三維地質建模技術研究

明 鏡

(重慶市勘測院,重慶 400020）

三維地質建模技術研究

明 鏡

(重慶市勘測院,重慶 400020）

為研究三維地質建模的基本理論、發展現狀及未來,該文回顧了三維地質建模產生的歷史背景,闡述了三維地質建模流程,從矢(柵）屬性、空間尺度、時間維度、拓撲一致性等方面對其進行了分類,并探討三維地質建模在石油、地下水模擬、數字礦山、城市地質、巖土工程等領域中的應用。在研究三維地質建模方法和國內外軟件的基礎上,分析了其難點及關鍵技術;對三維地質建模進行了綜合定義,并總結了三維地質建模亟待突破的研究方向。

三維地質建模;應用領域;關鍵技術

在地質構造復雜的大型工程中,地質信息眾多,面對大量的二維圖件資料,普通地質工作者難以全面、準確地理解整體地質情況,難免為工程設計與施工帶來困難與失誤。而且,地質信息和地質現象本質上是三維的,需要借助三維地質建模和可視化,才可能更加直觀地分析并解決真實地質問題[1-5]。

“數字地球”、“數字中國”戰略的實施[6-8],迫切需要能夠進行真三維操作的 GIS和地學模擬軟件。在“數字地球”研究不斷深入以及“地球空間信息科學”蓬勃發展的背景下,三維地質建模技術已成為地球科學與信息科學交叉領域的研究熱點。作為 GIS在地質研究中的一項應用,三維地質建模于1994年被提出[9];隨著計算機軟硬件技術的不斷發展和GIS理論研究的不斷深入,三維地質建模的研究有了較為堅實的技術和理論基礎。

三維地質建模以各種原始數據(包括鉆孔、剖面、地震數據、等深圖、地質圖、地形圖、物探數據、化探數據、工程勘察數據、水文監測數據等）為基礎,建立能夠反映地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律的數字化模型。通過適當的可視化方式,該數字化模型能夠展現虛擬的真實地質環境,更重要的是,基于模型的數值模擬和空間分析,能夠輔助用戶進行科學決策和規避風險。

1 三維地質建模流程

三維地質建模(圖1）是從現場的地質調查數據出發,建立兩大類地質模型。第一類是通過對原始數據的地質解釋,得到能夠描述構造和地層的基本特征的模型,即構造模型(結構模型）,在此基礎上可以進行若干的空間分析。第二類也是利用原始數據,通過各種分析預測方法,建立能夠描述各種地質變量空間變化規律的模型,即屬性模型;在屬性模型的建立過程中,也可以利用構造模型對其進行地質控制和地質約束;以屬性模型為基礎,也可以開展空間分析應用。

圖1 三維地質建模的一般過程[9]Fig.1 General flow of three-dimensionalmodeling

在三維地質建模的完整流程(圖2）中,根據不同的應用領域和問題描述,將原始數據抽象提取為空間數據和屬性數據兩大類:空間數據用于建立幾何模型(結構模型）,刻畫模型的空間形態,其作為一個基礎的地質構造框架;屬性數據用于建立預測模型(屬性模型）,反映某個地質變量在空間內的變化。幾何模型和預測模型需要互相配合才能更好地完成三維地質模型的構建:幾何模型通過自身的體元分解(離散化）,將自身細化后形成的體元作為預測模型中屬性值的空間載體,以彌補幾何模型不能刻畫地質體內部非均一性的不足;預測模型通過對已知采樣點的插值計算(預測）未采樣空間的屬性值,但需要幾何模型對其提供控制和約束。幾何模型和預測模型將通過多種科學可視化方式展現給用戶,其有助于用戶解釋和理解實際地質問題。

