机理，进而指导矿山生产，具有直观和高度概括的特点。以往的矿产三维建模存在建模成本高、建模周期长、精度要求高等特点，相较而言，矿产资源确权登记对建模精度要求相对较低，但对建模周期及建模成本具有较高要求，故传统矿产资源三维建模方法难以直接应用。因此，研究形成面向确权登记的矿产资源三维建模方法无论是对矿产资源确权登记工作开展还是对矿产资源三维建模方法的应用都具有重要意义。

2 面向确权登记的固体矿产资源三维模型构建需求

面向确权登记的矿产资源三维模型构建应以满足确权登记制度的要求为根本，它并不完全等同于以“辅助研究矿床形成机理，进而指导矿山设计与生产”为目的的矿产资源三维模型构建，其主要关注点应是矿体表面，而不是矿体内部的模型化。

2.1 与重要程度和资料水准相当的模型精度

基于成本效益原则，面向确权登记的矿体资源三维模型构建，原则上应以少量增加地质工程测量工作为前提，主要是利用现有法定资料进行技术处理。所形成的模型精度应与相应矿产资源的重要程度和可利用基础资料的水准相当，模型的空间范围不得小于基于基础资料所能确定的矿体空间范围。

2.2 构建过程应尽量简化和自动化

面向确权登记的矿体三维建模不追求在圈矿范围以及储量计算上的高精度，建模过程应以模型满足确权登记制度要求为前提，尽量去掉与确权登记需求关系不大的业务环节(如矿体内断层、夹石的处理等)，尽量简化操作，尽量形成规则可以由计算机自动完成，尽量降低对操作人员的地质专业要求。

2.3 支持已有数字矿山成果集成

部分矿山企业已开展了数字化矿山建设，并根据矿区的地质特征和勘查现状建成了三维地质模型[12]，虽然在部分边界位置采用了一定的推测算法，但较大程度还原了各矿体的实际形态，随着勘查程度的不断推进，矿体模型也在持续完善。对已有数字矿山成果的集成能够在矿产资源确权登记过程中继续发挥其效用，划清矿产资源“物体”与“权属”双边界。

3 面向确权登记的固体矿产资源三维建模方法研究与实践

本文基于确权登记矿体三维模型建立的必要性和构建需求，遵循矿体三维模型构建的基本原理，依托山西省矿产资源储量三维立体调查登记试点项目[13]，结合贵州省、福建省自然资源(矿产)统一确权登记试点在三维建模方面的有益做法，在分析山西省现有固体矿产资源基础资料现状、矿山数字化建设成效的基础上，以山西省屯兰井田煤矿、王坡井田煤矿、奥家湾铝土矿、贺家圪台铝土矿、袁家村铁矿5个矿区涉及的煤矿、铝土矿、铁矿、黏土矿为研究对象，参照相关研究与实践[2-12,14-15]，以模型精细度与产权保护重要性相当、现有资料可基本满足、成本效益基本均衡、适应各种构造类型、建模操作尽量简化为原则，经多次探讨、反复论证，研究选定了由简到繁、由粗到细的简单法、剖面法、统计学三种固体矿产三维建模方法(图1)，并基于建模过程研制了快速三维矿产模型构建软件——F3DR(图2)，根据矿体形态、数据资料收集程度选用合适的建模方式，通过机器辅助、人工参与、流程化作业的方式快速完成固体矿产资源三维建模。

图1 面向确权登记的矿体三维模型构建方法Fig.1 Construction methods of three-dimensional model of ore body for rights verification and registration

图2 快速三维矿产模型构建软件——F3DRFig.2 Fast 3D mineral model building software——F3DR

3.1 建模过程与实践

3.1.1 简单法建模

简单法建模适用于呈层状、似层状、板状形态等构造相对简单的固体矿产资源或断裂构造、采空区等三维模型构建，主要依据顶/底板等高线以及钻孔中的有效矿体厚度，或纵投影/水平投影/倾斜投影及倾角演算出矿体三维模型。简单法建模使用F3DR软件自动构建，基本无需人工操作，研究区中王坡井田煤矿、屯兰井田煤矿、奥家湾铝土矿、贺家圪台铝土矿(图3)均适用此方法，能够较好地刻画矿体实际形态与边界。

图3 贺家圪台铝土矿简单法建模示例Fig.3 Simple modeling example of Hejia Getai bauxite mine

3.1.2 剖面法建模

剖面法建模适用于现有矿区剖面数据丰富，能够很好地刻画出矿体形态的情况。剖面建模法要求剖面内含有矿体轮廓线，且轮廓线封闭，拓扑无问题[2-3]。利用F3DR软件，通过单点定位或两点定位，将剖面数据自动转换到三维空间，在三维可视化界面，按照工程控制网度、矿体产状信息，进行各个剖面间的矿体轮廓线快速连接[13]，边缘处结合平推、尖推等实现矿体三维模型构建。剖面法建模需要简单人工操作，研究区中奥家湾铝土矿(图4)适用此方式。对奥家湾铝土矿进行简单法建模、剖面法建模对比，验证出层状、似层状、板状矿体更适合简单法建模，且经济效益更高。

