用电子版传统地质报告构建煤炭勘探区三维地质模型方法与软件研究

李青元，李 爽，郝多虎，魏新勇，张 宣

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国测绘科学研究院，北京 100036；3.中国煤炭地质总局一七三地质队，河北涿州，072750；4.畅图科技公司，北京 100083)

0 引言

煤矿正在由传统的粗放型开采向数字化、智慧化开采发展。数字矿山、智慧矿山将促使煤炭资源勘探向绿色、精细、真三维的方向发展[1-3]，三维地质建模技术将越来越多的应用于煤田地质勘探中[4]。采用三维地质建模可以更立体、直观、精准地展示煤矿区煤层与围岩以及断层的形态特征，并为煤田的沉积环境分析、储量计算、开采条件分析以及以后的矿井设计、建井、开采带来众多的好处[5]。在过去几十年的煤田地质勘探工作中积累了大量的传统纸质版地质报告，自20世纪80年代末，电子计算机在煤田勘探的地质报告制作中广泛应用，地质报告基本实现了电子化。这些电子化的地质报告采用Office/WPS编制文字报告与表格，用AutoCAD/MapGIS等制作各类图件[6-8]。这些图件如地形地质图、煤层底板等高线图、勘探线剖面图所要表达的地质内容都是真三维的，但它们的形式是二维的，它们需要在地质工程师的头脑中才能还原出三维模型，无法在屏幕上直接显示成三维形态。这些电子化的地质报告距离智慧矿山所要求的矿区真三维地质模型还有很大的差距。矿井设计、建设与运营单位需要耗费巨大的人力物力才能将电子化的地质报告转换为三维地质模型。由于现在勘探规范并没有要求勘探项目必须提交三维地质模型。估计地质队提交的地质报告还会在较长时间内以电子化的传统地质报告为主。

目前国际、国内都已有若干成熟的三维地质建模软件，如国际上的GoCAD、Petrel、Surpac、Micromine。国内也有很多已较为成熟的三维地质建模软件，如北京网格天地公司的DeepInsight(深探)、武汉中地公司的MapGIS、北京超维创想公司的Creatar、武汉地大坤迪公司的QuantiView，北京龙软公司的Longruan，中南大学的Dimine，北京三地曼公司的3DMine，西安集灵公司的VRMine，山东蓝光公司的智慧矿山软件等。这些软件经过多年的发展都已经达到商业化运营的程度。这些软件都可以用于煤炭地质勘探的三维地质建模。但这些软件都还不是直接针对煤炭地质勘探行业。自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室研究了以高精度地震数据为主要数据源的基于精细勘查的煤矿地质保障信息系统[9]。这些三维建模软件都有自己的建模流程。但其基本原理是相通的。

由此本文探讨由电子版传统地质报告制作三维地质模型中的通用方法。

1 地质报告中的三维建模数据源

电子版传统地质报告的三维建模数据来自以下几个方面：

(1)各种原始或成果数据表格

如①钻孔孔位数据表、②钻孔井斜数据表、③钻孔见煤数据表。由①、②表可以构建各个钻孔的三维空间形态；③表结合表①、②可以定位各钻孔中不同煤层顶底板的三维空间位置，它们是地质报告各类图件编制的基础，也是三维地质建模中必须遵从的“硬约束”。

(2)各类图件

这些图件是有的是野外直接实测的，如①地形地质图；有的是地质工程师用原始采样数据经过加工编制的，如②煤层底板等高线图、③勘探线剖面图。

1)地形地质图：可以看成是用地面这一特殊的曲面去虚拟“切割”三维地质模型，然后垂直投影到水平面上而获得的一个对三维地质模型的降维表达。它的上面既有表达切割面(地面)自身形态的地形等高线，也有反映被切割的地质模型内的各种面要素(如地层界面、断层面)与切割面——“地面”相交而成的“交线”(地层界面露头线、断层露头线)；以及地质模型内的体要素(地层体)被地面切割相交而成的多边形——“地层多边形”。

2)煤层底板等高线与储量计算图：可以看成是以煤层底板这一特殊的曲面去切割三维地质模型，然后垂直投影到水平面上而获得的一个对三维地质模型的降维表达。它的上面反映切割面(煤层底板曲面)本身形态的是煤层底板等高线，反映与被切割的断层面的交线——断面交线，反映被切割钻孔线的交点是钻孔底板见煤点。