2 三維地質建模分類

按照不同的分類依據,三維地質建模分類如下: 1）根據矢量數據和柵格數據的本質區別,三維地質建模可分為結構建模和屬性建模。結構建模用于表達地層、斷層等地下地質界面和地質體的空間形態和組合關系,其結果用矢量數據存儲,等同于圖2中的幾何模型;屬性建模側重于地質體內部屬性非均一性的表達,反映地質體內某一類物化屬性特征值在三維空間中的分布情況,其結果用柵格數據存儲,等同于圖2中的預測模型。結構建模不能刻畫地質體內部的非均一性(屬性建模可以）,結構建模和屬性建模也可稱為表面建模和內部建模,在石油領域也稱作構造建模和儲層建模。2）根據建模對象的空間尺度,三維地質建模可分為構造區域建模、礦區建模、地質露頭建模等宏觀建模和對巖石中的化石或礦物進行模擬的微觀建模[11,12]。3）根據對時間維的不同處理,三維地質建模可分為靜態建模和動態建模。靜態建模中時間不變,模型只是用于刻畫對象在某一時刻的靜態特征;動態建模則用于模擬對象在一段時間內的連續變化,如地下水流模擬、污染物擴散模擬等。4）根據建模結果中幾何模型之間拓撲是否一致,三維地質建模可分為拓撲不一致建模和拓撲一致建模。幾何模型中的地質界面用三角面網加以表達,拓撲不一致建模結果中,面網之間的拓撲不一致,建模結果僅能夠用于可視化表達地質界面和地質體的空間形態和構造關系;拓撲一致建模結果中,面網之間的拓撲一致,建模結果不僅用于可視化,還能整體進行拓撲一致的體元剖分并進行有限元分析和數值模擬等應用。5）根據建模對象的數目,三維地質建模可分為單體建模和多體建模。單體建模只對單一的地質體進行模擬;多體建模需要對兩個或兩個以上的地質體進行模擬,并且需要保證多個地質體之間的拓撲一致性。6）根據建模對象是否存在多值現象,三維地質建模可分為單值建模和多值建模。在三維直角坐標系中,如果某個對象所有三維坐標中存在一個(X,Y）坐標對應多個 Z坐標,則稱其為多值,反之為單值。倒轉褶皺就是一個典型的多值現象。

3 三維地質建模方法

現實世界對三維地質建模方法和軟件有著強烈需求。然而,目前對真三維數據的獲取比較困難,三維地質模型更多的是采用低維的數據生成[13-19],多種三維地質建模方法相繼被提出,如:基于鉆孔的建模[14],基于三棱柱[20]、似三棱柱[21,22]或廣義三棱柱[23,24]的建模,基于平行剖面的建模[13,25],非層狀地質體建模[26],基于曲面的建模[27,28],基于多源數據的建模[2,3],等等。其中,基于鉆孔的建模雖然可以完成對層狀地質體的模擬,但不能解決含有斷層的地質建模;三棱柱相關建模方法在面對稍微復雜的斷層時無能為力。非層狀地質體建模方法雖然可以模擬具有復雜幾何形態的地質體(如礦體）,但它只適于對單個或幾個地質體建模,如果利用它建立大量地質體的模型,工作量和難度將難以接受,而且難以保證各個體之間的數據一致性。曲面建模方法[27]利用貝塞爾曲面和NURBS曲面展現地質構造界面,基于多源數據的建模方法同樣需要整合各種數據以建立各個地質界面,然后構造地質體模型;此類方法雖然能夠建立復雜地質模型,但需要大量的用戶交互,自動化程度較低,且模型的更新難度較大。基于平行剖面的建模方法是通過相鄰剖面之間對應的輪廓線連接構網來模擬地質體的形態,它一般用于單體建模,在遇到較復雜的地質情況時,剖面之間輪廓線的對應可能會出現困難。因此,在進行三維地質建模時,必須根據具體的地質情況選取合適的三維地質建模方法。

