三維地質建模與GIS的結合研究

李芳玉

(中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

三維地質建模與GIS的結合研究

李芳玉

(中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

三維地質建模與GIS應用目的不同,由此決定了它們研究重點不同,這二者的相互結合能促進雙方的共同發(fā)展,但目前對此還缺乏較系統(tǒng)的研究。這里在對三維地質建模和G IS功能進行比較分析的基礎上,指出了二者相結合的意義,提出了二者相結合的途徑并分析了各自的優(yōu)缺點,最后對二者相結合的發(fā)展趨勢進行了展望。

三維GIS;三維地質建模;結合

0 前言

GIS(Geographic Info rm ation System)是1963年由加拿大測量學家R.Tom lison首先提出來的,它是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng),該系統(tǒng)設計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示,以便解決復雜的規(guī)劃和管理問題。經過四十多年的發(fā)展,GIS已經廣泛應用于資源、環(huán)境、城市、交通等各行各業(yè)中。三維地質建模(Three D im ension Geo logicalM odeling)這一概念最早由加拿大的學者SimonW.Houd ling于1993年提出,它是一項運用計算機技術,在三維環(huán)境下,將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來,并用于地質分析的技術。它是隨著地球空間信息技術的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的,由地質勘探、數(shù)學地質、地球物理、礦山測量、礦井地質、GIS、圖形圖像和科學計算可視化等學科交叉而形成的一門新興學科[1],由此可見,G IS與三維地質建模有著密切的關系。三維地質建模的產生和發(fā)展離不開GIS的發(fā)展,三維地質建模可以看成三維GIS在地質這個特定領域中的應用[2],反過來,三維地質建模的發(fā)展可以促進三維GIS的發(fā)展,但是二者的應用目的和應用背景的差異決定了二者研究的重點不同。如何將二者進行有機地結合并促進相互地發(fā)展,是一個重要的研究問題,目前對此還缺乏全面系統(tǒng)的研究。本文在對三維地質建模和三維G IS的功能進行比較研究的基礎上,對它們之間功能相互融合的意義進行了全方位的分析,總結了三維地質建模與GIS相結合的途徑,并分析了各自的優(yōu)缺點,最后對三維地質信息系統(tǒng)的發(fā)展進行了展望。

1 三維地質建模與三維G IS分析比較

1.1 三維地質建模概述

三維地質建模主要應用于石油、礦山等領域,在功能上主要可分為二大部份,即構造建模和屬性建模。

(1)構造建模主要是指建立地質層面的三維模型,如:地層面、斷層面等。通常的思路是根據(jù)離散的點數(shù)據(jù)生成三維的面或由點生成線,再由線生成面。具體的方法有空間曲面插值擬合、不規(guī)則三角網(wǎng)的生成等。目前對簡單的地質體模型一般的建模軟件能較好的實現(xiàn),而對復雜地質體的建模方法還有待進一步的研究[3～5]。

(2)屬性建模是指建立儲層屬性參數(shù),如孔隙度、滲透率、含油飽和度等的三維空間分布模型。實際上是根據(jù)井點已知的屬性數(shù)據(jù),進行插值預測井間的屬性分布。

具體的建模方法總的可分為確定性建模方法和隨機建模方法,由于儲層屬性參數(shù)存在著不確定性,所以通常采用隨機建模和確定性建模相結合的方法[6]。

1.2 三維GIS特點分析

三維GIS的應用領域主要有城市、礦山、石油、管網(wǎng)、環(huán)境、軍事等,不同應用領域描述的地理實體不同。這些地理實體有地面的,也有地下的,它們的特點也不同。例如三維城市模擬的建筑物以及三維管網(wǎng)描述的管道往往是小尺度的,形狀比較規(guī)則,自身一般是封閉的,并且內部可為空;而石油、地質等領域描述的地質體往往是大尺度的,形狀比較復雜,有斷層、褶皺等,地質體內部屬性具有非均質性和多樣性的特點[7]。正因為如此,三維GIS目前并無通用的商用平臺出現(xiàn),而主要出現(xiàn)在專業(yè)應用領域,有些商用GIS軟件的三維功能也主要局限在三維表面,并非真三維。三維G IS的研究內容主要有三維數(shù)據(jù)模型、三維空間查詢、三維空間分析、三維空間數(shù)據(jù)庫、三維可視化等。