3)勘探线剖面图：由钻孔地面连线的向下的折垂面去切割三维地质模型，然后水平投影到折垂面上而后拉直而成。它的上面有切割面与地质模型的面要素(地形面、不整合面、地层界面、断层面)的交线，也有切割面与地层体的相交的多边形。

2 三维地质模型的建模方法

由电子版传统地质报告构建三维地质模型的建模方法就是综合使用多种技术手段，将地质报告的二维图件、表格的数据转化为能在计算机上能三维显式的三维数据模型。这其中涉及到二维图形元素的多次嬗变。其中最关键的变化就是将各煤层底板的二维等高线转化为三维曲面的不规则三角网，并由各煤层底板曲面上的断面交线构建断层面。传统的地质报告中的煤层底板曲面的空间形态是用被断面交线切割的底板等高线表达的。地形曲面是用地形等高线表达的。而三维地质模型中煤层底板曲面、断层面和地形曲面都是用不规则三角网(TIN)支撑的小三角面片相连而成的“蒙皮”曲面构成的。二维的勘探线剖面图转换成三维勘探线剖面图的关键是将二维垂直剖面上的线要素的坐标转换为三维空间坐标[10]。

3 转换操作前的数据预处理

下面讨论煤层底板等高线图构建煤层底板曲面之前的数据预处理。一般而论，从二维的AutoCAD、MapGIS图件构建三维地质模型需要经过以下几步预处理。

3.1 将AutoCAD、MapGIS图件转换到目标平台

将AutoCAD、MapGIS的图形交换文件转换到目标平台，原图形文件中有很多图层内容对三维地质建模没有什么用处，可以扔掉，留下有用的图层。GDAL是一个用C++编写的开源的国际通用图形数据读取工具包，dwg、dxf、shp等常用的国际软件的交换文件的读写都可以实现；对于MapGIS等国产GIS软件的交换文件(.pat、.pal、.pap),可以用扩展GDAL的OGR库的方法[11]。

3.2 将断开的等高线连接起来

在电子版传统地质报告的煤层底板等高线图制作过程中，作图员为了图件的美观，往往会在等高线标注处将本来是相连的地形或煤层底板等高线打断，这在以二维视觉效果为主的传统地质报告中是没有问题的，但对于以三维地质建模为目的的数据预处理需要将其连接起来。连接中需要注意，对于被断面交线隔开的等高线不能相连。好的三维地质建模软件应能自动扫描并连接“应连接”的等高线。

3.3 处理等高线的“未及”与“过伸”

在等高线与断面交线(以及无煤区边界线)等线要素交界尤其要注意处要等高线的“未及”与“过伸”问题。“未及(undershot)”是指一条线本来应该与另一条线相交，但是“差一点点”没有交上；“过伸(overshot)”是指一条线本来应该相交并终止于另一条线，但它走过了，在交点的另一边留下一小段过剩的线头[11]。“未及”与“过伸”在传统的地质报告图件中都不是问题，因为它们“几乎”看不出来，但在三维地质建模中则可能导致通过等高线为断面交线的高程赋值失败。好的三维地质建模软件应该有自动检测并处理“未及”与“过伸”这种“瑕疵”的功能，如图1、2所示。

(a)原始“未及”线 (b)处理后两条线相交图1 “未及”线及其处理Figure 1 “Undershot”line and its treatment

(a)原始“过伸”线 (b)处理后两条线相交图2 过伸线及其处理Figure 2 “Overshot”line and its treatment

3.4 为等高线赋高程

电子版的传统地质报告的地形地质图、煤层底板等高线图上一般都没有为等高线的属性赋高程，而只是在等高线上或傍边标注高程，从传统的地质报告审查标准来看，这没有一点问题，但三维地质建模需要每根等高线的属性赋值为其所标注的高程值。三维建模软件除了提供单根等高线赋高程的功能外，还应提供根据等高线具有等差高程的特点拉线批量赋高程的方法。每根等高线赋以高程值后在三维软件中就自然“立起来”了(图3)。

图3 煤层底板等高线赋以高程后(三维图)Figure 3 Contours of coal floor after elevation given (stereo)

