三維地質建模技術研究現狀

姬廣軍 朱吉祥

摘要：三維地質建模是定量化研究三維空間結構特征與變化規律的重要方法，已成為模擬分析地質現象與時空演變規律重要有效手段之一。本文從數據模型、建模方法、建模軟件、不確定性及應用領域五個方面闡述了三維地質建模技術的研究現狀，并對三維地質建模技術發展的提出相應建議。

關鍵詞：三維地質建模;研究現狀;不確定性;數據模型;建模方法

三維地質建模是在各種原始數據的基礎上，以適當的數據模型建立地質特征的數學模型，通過對地質體的幾何形態、地質體間的關系和物性等計算機模擬，最后形成復雜整體三維模型的過程。[1]三維地質建?？梢灾庇^地表達地質體的空間形態與特征，能夠進行真三維的空間操作與分析，較大程度地促進地質信息的科學管理與共享。本文從空間數據模型、建模方法、建模軟件、不確定性和應用領域五個方面入手，系統闡述了三維地質建模的研究現狀，并對三維地質建模發展提出相應建議。

1 空間數據模型

數據模型是為方便數據的存儲、管理、交換和使用而構建的數據結構、數據操作和數據約束的總稱。1978年Hunter首先提出了以八叉樹為代表的數據模型，[2]Victor[3]和Pilouk[4]提出了不規則四面體的數據模型;Wu提出了廣義三棱柱的數據模型[5]等。這些數據模型可以分為三類：基于面、基于體以及混合數據模型。這三類模型中常用的模型的優缺點見表1。

3 三維地質建模軟件

三維地質建模技術的不斷成熟和計算機技術的快速發展，促使國外開發研制了許多較為成熟的商業化軟件。其中應用較廣泛的軟件有GoCAD、Surpac、3DMine、Vulcan、MicroLynx、GSI3D等。GoCAD軟件的三維可視化功能強大，能處理復雜的地質構造，是目前國外應用最廣的三維地質建模軟件之一。

國內在軟件方面起步較晚，且大都集中在三維可視化等方面，[10]主要包括MapGIS、GSIS建模系統及QuantyView等。國內軟件具有較強的專業針對性，如Longruan GIS面向數字礦山、DeepInsight面向地球物理與油藏等，它們基本可以滿足大多數用戶的日常需求。[22]

4 不確定性分析

由于目前人類知識的有限性及地下空間的不可見性與復雜性，通過有限的信息來推斷未知的地下信息會存在各種形式的不確定性。[23]國內外對模型的不確定性做出了不少研究，但仍處在初始階段。[24]三維地質建模的不確定性包括數據不確定、[24]結構不確定、[25]可視化不確定[26]和響應不確定，[26]其中數據不確定和結構不確定性研究較多，這里主要討論數據不確定性和結構不確定性。

4.1 結構不確定性

地質學家可以利用地球物理勘探、露頭描述及其延伸、鉆孔揭露等方式獲取有限范圍的地質信息，這些方法通過專家解釋后獲得的地質結構可能并不能真正的反映實際的地質結構，從而產生一定程度的不確定性。另一方面，地質體或地質現象本身就具有復雜性，[27]通過各種常規方法建立的模型也會存在一定程度的不確定性。Thore等[25]提出了一種確定和處理結構不確定性的方法并詳細地分析不確定的來源;Gerritsen和Caers[28]指出了不確定的來源并且認為數據可以用來約束模型的不確定性，此外，他還給出了基于概率、變異函數、逆向建模等方法的詳細解釋和步驟。

4.2 數據不確定性

幾乎所有的地質數據都會有不同程度的不確定性，這些不確定性是由測量誤差、數據不足、取樣限制、不完美的概念或假說和必要的簡化等因素引起的，[28]這也是限制模型精度的重要原因。Wellmann等[29]分析了由于數據質量而引起的不確定性并給出了具有詳細步驟的處理辦法，他認為數據的不確定來源可以分為3類：

（1）精度不夠或測量誤差，是由于原始數據的不確定性引起的，如沉積邊界的位置或構造的方向。

（2）地質變量本身的隨機性，是由已知點插值得到未知點不確定性引起的。

（3）認知有限性，是由于對存在的地質體或地質現象認知不完整和不精確引起的。[30]

由采樣點的數據所建立的三維地質模型一定存在不確定性，一般不確定性隨著數據量的減小而增大。Yamamoto等[30]通過在計算模型中再取樣和后處理的方式達到減小不確定性的效果。

5 應用領域

經過幾十年的發展，三維地質建模已經滲入到地質的各個領域，包括礦產、[31]石油、[32]水文地質、[33，34]工程地質、[7，35]地熱地質、[36]災害地質等。三維地質建模首先使用到礦產、石油領域，[23]且在這些領域中技術比較成熟。在礦產中，主要用于分析礦體的分布規律、估算礦產資源量以及進行資源量評價等服務;在石油領域，主要進行儲量計算、表達儲層構造形態與品質分布等。在水文地質學科中，三維地質建?？梢杂糜诜治鲅芯繀^的水文地質條件、調查污染物運移規律等服務。在工程地質中，三維地質建模用于對巷道、工程建設的承載力模擬分析等服務。三維地質建模還可以估算地熱儲量、分析地質災害致災機制等服務。

6 結論

三維地質建模突破了傳統二維空間表達的束縛，還地質以本來面目，其可以直觀、形象地展示了地質體的空間分布及其規律，使地質研究可以在多維空間中分析地質問題，表達研究結果，更符合地質研究的實際情況。雖然目前有眾多的數據模型、建模方法和應用軟件，但他們各自的適應能力有限，在解決復雜區域性模型構建等方面仍面臨著較多亟待解決的難題，這些難題既涉及到地質領域相關知識，同時也涉及到計算機、地質統計學等學科相關知識。這就要求不同專業的相關人員進行深層次的交流，共同推進三維地質建模事業的發展。

另一方面，國內有眾多的研究人員和研究機構進行三維地質建模理論研究，不同的機構或研究人員研究思路、方法可能不同，但他們都各自積累了豐富的經驗，促進這些研究機構或研究人員進行全方位合作，注重理論與實際相結合的研究，也是三維地質建模發展的可行途徑。

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基金項目：水環所基本業務費（SK201615）;雄安新區資源環境承載力綜合監測和透明雄安數字平臺建設（DD20189144）

作者簡介：姬廣軍（1993-），男，漢族，山東濟寧人，碩士，研究方向：區域地質結構建模和城市地質信息化應用研究。