4 三維地質建模軟件

目前國內外已經出現了多種結合不同專業開發的三維地質建模軟件。20世紀80年代以來,以美國、加拿大、澳大利亞、英國、法國等為代表的西方發達國家相繼推出各種三維地質建模軟件,比較有影響的有 GOCAD、Petrel、Geomodeller3D、GSI3D、C Tech、Earthvision、Vulcan、M icromine等,這些軟件涉及地震勘探、石油開采、地下水模擬、礦體模擬、礦產資源評估、開采評估、設計規劃、生產管理等眾多專業領域。然而,這些商業化程度較高的軟件往往價格昂貴。國內的三維地質建模軟件主要有 GSIS、GeoView、GeoMo3D、理正地質 GIS、Titan T3M、VRMine、MAPGIS-TDE、3-D Grid和深探地學建模軟件等。與國外相比,國內三維建模軟件的研發還處在探索階段,產品尚不成熟,并且商業化程度很低。國家自然科學基金委員會近年來加大了對地學領域可視化建模的研究,先后資助了“復雜地質體的三維建模和圖形顯示研究”、“油儲地球物理理論與三維地質圖像成圖方法”、“地學時空信息動態建模及可視化研究與應用”等項目[29]。從近期發表的大量關于三維地質可視化建模的論文可以看出,三維地質建模軟件的研發已成為國內地學領域的一大研究熱點,促進了國內三維地質建模技術及軟件的發展。

5 應用領域

三維地質建模目前廣泛地應用于石油、地下水模擬、礦山開采、固體礦產資源儲量評價、城市地質、巖土工程等領域。

石油領域是三維地質建模應用最為成功的領域之一,如 GOCAD、Petrel、GeoModeler3D、Earthvision等出色建模軟件的開發。石油勘探領域的原始數據較為豐富,三維地質建模有助于建立反映地下地質構造的模型,輔助用戶理解和認識地質構造情況,分析有利于形成油氣藏的區域,從而設計進一步的勘探施工方案和開采方案。基于較為粗略的三維地質模型的地震波射線追蹤,有助于用戶對人工地震震源和檢波器的布設方案進行評價,從而輔助人工地震采集方案設計、控制施工風險、減少采集成本。

在地下水模擬領域,可以運用三維地質建模技術研究地下水水文地質層的結構,直觀理解地下含水層和隔水層的分布規律,查明地下水降落漏斗的空間位置,從而輔助決策地下水資源的開采。在結構模型基礎上進行體元剖分生成的格網,可將其導入Modflow等專業地下水分析軟件,進一步研究地下水內部物理、化學屬性,查明地下水水質的時空分布、地下水流場的運動變化規律、地下水污染物的擴散運移規律。

三維地質建模可以很好地為固體礦產資源儲量評價服務。根據礦產勘查資料中所圈定的礦體輪廓線,可以利用輪廓線構面方法和礦體外推尖滅規則建立各個礦體的三維結構模型,幫助用戶理解礦區的礦體分布規律。同時,數字化的礦體模型還可以輔助用戶進行資源量類別劃分、礦體體積自動計算,從而提高固體礦產資源儲量評價的質量和效率。在固體礦產的經濟評價中,可根據變化的市場價格動態圈定新的礦體輪廓線、動態建立礦體模型,提交更新的儲量評價報告。

在礦山開采領域,三維地質建模可進行開采輔助設計。根據三維虛擬環境中礦體、圍巖、地質斷層、地下水分布等信息,用戶可以更直觀方便地進行開采巷道、通風井、勘查鉆孔布設等工程的設計,從而給出合理的開采方案,提高實際生產效率。

城市地質研究中,三維地質建模可以輔助研究城市地下地層展布和斷裂構造的分布規律。結合三維模型,可以輔助城市建設規劃,在研究地下水資源情況、潛在地質災害危險的前提下,合理開發利用城市地下空間、開采地下水資源、規避不利地質條件,科學布置城市功能區劃。

巖土工程也是三維地質建模的一個重要應用領域。在城市巖土工程勘察、設計、施工的全過程中,三維地質模型可以直觀地將地質體及其構造形態展現在規劃設計師和巖土工程師面前,方便工程設計人員和施工人員間的思想交流,使其能夠準確地分析實際地質問題、開展工程設計與施工,減少工程風險。因此,三維地質建模也越來越受到城市管理、規劃、建設部門和工程施工單位的重視。