1.3 3DGIS與3DGM軟件功能比較分析

由于3DGIS和3DGM產生的背景和應用的目的不同,就決定了它們實現(xiàn)的功能側重點不同。在表1中對它們的功能進行了比較分析。從對比中可以看出,3DG IS的優(yōu)點體現(xiàn)在數(shù)據(jù)一體化管理和空間分析方面,而3D GM的優(yōu)點體現(xiàn)在三維建模能力之上,這是由它們的實現(xiàn)技術所決定的。由于3D GIS是基于空間數(shù)據(jù)庫的,所以它具有較強的空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)查詢功能。3D GM中集成了大量的確定性建模和隨機建模的技術,所以它具有很強的三維建模功能。

表1 3D GIS與3D GM功能比較Tab.1 3D GIS and 3D GM function comparison

2 三維地質建模與GIS的結合

2.1 二者相結合的意義分析

由于三維地質建模與三維GIS在功能上各有側重點,而目前三維GIS主要應用在不同的專業(yè)應用領域,并無通用平臺出現(xiàn),并且也不適合開發(fā)通用平臺。若能將GIS與三維地質建模有效地結合起來,充分利用各自的優(yōu)點,必將促進三維G IS和三維地質建模的共同發(fā)展。我們既可將三維地質建模的功能融合到三維G IS中,也可將三維GIS功能融合到三維地質建模中。在三維GIS中融合三維地質建模的功能主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)方便地建立三維地質構造模型。隨著G IS應用越來越深入,礦石、石油、地質的很多相關部門都采用GIS來管理數(shù)據(jù)和制圖,用戶往往希望能直接在GIS中生成三維地質圖。但目前的GIS軟件一般只能建立三維地形或地層的表面模型,建立斷層模型及真三維的地質模型的功能有限,其中一個重要的原因是目前還沒有建立一個統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)模型。三維數(shù)據(jù)模型一直是G IS的一個研究熱點和難點[8、9],而三維地質建模軟件中已經有比較成熟的三維模型,不過這種三維模型一般沒有考慮拓撲關系。如果將目前三維地質建模軟件的三維模型移植到GIS軟件當中,并根據(jù)特殊的應用,考慮是否加入拓撲關系,無疑會對三維GIS軟件的發(fā)展起到重要的推動作用。

(2)建立三維屬性模型。三維數(shù)據(jù)模型以及地質統(tǒng)計學,是建立在三維屬性模型的基礎上,目前有些G IS軟件已經融入了地質統(tǒng)計學功能,如A rcG IS9.x,這為建立三維屬性模型提供了基礎。

在三維地質建模中融入GIS功能主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成管理。在三維地質建模中涉及大量的原始數(shù)據(jù),如鉆井數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、生產數(shù)據(jù)、試油數(shù)據(jù)等,這些數(shù)據(jù)大部份都是與空間位置相關的。在目前的三維地質建模軟件中,這些數(shù)據(jù)往往分別以文件的形式存儲,數(shù)據(jù)之間缺乏緊密的聯(lián)系,并且無法有效地進行管理。GIS能將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)庫的形式進行集成化管理,從而便于數(shù)據(jù)的維護、更新和查詢。在三維地質建模中引入空間數(shù)據(jù)庫,無疑會大大提高對原始數(shù)據(jù)的管理能力。

