大数据时代煤炭资源勘探中信息化工作的几点思考

李青元， 张明辉， 程爱国， 刘 洁， 张 楠， 陈美英

(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 地球观测与时空信息科学国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830；3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

近年来，煤炭在我国一次能源中的比例有所下降，煤炭资源勘探也在经历了煤炭工业“黄金十年”的发展高峰期后进入了调整期。但在可以预见的二、三十年内，煤炭仍将是我国一次能源的主力。鉴于我国可供建井的储量并不充足，煤炭资源勘探在很长的一段时间内仍然是不可或缺的[1-3]。煤炭资源勘查由过去的粗放型模式向着勘查精细化[4-6]、综合化[7-8]、绿色化[9-11]、信息多维化的方向转变将是大势所趋。从上世纪七十年代开始，信息化就一直伴随着煤炭资源勘探事业的起伏而起伏。从早期的数学地质方法引入、PC1500可编程袖珍计算机应用、地震勘探与资料处理系统引进，字处理软件引入地质报告编写，用Dbase/Excel管理各种属性数据表，用AutoCAD制作柱状图、剖面图、平面图，到高精度三维地震、各种电法方法的大面积应用。这些静悄悄的变化在无形中提升着煤炭资源勘探行业的野外勘探精度与报告编制效率。近年来，三维地质建模技术开始冲击传统的煤田勘探行业二维图件系统，而今又进入了大数据、人工智能时代[12-14]。大数据时代对煤炭资源勘探以及煤炭资源勘探中的信息化工作提出了新的要求。这是煤炭资源勘查行业的信息化工作者都在思考的问题。煤炭资源勘查要围绕保障煤炭的绿色开发，围绕煤田勘探的精细化、综合化、绿色化的战略定位。针对上述问题笔者提出一些不够成熟的思考，希望起到抛砖引玉的作用。

1 信息化应该覆盖煤炭资源勘探的从始到终的全过程

信息化工作必定是伴随着煤炭资源勘探项目的全过程。每一个项目从项目的酝酿、编制方案、申请、立项、野外施工、资料采集、绘制图件、编制报告、验收、存档。这当中的每一个环节都涉及到信息化，只不过不同阶段其工作的重点有所不同。煤炭资源勘探的最终成果——地质报告，就是一个信息化产品。地质报告的信息化价值还应向后延伸，顾及到将来煤矿规划、设计部门的使用。报告成果的三维地质模型最好能直接进入煤矿设计院的设计系统，避免二次数字化、三维建模带来的工作量和精度上、信息上的损失。标准的、地质模型三维可视的数字化地质报告的使用价值一定是大于传统的二维图件(即使其二维图件已是数字化)为主要载体所表达的地质报告的使用价值。

2 云平台建设将成为煤炭地质勘查企业信息化的主流

传统的企业网络架构由于其平均资源利用率及能耗低下，新业务上线测试周期长、效率低下等原因，已经不能适应企业信息化的需求，煤炭地质勘查行业也不例外。基于云计算基础架构的云平台架构将成为煤炭地质勘查行业企业信息化的主要抓手。通过将企业所属的存储服务器、网络服务器、台式机、笔记本、打印设备等存储、计算资源通过IaaS虚拟化，转换成为云架构下资源池中的可共用资源，从而提高企业资源的利用率与整体效率。传统的软件资源通过基于Docker容器技术的新型PaaS架构转化成云应用，最后以SaaS的方式 提供给用户使用。但是并不是所有的传统软件都能通过这种方式转换升级。哪些传统软件能通过这种方式升级？哪些不能直接升级而需要改造，甚至需要重新开发？另外，在云平台上开发应用软件与传统的软件开发方法有什么不同？这是云平台时代需要企业信息化技术主管与决策者需要仔细调研的课题。云平台的基础架构只要经费到位一般来说就能实现，难的是在云平台上开发适合于煤炭地质勘查业务的应用系统，而这方面目前成功的案例尚不多。