6 關鍵技術及研究方向

三維地質建模面臨諸多困難[8,30,31],這主要是由原始地質數據獲取的艱難性、地下地質體及其空間關系的極端復雜性以及地質體屬性的未知性與不確定性共同決定的。三維地質建模是一個復雜的過程,融合了數據庫技術、計算幾何、圖形學、科學可視化、數學、構造地質學、水文地質學、地層學、礦床學、地理學等多學科多種技術手段。若進一步提高三維地質建模技術的總體水平,則必須在關鍵技術上有所突破和創新,這些關鍵技術也是三維地質建模研究領域內的熱點研究方向。

(1）三維地下空間數據獲取與轉化。目前的三維空間數據獲取多是利用遙感技術、攝影測量、激光掃描等對地形、地表建筑物、單個物體等的三維數據進行采集[32-34],而直接獲取三維地下空間數據的技術十分欠缺。除了可以利用鉆孔對地下數據進行直接獲取之外,三維地下空間數據一般是通過三維地震、地質CT、地球物理等技術進行間接獲取,這些數據需要進行解譯和轉化,才能夠成為三維地質建模可以直接使用的幾何數據。因此,三維地下空間數據的獲取與轉化是三維地質建模中的關鍵技術,直接決定了三維地質建模能否順利進行。

(2）空間數據庫技術。三維空間數據需要利用空間數據庫進行管理。由于傳統的文件系統管理方式存在著安全性和共享性差、并發訪問異常、數據冗余等缺陷,用戶在使用過程中常常碰到無法備份恢復數據、各客戶端文件信息不一致等問題[35];另外,文件系統無法進行空間數據查詢,對空間數據管理效率低下。如何建立合適和高效的空間數據庫、對空間數據進行數據組織、建立空間索引、執行空間查詢,是空間數據庫亟待解決的關鍵技術,對于空間數據的管理和訪問效率極為重要。

(3）地質界面空間插值技術。三維地質界面的構建是三維地質建模的基礎。由于經濟因素的限制,用于構建一個地質界面的原始采樣點很可能比較稀疏,僅僅利用這些點建立的地質界面會比較粗糙。為了增加地質界面的真實感,提高地質界面的可視化效果,需要利用更密的數據點對地質界面加以描述,這些加密點的坐標需要利用空間插值技術加以確定。地質界面空間插值方法主要有距離反比[36]、自然領域[37]、克里格[38]和離散光滑插值[39]等。

(4）三角網編輯操作。三維地質建模中,地質界面一般以不規則三角網(TIN）表達,在計算機上對地質界面的編輯操作都是轉化為對三角網的操作。為了提供對三維地質建模的支持,需要實現對三角網的一系列編輯操作,如:添加(刪除、移動）三角形點、刪除(添加）三角形、打碎三角形、瓦解三角形、切換對角三角形、局部改變三角網構網結構等,而這些功能的實現又是以三角網的數據存儲結構為基礎。如果能夠建立關于三角網表達和三角網基本操作的基礎類庫,必將極大地提高三維地質建模系統的開發效率。

(5）曲面求交。地質體中存在各種層面,當出現地層不整合、斷層錯斷巖層、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時,就會遇到曲面求交的問題。地質體三維模型的上部邊界是地表曲面,通過數學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面,即超出部分不應顯示;同樣,當顯示多層地層時,下面的巖層應以其上一巖層為邊界。因此,為了進行三維地質建模,必須要解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問題[40]。

(6）特殊地質現象建模。對于侵入體、分支斷層、倒轉褶皺等特殊地質現象的建模,是三維地質建模中的關鍵技術。侵入體的形態極不規則,利用常規的建模方法很難建立逼真的侵入體模型。斷層的出現使得地層發生錯動而出現不連續;同時,斷層作為一種天然的邊界,限制了地層面的展布,大大地增加了建模的難度。對于分支斷層,還需要進一步考慮斷層之間的交切關系,其建模更具挑戰性。倒轉褶皺導致褶皺面出現多值現象,無法利用常規的曲面建模方法來構建其形態。因此,三維地質建模必須攻克對于這些特殊地質現象的建模,才能走向成熟。

