地質空間三維動態建模方法研究

張寧++孫紀萍++郭嘉琨

摘 要：針對于地表以下地質空間的研究，三維地質模型是一個可以有效、直接的研究方法。本文從鉆孔、剖面和散點三個角度對地質空間三維動態模型進行理論和構建方面的闡述，伴隨著三維GIS技術的發展，為地質空間三維動態模型的深入提供了更廣闊的前景。

關鍵詞：地質空間；三維；動態建模

中圖分類號：P628 文獻標識碼：A

地質空間三維動態建模研究是近些年的研究熱點，同時，也是難點之一。按照數據來源可以分為四類，即基于剖面、散點、鉆孔和多源數據的建模方法。按照技術層次分為五個階段，分別是可視化階段、度量階段、分析階段、更新階段和時態構模階段，其中前三種為靜態階段，后兩個階段為動態階段。以多源數據為基礎的三維地質動態模型可以通過轉化為前三種方法進行分析，所以本文主要討論剖面、散點和鉆孔三種動態建模方法。

1 基于鉆孔的動態建模方法

鉆孔數據是地質數據中最基本的數據，獲取方法也較為簡單，直接觀察和地下取樣即可；同事，鉆孔數據也是構建幾何模型中不可缺少的原始數據。由于鉆孔數據的重要性，基于鉆孔的地質三維動態建模也成為了眾多動態建模方法中的基礎。

1.1 研究進展

在三維地質建模方面的研究中，國內外已經研發了多種建模軟件，如國外的地質建模軟件GOCAD、多角度立體視覺三維技術MVS 、三維設計軟件MicroStation 以及大型三維數據化礦山軟件Geovia Surpac；國內的模型主要有三維地學可視化信息系統GeoView、真三維地質模型GeoMo 3D、三維地質建模軟件Titan 3DM等等。此后，相繼出現了構造-地層格架三維可視化數值模擬、三維巖土工程地基模型、三棱柱模型、Horizon建模方法等研究方法。但以上方法多為基于鉆孔的靜態交互模型，而本文將主要討論基于鉆孔的動態建模方法。

1.2 地質專控的可視化表達

不同的模型需要的鉆孔數據不同，但是對于本文研究中的地質三維動態建模方法中，將鉆孔數據分為孔段、鉆孔以及鉆孔群，加之兩個輔助地層對象構成BoreModel鉆孔模型。在建模過程中，所有鉆孔都將先被歸為BoreModel鉆孔模型，這也是所有鉆孔建模方法的基礎。鉆孔數據的存放形式是關系型數據庫，通常采用Excel和Access、以及SQL Server和Oracle等軟件進行存儲與管理。鉆孔一共有鉆孔柱狀圖、三維的線劃表示以及三維立體表示等三種圖形表達方式。

1.3 基于鉆孔的動態建模方法

利用GeoView 3D軟件完成地質空間三維動態模型的構建。鉆孔群為多種鉆孔數據格式提供了讀取的功能，生成的鉆孔群里面包含多個鉆孔，每個鉆孔中又含有多個孔段，孔段的排列在前的為上層的地層，在后的為下層的地層。并根據全球范圍的地層序列建立了一個標準的連續地層序列。在實際使用時，可以進行更加詳細的劃分。該序列為地層層面的構建提供了理論依據。結合地層序列的數據，通過插值法獲取的鉆孔集合構建地層層面模型。在建模時，要考慮研究區周邊的鉆孔，也需要將其作為建模的基礎數據。約束條件為地質體表面，同時，在地質體內進行了限定網格剖分，然后調整網格的密度簡化，從而形成三維地質體。

2 基于剖面的動態建模方法

2.1 研究進展

基于剖面的建模方法屬于三維重建方法，應用最為廣泛。20世紀70年代，基于剖面的技術被應用于地質方面。之后，Meyres將基于剖面的建模方法歸納為對應問題、構網問題、分支問題和光滑問題等四個子問題。此時的研究多為靜態模型。隨后，三維地質體動態建模方法從數據結構向地質知識的表述與應用。

2.2 非共面地質剖面數據結構

地質體建模的主要數據來源之一就是剖面，而且，都是一種非共面曲面，其拓撲關系主要通過結點、線、區以及面四個部分，而且設置SectSeries作為管理非共面地質剖面的序列。利用TopoModel實現剖面上的2.5維拓撲關系，隨即可得到三維的空間曲面拓撲關系。

2.3 基于剖面的三維地質體動態重構算法

通過曲面2.5維拓撲關系構建，為下一步進行拓撲推理提供基礎。然后通過把剖面對比問題轉換成拓撲推理問題，將剖面中所有多邊形按照推理計算，然后，完成無拓撲變化情況、地層尖滅情況、地層分叉情況以及含斷層情況的拓撲推理與建模，進行有效的動態重構。

3 基于散點的動態建模方法

基于散點的動態建模方法的實質是網格剖分技術的問題。

3.1 研究進展

網格剖分始于20世紀50年代的有限元分析，研究技術也從人工剖分轉換至網格自動剖分，此后，二維三角網和三維四面體網格剖分技術開始逐漸引起人們的重視。而國內從90年代才開始關于網格剖分方面的研究。

3.2 基于散點剖分的三維地質體動態重構算法

要先將鉆孔和剖面等數據進行離散插值，然后將已經分類的地質年代計算每類點集的最小凸包，經過年代順序相互循環剪裁、剖分之后，進行模型拓撲關系的建立與模型面片與體元的簡化，從而構建以GeoModel為基礎的基于限定散點集的三維地質體自動重構算法。

目前，對已地質空間的三維動態建模方法還存在很多的不足，但是隨著三維GIS的不斷發展與應用，將會在三維地質建模的可視化與深化研究方面提供更好的技術支撐。

參考文獻

[1]劉彥花，吳湘濱，葉國華.三維地質建模與可視化[J].科技導報，2009，27（05）：96-101.

[2]翁正平，何珍文，毛小平，李章林，等.三維可視化動態地質建模系統研發與應用[J].地質科技情報，2012，31（06）：59-66.