基于GoCAD與Surfer平臺建立三維地質模型研究

彭鑫龍 PENG Xin-long；楊華舒 YANG Hua-shu；王學鵬 WANG Xue-peng；蒲應舉 PU Ying-ju

（昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650051）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

0 引言

在運用傳統的地質信息模擬方法時最主要的手段是利用平面圖和剖面圖。其實質是通過將三維空間下的地貌、地層、構造以及其他地質現象往某一平面進行投影。但是在實際操作中就會暴露出一些缺陷，比如空間信息會損失或失真、繪圖過程變得復雜繁瑣、參數修改變得困難等。

近年來，計算機仿真模擬技術快速發展，數值分析已然躋身巖土工程分析方法的前列。由美國Itasca Consulting Goup lnc開發的三維快速拉格朗日分析程序FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)就是其中一種應用較為廣泛的軟件。該程序能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形。但是，FLAC 3D軟件在建立復雜三維地質模型以及網格的劃分實現等前處理過程中存在很大不足：①FLAC 3D軟件的操作全部采用命令流，不能使用交互式操作，建立模型不能直觀顯示；②當需要建立的地質模型表面變化復雜，地層變化多樣時，需要對各個邊界數據進行控制，命令數量大，出錯不易查出；③建立復雜模型時要花費大量時間才能是模型與實際較吻合。

因此，文章提出了基于GoCAD與Surfer平臺的復雜三維地質建模和網格劃分，實現了復雜地質體模型的快速、直觀建模。通過實際工程實例，也驗證了此種建模方法是可行的、有效的。

1 GoCAD與Surfer軟件介紹

GoCAD（Geological Object Computer Aided Design）軟件是一款功能強大的三維地質建模軟件，在工程地質、地球物理勘探、礦業開發、石油工程、水利工程中有廣泛的應用。GoCAD軟件具有強大的三維建模、可視化、地質解釋和分析的功能。它既可以進行表面建模，又可以進行實體建模；既可以設計空間幾何對象，也可以表現空間屬性分布。并且，該軟件的空間分析功能強大，信息表現方式靈活多樣。一般來講，要建模的地質目標，千姿百態，既要描述其幾何形態，也要描述其所包含的地質屬性特征。但是無論多么復雜的地質體，歸納起來都可以用點、線、面、體等四種類型的數據來描述。在GoCAD中描述地質目標的數據主要有一下四種定義：①點集：描述離散點數據；②線集：描述斷層線、鉆孔軌跡、測井曲線和河道等線狀數據；③面集：描述層面、斷面等面狀數據；④體集：地震數據、遙感數據、地層網格、封閉體等數據體。

Surfer是一款畫三維圖的軟件，是美國Golden Software公司的系列繪圖軟件之一。Surfer的主要功能是繪制等值線圖（contour map），是具有插值功能的繪圖軟件，在這里主要用到的就是該軟件內置的克里金（Kriging）插值功能。克里金插值法又稱空間自協方差最佳插值法，它是以法國D.G.Krige的名字命名的一種最優內插法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對一個待插值點有影響的距離范圍，然后用此范圍內的采樣點來估計待插值點的屬性值。該方法在數學上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計（某點處的確定值）的方法。它是考慮了信息樣品的形狀、大小及與待估計塊段相互間的空間位置等幾何特征以及品位的空間結構之后，為達到線性、無偏和最小估計方差的估計，而對每一個樣品賦與一定的系數，最后進行加權平均來估計塊段值的方法。但它仍是一種光滑的內插方法。在數據點多時，其內插的結果可信度較高。

2 三維地質建模方法

一般情況下，我們獲取的工程地質信息都是通過地形等高線圖反映的，因此，我們的出發點還是從最原始的AutoCAD圖形著手。使用GoCAD構建三維地質模型一般包括以下四個步驟：