3 三维地质模型是大地质数据信息集成的空间框架

3.1 地质图件的制作环境将由二维转向三维

地质模型的空间几何形态本来就是三维的。用二维的底板等高线图、垂直剖面图来表达三维的地质模型是在信息技术不发达的条件下不得已的退而求其次的方法。二维的平面地质图、垂直剖面图是对三维地质模型的降维表达，底板等高线图是对三维地质曲面的2.5维表达。随着计算机三维几何造型与交互式编辑技术的成熟，地质报告编制过程中地质图件的制作环境必将由二维转为三维。三维地质建模软件所提供的真三维的作图环境将使得地质制图工程师的空间想象与三维推理受到已有资料、数学几何法则的支撑。三维地质模型制作好以后，二维垂直剖面图的制作将不再像以前那样费工、费时，只需要指定剖面的起始与结束位置，眨眼之间就可制作完毕，而且所制作的剖面图与底板等高线图等平面图在几何形态都能很好的相容。字处理软件和二维作图软件引入地质报告编制曾经使得地质报告的编制效率得到了很大的提高。而地质图件制作由二维升到三维，将引发地质工程师对三维地质模型空间形态编辑、断层切割关系、构造演化过程的理解等一系列问题的深刻变革。在三维地质模型时代，平面图与剖面图仍然十分重要，不仅是因为平面图与剖面图是对三维模型的降维表达。更重要的是对三维模型进行编辑修改时，仍然是在平面图与剖面图上最为方便。由于有后台三维模型的支撑，在平面图或剖面图上的编辑将能够做到平剖面三维联动编辑[15]，即修改了平面图，剖面图会自动更新；修改了剖面图，平面图也会自动更新。

3.2 三维地质建模软件将能适应较为复杂的煤层与构造

目前的三维地质建模软件在处理煤层的分叉、尖灭以及逆断层方面的能力与方式令现场地质作图工程师非常不满意。基本上很难完成煤层分叉尖灭、逆断层切割等较为复杂的形态建模。三维地质建模软件正在稳步成熟。随着计算机硬件能力的稳步提升以及大数据处理技术、深度学习、定向迭代等人工智能方法的引入，三维地质建模的半自动化、自动化水平正在稳步提升，在可以预见的3～5年内，将能较为容易地处理煤层分叉、尖灭、以及逆断层切割、地层倒转等这些以前很难处理的较为复杂的煤层与构造形态。地质工程师使用三维地质建模软件将不会像以前那样繁琐与低效。

3.3 三维地质建模将由以往的主要关注形态转向形态与属性并重

三维地质建模技术已经由早期的主要关注形态建模方式向形态与属性并重的方向发展，使得在精确地表达地层界面、地层体、分叉尖灭、断层切割等构造形态的同时，还能表达界面上、小层内、大层内的属性非均匀变化情况。表达煤层、煤系地层、页岩气层等层状矿床顺层方向与穿层方向的属性变化情况。为实现很多以前地质工程师们想做而无法做的研究想法与创意提供了可能。

3.4 以图形表达的三维模型与以表格(数据库)表达的属性数据结合将更加紧密

以图形形式表达的三维模型将与以表格(数据库)表达的属性数据结合更加紧密。在地质报告中，图形与表格是表达地质要素的空间形态与属性特征的两种常用的形式。其实，图形、表格与文字在计算机世界里都是“数据”。数据库是以一种结构化的方式存储的数据。从其存储数据的类型的角度可分为图形数据库(也称空间数据库)与属性数据库。图形数据库存储要素的空间几何形态的数据，属性数据库以“表格”的形式存储要素的属性特征值。

图形数据(也称空间数据)的存储方式有矢量与栅格两种方式。矢量方式是以抽象的点、线、面、体的集合表达的要素世界。这里的点、线、面、体，是指点状要素、曲线要素、曲面要素和不规则多面体要素。点、线、面、体的划分是与要表达的层次细节有关，即与所谓的“尺度”或“比例尺”有关。点状要素并不是这个对象就是一个点，而是说在对象表达的这个层次上可以将其抽象为一个点。例如北京这个城市在全国行政区划图上可以将其抽象为一个点要素，在比例尺更大一点的行政区划图上又可以将其抽象为一个多边形(即面要素)。其实北京这个“点状要素”或“面状要素”里包含了无限可细分的许多的层次细节，就看用户希望抽象到哪一级。