3.5 用等高线为断面交线赋高程

断面交线、煤层无煤区边界线、勘探区边界线这些线要素在原始图中都是没有高程的，但当它们要成为煤层底板曲面三维建模的约束边界时就必须给它们赋予合理的高程。最合理的做法是使断面交线、煤层无煤区边界线等线要素从与其相交的煤层底板等高线获取高程。断面交线通过与其相交的煤层底板等高线获取高程后的三维形态如图4所示。

图4 断面交线通过煤层底板等高线获得高程(三维图)Figure 4 Fault lines after elevation given from the contour map of the coal floor (stereo)

煤层底板等高线图的数据预处理完成后，下面就该进入到曲面构建——三角剖分阶段。

4 半自动分区构建煤层底板曲面

煤层底板曲面三维建模的过程就是将由等高线和断面交线表达的曲面升华为由不规则三角网表达的曲面，即由等高线、断面交线限定的“三角剖分”。对于被断层完全切断而分成几片的煤层底板曲面，唯一可选的三角剖分方案就是分片三角剖分。完全全自动的分片三角剖分也许将来可以实现，但其算法将非常复杂。目前较为明智的方案是半自动分片，即由用户用鼠标点击选择分片的边界线要素(如断面交线、无煤区边界线、工区边界线)，构成分片的外边界环(图5、图6)

图5 某试验区的煤层底板等高线图(平面图)Figure 5 Contour map of coal floor in a test area (plan)

图6 试验区应分为4个分片(平面图)Figure 6 Test area should be divided into 4 subareas (plan)

4.1 构建分区边界环的构建顺序

构建分区边界环的顺序是从与工区边界环相交的断面交线开始，逆时针方向顺序点击断面交线，最后点击工区边界线。下面以图6中的1分区为例，说明构建分片边界环的操作顺序(图7)，其生成的分区边界环见图8。

图7 分区1外边界环的点击顺序(平面图)Figure 7 Click sequence of subarea 1 outer boundary ring (plan)

图8 分区1的外边界环(平面图)Figure 8 Outer boundary ring of subarea 1 (plan)

4.2 分区内的三角剖分

分区边界环构建成功后，分区内的三角剖分基本上就可自动完成。软件需要经过下面的几步。

1)自动扫描分区内的断面交线，构建分区内的断面交线环。

2)自动判断断面交线环是逆断层环还是正断层环。其原理就先扫描与断层环的两条断层线在端点处相交的煤层底板等高线；然后判断这些底板等高线的靠近断层环的这一端的第一段与断层环的另一条断层线是否相交，若相交，则为逆断层；若不相交，检查其第二个节点是否落在断层环中，若是，则为逆断层，若未落入断层环，则为正断层(图9)。

图9 逆断层环与等高线(平面图)Figure 9 Reverse fault ring and contours (plan)

4.3 分区三角剖分的实现

在三维地质建模中，构建三维曲面的本质是三角剖分，即确定各地质要素的采样点或虚拟控制点的相互连接关系。

1)正断层边界环处理算法：正断层环的中间是煤层缺失的空白区，因此三角剖分较为简单，对于正断层环的处理方法就是直接将正断层边界环的采样点按照顺时针方向组织成顶点数组作为三角剖分的内边界环。

2)逆断层边界环处理算法：逆断层环中间是煤层叠覆区，因此含逆断层叠覆区的三角剖分一直是困扰三维地质建模的难题。蔡强，杨钦等人提出了“引桥边”的逆断层分片建模法[12]。魏竹斌、李青元提出了一种通过在叠覆区外添加一个外包围环，将叠复区与正常区分开，然后将叠覆区区分为上、下盘分别剖分，再去掉外包围环的实现逆断层叠复区的三角剖分方法[13](图10)。

图10 分区3的三角剖分后显示的三维曲面(三维图)Figure 10 Subarea 3 3D curved surface after triangulation (stereo)

5 三维断层曲面的构建

煤田三维地质建模首先是煤层底板曲面的三维建模，然后就是断层曲面的三维建模。断层面的构建至少有下面两种方：方法一就是将上下各煤层底板曲面上的相同的断面交线连接起来作为骨架线，然后以这些骨架线为基础构建断层曲面，如图11所示。

