三維水文地質建模技術研究綜述

杜軍 張亞柳

【摘要】隨著地下水在國民經濟發展中的重要性日益突出，三維水文地質建模技術迎合了水文地質行業需求，它突破了以往對地下空間二維表達的局限，能更加直觀生動的表達地質條件，能更加準確的模擬地下水的空間、屬性結構；同時，隨著未來的科技和經濟的發展，如：計算機硬件和軟件的迅速發展、現代的數據庫設計理念和互聯網信息傳遞能力的提升等對三維水文地質建模技術的支持，三維地質建模技術必將成為未來水文地質行業重要的工具。

【關鍵詞】三維水文地質；建模技術；研究綜述

三維水文地質建模技術是一門運用現代空間信息理論研究3D地學現象的信息處理、數據組織、空間建模與數字表達，并運用科學計算可視化對其進行真三維再現與交互的科學和技術，主要包括兩部分內容，即三維建模和可視化，其中前者是后者的基礎。

一、水文地質的三維建模

1.跨坐標數據處理。在研究中，由于所獲得的鉆孔數據及地理底圖均為地理坐標，因此首先需要將地理坐標轉換為大地坐標，以保證水平坐標與垂向坐標單位量度的一致性（均以米作為單位）。另外，研究區域地處東經119.5 -120.25 °，北緯31.333 °-32.167 °。在高斯投影6 度分帶系統中跨越了20帶與2l帶，因此需要進行跨帶坐標問題處理，關于跨帶坐標問題處理的常用方法有三種：第一，重新確定中央經線，將其統一到同一坐標系下；第二，進行鄰帶坐標轉換；第三，考慮在3度帶中是否處于同一分帶。由于研究區域所在的圖幅恰好完全落在3度分帶系統中的40帶內，因此采用高斯投影3度分帶系統，將地理坐標轉換為大地坐標。

2.體邊界插值。欲研究整個區域水文地質體的空間分布規律，則需要在研究區域的邊界之上或邊界之外增加系列控制點，如在研究區域的邊界上再鉆一系列鉆孔，以獲取研究區邊界上精確的地質信息數據，但是在實際工作中，這基本上是不可能的。現實條件下，解決這一問題只能通過邊界插值的方法來解決體邊界外擴問題。有關單層地質體邊界插值的方法較多，如：鄰近點法、雙鄰近點距離加權法與距離加權平均法等，每一種方法所得的結果也略有不同，但至今仍沒有一個確定的邊界插值標準，通常更多地是依據研究工作的具體需要和專業人員的選擇而定。

3.構造水文地質層的三維地質模型。研究區域為典型的第四系沉積層，因此可將水文地質層頂底板曲面按照第四隔水層底板（基巖）、第Ⅲ承壓含水層底板、第三隔水層底板、第1I承壓含水層底板、第二隔水層底板、第1承壓含水層底板、第一隔水層底板、潛水含水層底板、地表DEM順序依次進行空間上的疊置，同時依據曲面間的切錯關系進行切割，例如：某一水文地質層的項板曲面與下一水文地質層的項板曲面相交，則用下一水文地質層的頂板曲面對上一水文地質層的頂板曲面進行切割，從下到上逐一進行，最終構建各水文地質層空間幾何模型。

二、數據庫設計

1.為實現功能的集成與擴展，構建了一個數據中心，將系統涉及的地表、地上、地下多維、動態空間信息全部存儲在系統服務器數據庫上，并利用大型商用關系數據庫集中管理這些海量數據，以確保數據的安全，真正實現各種數據的一體化存貯與管理。按照工業標準建立數據中心，可以充分利用商業數據庫強大的數據管理功能和性能良好的網絡服務功能，并能夠將系統數據應用于不同的GIS平臺。在數據訪問模式上，采用空間數據和屬性數據，利用圖文一體化管理機制方便、準確地查詢空間數據及對應的屬性數據。