(7）多源數據的利用。現有的三維地質建模的原始數據大多是鉆孔和剖面數據,在實際工程設計和施工中,還可能得到地質圖、等值線、物探資料等其他原始數據。為了建立接近真實的模型,三維地質建模需利用多種原始數據,如何整合利用這些多源數據、克服建模方法只能支持單一數據的弊端,也是三維地質建模中的一個關鍵問題。

(8）多建模方法的支持。經濟因素造成的可利用數據的稀少和離散,給地質問題帶來了多解性;此外,地質構造本身的復雜性,也在客觀上給三維地質建模造成了很大的困難。實際建模過程中,可能針對不同的復雜程度,提出包含多種建模方法和策略的綜合解決方案。因此,多建模方法的支持是三維地質建模軟件能夠較好滿足實際建模需求的關鍵。

(9）模型間的數據一致性。三維地質模型中往往包含多個地質體的三維模型,為保證各個地質體模型之間不存在空隙和交疊現象,模型數據之間應保持一致。數據一致性要求表示同一個空間位置和具有同一個地質含義的地質界面必須具有相同的數據表達(如果地質界面是用 TIN表達,它們應該具有相同的三角形構網）。保持模型間的數據一致性對于全區域模型的體元剖分和數值模擬也具有重要意義。

7 結語

本文給出三維地質建模的一個綜合定義:三維地質建模是根據各種原始數據建立地下地質體數字化模型的過程,旨在揭示其地質構造形態和構造關系、反映地質體內部屬性變化規律,是地質學、地理學、計算機科學、數學、環境科學等學科綜合發展的產物,廣泛地應用于石油、地下水模擬、礦山開采、固體礦產資源儲量評價、城市地質、巖土工程等領域。三維地質建模的結果以真三維的形式為用戶展示虛擬的現實地質環境,基于模型的數值模擬和空間分析結果能更好地輔助用戶進行科學決策。

我國擁有眾多的地質勘探生產與研究單位,實際生產中對于物美價廉的三維地質建模軟件的需求越來越大。巨大的市場價值要求研究機構組織相關科研人員進行聯合攻關,盡快研發出具有自主知識產權的三維地質建模軟件,早日擺脫對國外昂貴軟件的依賴。三維地質建模亟須突破文中論述的若干關鍵技術,才能夠提高三維地質建模技術的總體水平,進一步促進三維地質建模方法的更大發展以及三維地質建模軟件的實用性。

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A Study on Three-Dimensional Geological Modeling

M ING Jing
(Chongqing Surveying Institute,Chongqing 400020,China）

Nowadays,"the Digital Earth"has been researched mo re and mo re deep ly,and"Geo-spatial Info rmation Science"has been developed vigo rously.With this background,Three-Dimensional Geological Modeling(3DGM）has been a hot study in the intersecting area of geoscience and info rmational science.To study the basic theo ries,current developing situation and future direction of 3DGM,its background and workflow have been reviewed.3DGM has been classified according to its data type,spatial scale,time dimension and topological acco rdance.Its p ractical app lication in petrol exp lo ration,ground water simulation,digital mine,urban geology,geotechnical engineering and other areas has been summarized as well.On the basis of the study on its modeling methods and software,the difficulty and key techniques of 3DGM are analyzed.The studying result has given out a synthetic definition of 3DGM,pointed out its hot researching directions of future study.

Three-Dimensional Geological Modeling;app lication area;key technique

P208

A

1672-0504(2011）04-0014-05

2011-01-11;

2011-04-05

明鏡(1982-）,男,博士,工程師,研究方向為三維地質建模、3D GIS和巖土工程信息化。E-mail:eric107@gmail.com