4 多源信息集成、整合与同化仍然是煤炭资源勘探信息化中的重点与难点

地质大数据的三个最显著的特点是(1)空间上的定位性，即采集数据的空间位置(进而可确定其地层层位位置)；(2)横向上具有专业分类性，即不同专业数据应分门别类存放；(3)纵向上具有层级性，不同分辨率的数据代表了不同的抽象、综合层次。

地质大数据具有复杂的数据构成，这是由研究对象的复杂性决定的。因此，对于地质实体与现象的描述总是由部分抽样数据或不同专业数据来表征，这就决定了地质数据类型的多样性[12-14]。数据不整合就发挥不出大数据的大价值[16]。

多源信息的集成、整合与同化仍然是煤炭资源勘探信息化中的重点与难点。煤炭资源勘探数据是典型的多源、异构大数据，诸如：不同分辨率的地表遥感影像、野外拍摄的照片、手绘的路线剖面图、野外采集的岩石标本、古生物标本、钻井过程中的录井测井数据、岩芯照片、薄片显微图像、分析化验数据等。这些原始数据以及通过处理所产生的中间数据与最终成果都是TB甚至PB量级的，用常规的方法难以同时调入进行显示，即便能够能够同时调入，显示出来也是混沌一片、杂乱无章的。因此对这些海量的多源、多尺度、多分辨率、多类型的地质大数据，进行有效地分类，使之相互关联，既能独立地处理与调度，又能相互调用、相互印证，从而构成一个高效组织、有机关联的信息网络，是煤炭资源勘探信息化中的重点与难点。三维地质模型可以为地质大数据的信息集成、整合与同化提供基本的空间框架。

首先是物探数据与地质数据的结合。遥感影像、野外地质观察、钻探、物探(重、磁、电、震、测/录井)，每一种勘探手段都具有其他手段无法取代的优势。在统一的平台与坐标框架下，对这些勘探手段获得的不同类型的数据进行集成，能够相互约束、相互印证，取长补短。

这些不同来源、不同类型、不同分辨率的勘探数据能够集成、同化的数学基础就是共同的空间坐标参照。相同的坐标框架，只是多源数据信息集成的基础，还需要将低分辨率的数据合理细化，将高分辨率的数据粗化，以及根据参数间的相关性，由已知的某几种参数推算出与其相关的参数等一系列的技术方法。煤炭、油气勘探中两类主要数据(地球物理中地震和测井数据与地质实验分析数据)存在分辨率和尺度上的矛盾，即所有高分辨率数据是不连续的，而连续的数据的分辨率都是有限的。解决勘探面临的数据分析问题，关键在于如何实现低分辨率数据细化(Downscaling)到目标勘探层，高分辨率数据粗化(Upscaling)到地质体中[17]。

5 煤炭资源勘探中几种应开发的专家系统

专家系统在上世纪八、九十年代就曾风靡，但由于当时的软件水平的限制，大多数的专家系统远达不到“专家”的水平，而且总体表现欠佳，基本未达到实用水平，因此逐渐被人们所淡忘。近年来，由于各种人工智能算法的成熟，尤其是在围棋领域“阿尔法狗”战胜世界冠军后，人们对于人工智能、专家系统的热情再一次被点燃。正如马云所说，人工智能专家们不应都一窝蜂地去研究“阿尔法狗”，而应将“阿尔法狗”所表现出来的人工智能的能力应用到各行各业中帮助人们解决实际问题。在三维地质建模、大数据、云计算、人工智能等新技术的支持下，煤田地质勘探很多领域的工作效率将获得极大地提高。下面是笔者认为可以借助人工智能构建的煤田地质领域专家系统。

5.1 煤岩层对比专家系统

煤岩层对比是煤田勘探的基础工作，煤岩层对比出现错误，那后续的构造形态分析、储量计算都不会正确。基于三维地质建模平台的煤岩层对比专家系统可以给地质工程师提供根据钻孔数据在纵、横剖面上拉线进行地层连接方案对比的工具。对于多层难以人工确定对比方案时，专家系统可以用神经元网络、遗传算法等人工智能方法计算不同对比方案的全局符合率，遴选最优的对比方案。

5.2 构造分析专家系统

构造分析与评价是煤炭地质勘探的重要内容。基于三维地质建模平台，开发帮助煤田构造研究者进行定量构造分析与评价的专家系统，对勘探区的构造形态、构造样式、构造演化史进行重建，是三维地质建模深入煤田地质构造分析的一个切入点。