图4 奥家湾铝土矿矿体模型Fig.4 Ore body model of Aojiawan bauxite mine

3.1.3 统计学建模

统计学建模适用于面对复杂矿体，需要借助探矿工程中的钻孔及品位信息进行三维立体模型圈定的情况。基于“位置表”“形态表”“采样信息表”数据，按照指定的勘探线方向和距离等参数，生成剖面数据，按照“边界品位”圈定不同剖面下的矿体轮廓(图5)，将各封闭轮廓进行曲面构建，最终将两侧开放的曲面生成闭合的曲面，曲面所包围的空间即为矿体三维模型[7]。统计学建模方法可用于所有已开展地质工作的矿区，研究区内袁家村铁矿适用此方法(图6)。统计法建模虽然能够较为准确地表达矿体边界，但建模过程复杂、专业性要求较高、耗时长投入大，面向确权登记的整体推广价值较低，建议仅针对有需要的矿区使用。

图5 矿体轮廓圈定Fig.5 Circle the ore body profile

图6 袁家村铁矿统计学建模示例Fig.6 Statistical modeling example of Yuanjiacun iron mine

3.2 建模方法对比分析

本研究所形成的固体矿产资源三维建模与传统矿产资源建模方法存在一定差异，具体分析如下所述。

1) 在建模路线方面，与应用于矿山生产的三维建模对比而言，面向确权登记建模方法充分利用已有数据，在保证建模精度满足矿产资源确权登记需求的前提下，降低了精度要求，深入融合自动化、程序化建模流程，形成了快速高效构建模型的技术路线。

2) 在建模工具方面，面向确权登记的固体矿产资源三维建模充分采用信息化技术，将繁琐复杂的建模参数内置到软件中，同时给出大量默认推荐值，形成了可应用于不同场景的F3DR软件，相较于传统的矿产资源建模软件更具有普适性，为矿产资源确权登记全面铺开提供工具支持。

3) 在建模成本方面，传统矿产资源三维建模成本高达几十万元，而本文所形成的面向确权登记的固体矿产资源三维建模成本在几千元至几万元，其更适合应用于矿产资源确权登记等类似行业。

3.3 建模成效评估

表1从所需基础资料、适宜矿种、矿产资源重要程度、模型精度、工作量投入、地质专业技能要求等方面总结了各种建模方法的特点，以此作为对特定矿体选用建模方法的主要依据。基础数据的情况一定程度上代表了矿体的重要程度、建模精度，为了满足快速登记的需要，应从所收集的基础数据入手，制定适宜的建模办法，利用F3DR快速完成建模工作，以支撑矿产资源三维立体登记。

表1 面向确权登记的固体矿产资源三维建模方法对比Table 1 Comparison of solid mineral 3D modeling methods for rights verification and registration

通过基于5个试点矿区的研究，得出以下结论：对于层状沉积矿产(煤、铝土矿等)矿体顶底板等等高线较齐全的矿种，可以使用厚度+底板等高线法、顶板/底板等高线法，快速建立面向确权登记的矿体三维模型；对于仅存于储量估算投影图以及相关资料的老旧矿山，可以使用二维投影块段法构建数字化矿体三维模型；对于变质类矿产矿体形态变化较大的，且已有较为丰富的地质剖面数据资料的矿种，可以使用剖面建模法[15]；对于已有数字化建设基础的矿山，可以直接集成或在对现有资料适度调整的基础上，采用统计学建模法建立矿体三维模型。

4 结 语

面向确权登记的矿体三维模型发挥着矿体“物”边界与国家所有权的“权”边界两种边界的双重角色作用，是“权利客体”与“权属空间”的统一。它与以矿物机理研究、矿产资源设计与开发管理为目的的矿产资源三维模型相比，具有类似但不完全一样的业务需求。笔者认为，前者应该是面向确权登记制度的需要而对后者的适度简化。

通过本次研究，面向从立体上清楚界定矿产资源所有权空间界线为基本目标，综合考虑时间成本、经济效益、技术难度、推广价值等因素，最终选定了适合不同赋存形态的固体矿产的3种矿体三维建模方法，并配套研制了适宜的快速三维矿产模型构建软件，通过空间关系，将三维建模成果与二维调查成果紧密衔接，实现地下矿产资源与地表山水林田湖草之间的统筹协调，为矿产资源确权登记由二维向三维扩展、平面向立体转换提供技术支撑。受时间、地点、条件的限制，本研究尚存在一定的局限性如试点矿种偏少、试点区域集中在北部等问题，笔者将在后续工作中，针对其建模方法、软件平台进一步加强、完善、优化。