2.1 提取地形圖信息 GoCAD可以導入多種數據類型，在此，我們將整理后的地形等高線圖另存為*.DXF格式，保存文件時確保沒有中文名稱和中文路徑。然后導入GoCAD：選擇File——Import Object——CrossSections——DFX導入等高線數據，導入的數據都為線數據，GoCAD中叫做Curve（即線文件），刪除不必要的數據，只保留等高線數據。此時形成的線并不平滑，因此要將整理好的線文件導出插值，選擇File——Export Objects——Curve——Export properties to Excel。

2.2 Surfer進行插值 選擇導出的坐標值，全選并復制，運行Surfer，在軟件的圖形模式下新建列表，將復制的坐標值粘貼到列表內并另存為*.dat文件。選擇菜單“網格——數據”，打開剛才保存的*.dat數據，彈出圖1所示的對話框，只用設置最小、最大、間距數據、插值方法，單擊確認即可產生格網數據，打開產生的格網數據*.grd文件，效果圖如圖2所示。保存*.grd數據為ASCII XYZ(*.dat)文件，接著導入到GoCAD。

圖1 Surfer進行插值

圖2 插值后的格網數據

2.3 鉆孔數據分析及導入 對于多地層的模型，還需要借助已有的鉆孔揭露地層數據。將鉆孔制作成.txt文本，直接可以一次性導入。鉆孔導入方法：File——Import Object——Welldata——(Path)LocationsfromColumnbased File。然后同樣的方法再導入分層數據，鉆孔數據文本和分層標記文本格式如表1所示。

表1 鉆孔數據與分層標記文本格式

過程如下：File——Import Object——Well data——(Markers)Column-based File，數據全部導入后，建立Group，右鍵Group——New Group——Add to Group添加所有鉆孔數據，成功導入數據后生成如圖3效果。

圖3 導入鉆孔數據生成標記

2.4 建立模型并劃分網格 當分層的標記做好以后便開始由點生成面。對于表面，可以直接由從CAD提取的等高線插值點信息生成，過程如下：Surface——New——（From Points Sets）Point Set，選擇對應的 Point Set對象。對于借助鉆孔數據生成面的過程有所不同：Surface——New——（From Surface）From Others——Well Markers。分別選擇前面步驟做好的兩種鉆孔標記名稱各生成對應的層面。但是由于鉆孔數據有限，生成的面顯得平整，不符合實際。因此還需按照步驟二對表面插值的方法分別對兩個層面進行插值修改，得到較接近實際的層面。然后將三個面疊加，對于交叉的部分采剪切再合并。

完成了表面和中間的層面，還需添加一個底面。底面添加相對簡單，過程如下：右鍵表面名稱——copy——重命名（bottom）——Surface——compute——（Apply Script）On Object，選擇 bottom 對象，將主腳本中輸入“Z=N；”（N為低于表面最小高程的任意值）。效果如圖4所示。

進一步將由面組成的三維地形圖生成劃分網格的實體。使用SGrid對象下的New命令，選擇From Object Box，命名創建的第一個實體，選擇生成該實體的兩個面（表面與第一個層面），在 Nu、Nv、Nw中分別設置 X、Y、Z 三個方向上的網格數，然后使用Tools命令下的Proportionally Between Top and Bottom，選擇前述的兩個面進行分割，確定生成第一個劃分網格的實體。采用相同的步驟，分別生成第二個、第三個地層。關閉輔助的點、線、面對象，對生成的圖形進行必要的修正，完成最終的三維地質模型與網格劃分，最終效果如圖5所示。

圖4 GoCAD中生成三維模型

圖5 GoCAD中建立實體和劃分網格

3 結論

GoCAD是標準三維地質建模軟件，通過結合實際工程實例，運用GoCAD建立了基本符合現實情況的復雜三維地質模型，為工作者提供了直觀演示，同時也大大簡化了應用FLAC 3D的繁瑣前處理過程，提高了工作效率。

在建立地質模型的過程中，若能獲得更多的鉆孔輔助數據，建立更為詳細的well group，則將得到更為接近真實地層信息的模型，在后續的計算分析中也能夠使結果更加精確。

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