(2)三維空間查詢。在目前的三維地質建模軟件中,能通過簡單的空間選擇查詢屬性數(shù)據(jù),但不能完成由屬性數(shù)據(jù)查詢空間數(shù)據(jù)、屬性和空間關系的組合查詢。例如通過輸入井名,查看井在研究區(qū)所處的位置,研究區(qū)往往有幾十到幾百口井,通過這樣的查詢可以大大提高工作效率。例如在三維地質建模中往往需要類似這樣的查詢:哪些井通過某條斷層,哪些井鉆穿了某個地層,距離某條斷層500m范圍的井有哪些等。在三維地質建模中融入這樣的三維查詢功能,無疑會提高工作效率和空間分析的功能[10～12]。

(3)多種信息的綜合分析。在三維地質建模中由于鉆井資料的限制,工作人員往往很難擬合出準確可靠的變差函數(shù),這時必須借助其它的輔助信息來確定變程和方向,G IS能將各種數(shù)據(jù)和信息集成到一起,包括不能直接被地質統(tǒng)計方法直接利用的信息,通過這些輔助信息指導模型的建立[13]。

2.2 結合模式剖析

三維地質建模與GIS結合的形式,可以歸納為三種:松散結合,緊密結合以及完全融合。

(1)松散結合就是將G IS軟件作為三維數(shù)據(jù)的采集、預處理及建立拓撲關系的工具,G IS軟件與建模軟件之間通過文件交換的方式建立聯(lián)系,它們擁有各自不同的用戶界面。有學者[3、4]用這種方式進行復雜地質體建模之前的數(shù)據(jù)預處理。采用這種方式的優(yōu)點,是可以根據(jù)需要對GIS軟件進行二次開發(fā)或直接利用GIS軟件已有的功能。缺點是無法進行真三維的空間查詢,因為目前還沒有真三維的通用GIS平臺出現(xiàn),這里的GIS軟件仍然是二維的。

(2)緊密結合的方式與松散結合方式的區(qū)別是只有一個用戶界面,緊密結合的方式有二種:①一種是對三維地質建模軟件進行二次開發(fā),在三維地質建模軟件中融入GIS特有的功能。國外有學者[11、12]研究在GOCAD軟件之上建立三維空間查詢系統(tǒng),并應用到固體礦產的勘探中。這種方式的優(yōu)點是能充分利用三維地質建模軟件本身所具有的強大建模功能,缺點是目前這些三維地質建模軟件二次開發(fā)功能有限,主要是利用動態(tài)鏈接庫或應用程序接口的方式,以插件的形式對原三維地質建模軟件進行擴展;②另一種方式是對GIS軟件進行二次開發(fā),使之實現(xiàn)三維地質建模功能[14],這種方式的優(yōu)點是可以充分利用GIS軟件強大的基于組件的二次開發(fā)功能,缺點是目前的GIS軟件一般僅僅具有強大的三維表面建模和分析功能,真三維建模和分析功能依然有限,這使得二次開發(fā)工作量很大,并且功能實現(xiàn)也有限。

(3)完全融合的方式就是三維地質建模與三維GIS的技術完全融合到一起,形成一套完整的三維地質信息系統(tǒng)。這種三維地質信息系統(tǒng)應具備的基本功能有:①三維數(shù)據(jù)的采集;②三維數(shù)據(jù)的編輯;③三維地質建模;④三維空間查詢等。這種方式需要完全從底層進行開發(fā),需要花費較大的人力和物力,開發(fā)周期長,并且目前還有很多技術難點沒有解決。

3 結論與展望

通過以上對三維地質建模與三維GIS相結合的意義和模式的分析,考慮到完全融入還存在一定的技術難度,目前適合采用緊密結合的方式,這種方式能保證充分利用它們各自的優(yōu)點。但隨著相關技術的進一步發(fā)展,完全融合是發(fā)展的必然趨勢。

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P 208;TP 391

A

1001—1749(2011)01—0097—04

國家自然科學基金資助項目(40672095)

2010-08-09 改回日期:2010-11-05

李芳玉(1973-),女,博士,講師,研究方向為三維地理信息系統(tǒng)與三維地質建模。