图11 以上、下三个煤层的断面交线构建的断层面(三维图)Figure 11 Fault curved surface constructed by fault lines of three coal seam floors (stereo)

方法二就是将不同勘探线剖面图上编号相同的断面交线作为骨架线，构建断层面，如图12所示。

图12 以相邻勘探线剖面上同一断层编号的断面交线做骨架线构建断层面(三维图)Figure 12 Fault lines of same fault code on adjacent sections used as skeleton lines to construct fault curved surface (stereo)

可用样条曲线对由剖面断面交线作为骨架线构建的断层面进行光滑处理，如图13、图14所示。

图13 样条曲线光滑处理后的相邻勘探线剖面断面交线做骨架线构建断层曲面(三维图)Figure 13 Fault curved surface construction through smooth processing for fault surface mode by fault line as skeleton in the adjacent sections (stereo)

图14 煤层底板曲面、断层面与三维剖面(三维图)Figure 14 Coal floor curved surface,fault curved surface and 3D section (stereo)

6 煤层与岩层体的构建

没有完成煤层与地层体的构建，就不能算真正的三维地质模型。煤层体的构建需顶、底板曲面再加上侧环面。

6.1 煤层顶板曲面的构建

地质报告的图件中一般都没有煤层顶板等高线图，但是有各煤层厚度等厚线图。煤层顶板曲面的构建方法就可以用煤层底板曲面再加上煤层厚度等值图所代表的煤层厚度，再加上钻孔中的煤层顶板采样点坐标，这是因为煤层厚度等值线图的等值线远煤层底板等高线图的等高线稀疏，因而其对煤层顶板的形状控制要低，需要增加钻孔、坑探、井下等一切可能的煤层顶板形态控制采样点。当然在构建煤层底板曲面的时候也可以加上这些底板形状控制采样点。

6.2 煤层体侧环面的构建

煤层体的侧环面是由煤层顶板曲面边界环、底板曲面边界环上的采样点上下相连而成。即煤层侧环面是由断层面的一部分+勘探区边界垂直下切面的一部分+顶底板无煤区边界相连面+煤层尖灭线等复杂的曲面成分构成。煤层侧环面在煤层尖灭处就退化为煤层尖灭线。

煤层的顶、底板曲面再加上侧环面就构成矢量化的煤层体的边界曲面。

地层体的构建方法与煤层体的构建方法类似。地层体的分层粗细以与勘探线剖面图上的分层一致比较合适。

7 建议

当前的煤炭地质勘探报告编写规范中并没有要求必须提交三维地质模型[14-15]，因此在相当长的一段时期内，三维地质建模对煤炭地质勘探仍然是“锦上添花”的事。但是，不可否认的是煤炭勘探区的三维地质模型是有具巨大使用价值的好东西。为美好的事物进行技术准备总是不会错的。按当前的规范提交的地质报告将来总是要进行三维地质建模的。因此，建议进行电子版传统地质报告图件编制时，除了考虑满足当前地质报告编写规范外，还应尽可能的照顾到将来三维地质建模的需求。具体建议如下。

1)等高线、断面交线能不打断尽量不要打断。可以采用等高线标注图层(设置为不透明)压在等高线图层之上的方法，使得等高线标注美观，但又不需要打断等高线。

2)在等高线与断面交线、无煤区边界线等限定线交接处应尽量避免“未及”与“过伸”。在断面交线的“过伸”可能导致错误。如图15由于左上角等高线的“过伸”会导致软件将其判断为逆断层，但结合该断层其它处的等高线，该断层实际上是正断层。

图15 等高线“过伸”导致断层可能被误判为逆断层(平面图)Figure 15 Contour “overshot”caused fault may be misjudged as reverse fault (plan)

3)避免出现等高线跨越断层，如图16所示。这种情形按传统地质报告的要求也是错误的。

图16 不应跨越断层的等高线(平面图)Figure 16 Contour should not cross the fault line (plan)

4)应持续地扶持煤炭勘探三维地质建模软件的研发与应用。三维地质建模软件用于煤炭勘探，不仅能生成能为煤矿设计、建设带来益处的矿区三维地质模型，而且能提高煤炭地质勘探成果的精准度，为勘探工作自身带来好处。