5.3 沉积环境分析专家系统

沉积环境分析是在煤岩层对比的基础上，对含煤盆地的沉积演化历史，以及煤系、煤层的形成环境进行分析。可以根据野外采样、钻井岩样、显微薄片分析结果、测录井曲线、地震剖面等多源数据所提供的信息，进行综合分析，构建古沉积环境，重建古陆源、古海湾、古河道、古三角洲等古代沉积与成煤环境。

5.4 开采条件评价专家系统

现在煤与煤层气、黏土矿、煤系矿床的综合勘探与开发，是煤炭资源勘探的重要研究课题[18-20]。煤炭资源勘查的最终目的是要进行开采。利用开采条件评价专家系统对煤层、构造、水文、围岩条件等多种因素进行综合评价，为煤炭资源的规划、设计、开采提供更加科学合理的依据。

以上这几个专家系统可以集成到一个系统中。

6 标准化是煤炭资源勘探中信息化达到目标的重要保障

国内煤炭地质勘查行业形成了以(DZ/T 0215-2002)《煤、泥炭地质勘查规范》为核心，专业地质勘查标准为配套的煤炭地质勘查标准体系[21]，有效地指导和规范了煤炭地质工作，保障了勘查工程和成果的质量。技术是在不断地进步，因此标准工作也需要不断地跟进。

6.1 煤炭地质勘探三维地质模型数据交换标准

笔者认为三维地质建模是反映目前地质勘探领域信息技术进步的重要成果之一。在实际工作中，找煤阶段的成果会被勘探阶段继承使用，勘探阶段的成果会被煤矿设计院继承使用，煤矿设计院的设计成果会被建井部门和最后的煤矿生产部门继承使用。三维地质模型的标准化有助于勘探成果的继承、传递，避免重新数字化、重新建模带来的社会资源的浪费和模型精度的降低。2015年12月中国地质调查局发布了三维地质模型数据交换格式标准(Geo3DML)[22]。该标准是由中国地质调查局下达任务，由中国地质调查局发展研究中心牵头，中国地质科学院水文地质环境地质研究所、中国矿业大学(北京)、中国地质大学(武汉)、北京大学、北京航空航天大学、中国地质科学院矿产资源研究所等7家单位参加，历时5年研制而成。这几家研制单位以及中国测绘科学研究院、北京三地曼公司等单位参与了标准的试用。参试单位都可以将自己软件所建的三维地质模型转换成Geo3DML，并能将其他几家软件所建三维地质模型通过Geo3DML导入到各自的软件中进行正常显示。

Geo3DML标准的背后有一个很强大的团队在提供技术支持。针对煤炭地质勘探行业，可以在Geo3DML的基础上补充相应的规定，形成适用于煤炭地质勘探特色的三维地质模型数据交换格式标准。

6.2 煤炭地质勘探三维地质模型数据集成标准

多源、多类型、多分辨率数据集成、同化的方法与标准是一个值得研究的课题。这里面既有技术、方法问题，同时也有工作流程、步骤、设置的标准化问题。一个好的解决方案只有形成一定的标准后才可能大规模推广使用。而建模的的顺序、流程与操作方法往往是由软件所确定的，例如GoCAD、Petrol、Surpac、DeepInsight、MapGIS、3DMine、Dimine等软件都有自己的建模流程。煤炭地质勘探领域要建立自己的数据集成标准，可能需要选择2～3家软件开发厂商进行定制开发，然后在应用中优胜劣汰。

7 结束语

大数据时代，煤炭地质勘探信息化的核心技术仍然是三维地质建模技术。

三维地质模型如果只是用来看一看，旋转旋转，切割切割，那就意义不大，可有可无。三维地质模型只有与煤田地质勘探的业务深度结合，并且构建于云平台的架构之上才有生命力。煤田地质勘探领域的三维地质建模才刚刚展露出一点曙光。软件研发的道路还很漫长，可增长的空间还很大，还有很多技术难题等待研发人员去攻克。煤炭地质勘探行业的三维地质建模技术需要研发经费的支持才能走向成熟。这是一个值得煤炭地质勘探行业的决策者们进行投入的方向，也是引领煤炭地质勘探技术水平上台阶的关键技术之一。