2.三維地質數據所涉及的信息眾多且來源廣泛，按照數據來源的不同可分為工程地質勘察數據、物探數據（包括重、磁、電及地震數據）、化探數據、遙感數據等4大類，按照數據表現形式不同可分為圖形、圖像和文字等3類信息。這些信息綜合在一起，能夠完整地描述地質環境的現狀，對三維地質模型的構建有著至關重要的意義。三維地質數據具有來源廣泛、資料分散、時問跨度大、不同比例尺、數據量巨大、數據種類繁多等特點，如何針對數據特點將這些多源海量地質數據進行整合，從而進行一體化的采集、存儲與管理，是關系到系統成敗的一個重大問題。系統在實現過程中，將空間數據庫按照專業不同劃分為基礎地理圖形庫、區域地質數據庫、工程地質數據庫、水文地質數據庫、地球物理數據庫、地球化學數據庫等6大類，并允許用戶根據自己的建模需要進行適當的擴展與定制。

三、水文地質層體視化

1.體視化算法很多，其中光線投射算法是一種圖象空間序的基本體繪制算法，其性能穩定、結構簡單、易于實現且圖象質量最好。算法能夠為每個體素指定顏色和不透明度，使每個體素都對最終圖象有所貢獻，因此有利于保存圖象的細節信息；同時，光線投射算法考慮到每個體素對光線的透射、散射和反射作用，能夠在顯示三維數據場整體特征的同時突出不同水文地質層的分界面，這在表現地下水各水文地質層間的相互關系時尤其有用；而根據水文地質層物理、化學屬性在空間分布的相關性，又可對光線投射算法進行加速。由于光線投射算法的這些特點，并且許多可視化軟件和工具包都提供了該算法的可視化功能。

2.光線投射算法的基本思想是：根據當前視點的位置，從屏幕上的每一象素點發射出一條射線穿過體數據場，在射線上按照一定的間距選擇一系列的采樣點，采用三線性插值計算出各采樣點的不透明度值和顏色值，然后采用由后到前或由前到后的順序依據各采樣點的不透明度值對其相應的顏色值進行合成，從而得到屏幕上該象素點處的顏色值。

四、三維水文地質建模技術的發展

1.提高模型的可更新性。模型的建立只能代表現有條件下對地下空間的認識，當獲得了新的數據，或者有了新的認識，如果系統不能快速的、簡便的重建模型，那樣必然耗費更多的人力、物力。可更新性好就要求自動建模程度高，對建模使用數據的規范化及建模的方法合理性要求更高，如在芬蘭西南部建立了一個易自動更新的水文地質模型，實現了對更新數據的自動存儲和處理，提高了模型的可更新性。

2.水文質條件概化的方法、原則及標準體系研究。雖然目前對三維水文地質建模方法的研究較多，但是針對地質條件概化的方法、原則及標準的研究還很少，缺少一種指導性的方法體系來指導針對于不同應用，不同地質條件及不同數據源下的三維水文地質建模，如地層巖性的歸并，地層的模擬精度等問題。如何結合專業自身特點，制定出指導性的概化方法、原則和標準體系是未來研究的方向之一。

3.開發針對三維水文地質建模工具。目前國內外針對三維水文地質建模的工具還比較少，且功能有限，急需一系列功能強大，針對性強的三維水文地質建模的軟件工具。這些工具要能保證開發出的工具符合水文地質專業的要求，能作為數值模擬平臺；友好的可視化與用戶界面，易于理解和操作；可更新性好，模型易于維護。

三維水文地質建模技術突破了以往對地質體二維表達的局限，能更加直觀形象的描述與地下水儲運有關的地質體的空間及屬性結構；同時能作為地下水數值模擬的平臺，提高水文地質計算評價結果，輔助決策等等。但由于三維水文地質建模本身存在著一些難點及瓶頸，現有技術還難以完全滿足水文地質行業的應用需求。因此開展三維水文地質建模技術研究有著重大的意義。

【參考文獻】

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