基于EVS的三維地質建模研究

陳 兵 朱泳標 張 燕

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2. 成都理工大學， 成都 610059)

BIM技術具有數字化、可視化、多維化、協同性、模擬性等特點，在地質行業逐步得到了推廣和應用。三維地質模型是地質BIM技術應用的核心，同路基、橋梁、隧道、站場等專業的計算模型建模相比，具有地層分界面不規則、地質認識的多解性、地質數據多樣性、約束條件多等特點。在建模過程中，需考慮地質體平面出露界線與地質剖面界線的空間耦合性、地質成因上的合理性等條件。因此，選擇適合的地質建模平臺極為重要，既能表達地質對象的拓撲結構、幾何結構及屬性信息，還需具備融合多源數據及地質模型動態更新的能力。

EVS(Earth Volumetric Studio)建模系統是應用于地球科學領域的3D建模軟件[1]，此軟件基于數據驅動，采用拖拽式功能模塊，靈活定制工作流，具有數據可視化及模型動態更新的特點，能較好地滿足地質建模的需求。隨著BIM技術的推廣，EVS地質建模平臺在越來越多的項目中得到運用，本文通過對EVS地質建模平臺的建模理論介紹及應用方法總結，為使用EVS地質建模平臺的地質技術人員提供參考。

1 EVS建模理論

EVS地質建模平臺提供了多種空間插值方法和網格類型，根據選定的插值方法和網格類型可實現仿真三維地質體數據建模、分析及可視化，并可基于仿真三維地質模型制作動畫展示。

1.1 插值方法

地質模擬中所用的數據主要為空間數據，空間數據插值法是常用的插值處理方法之一[2]，用于估計網格中與原始數據點不重合的節點數據。EVS主要提供了以下七種空間插值方法：克里金(Kriging)法[3]、自然鄰點(Natural Neighbors)法、最近鄰點 (Nearest Neighbor) 法[4]、樣條(Spline)法[5]、謝別德(Shepard)法、改進謝別德(Franke/Nielson)法[6]、徑向基函數(FastRBF)法[7]，根據地質數據分布特征采用不同的空間插值方法。

1.2 網格類型

EVS地質建模平臺支持矩形線性網格、有限差分網格、凸包網格、自適應網格等多種網格類型。

1.2.1矩形線性網格

矩形網格是最簡單的網格類型之一，網格坐標軸平行于坐標系坐標軸，單元格大小和方向均為固定設置，通過網格的坐標范圍即可計算所有節點的位置，網格的連接性直接可以用隱式表示。矩形線性網格易于創建且具有二維平面單元和三維體積單元的均勻性，如圖1所示。

圖1 矩形線性網格圖

1.2.2有限差分網格

矩形線性網格由于每個網格的大小和方向都是固定的，在進行某些數據插值時，會產生大量外插沒有意義的區域，增加插值計算時間，這種不足在鐵路、公路等線狀工程建模中尤其突出。而有限差分網格可以調整網格間距，在保證網格方向一致的情況下可對所有網格進行旋轉，如圖2所示。

圖2 有限差分網格圖

1.2.3凸包網格

相對于矩形線性網格和有限差分網格，凸包網格并不規整，每個單元都可以是不一樣的大小和方向，二維空間中一組點的凸包即為包含該集合的最小凸區域。使用凸包網格的模型所有點均可內插。其最大優勢在于可以保證整個模型的每個地方都是內插，如 圖3所示。

圖3 凸包網格圖

圖4 自適應網格圖

1.2.4自適應網格

當需要把每個原始數據點或者鉆孔都放在網格節點上時，上述3種網格類型都很難做到。而自適應網格可以在保證計算效率的基礎上，又可滿足所有原始數據點落在節點上。自適應網格如圖4所示。從圖4可以看出，在原始數據點處增加了1個節點，模型對該節點所在的網格進行了細分。

2 EVS數據類型

2.1 地質數據

地質數據具有多源異構特征，很難用一種統一的格式進行描述。在EVS平臺下，可采用兩種方法去描述地層信息：一種是包含鉆孔數據的鉆孔地層信息，數據文件格式為PGF；一種是根據鉆孔數據進行了地質解釋的層序地層信息，數據文件格式為GEO或GMF。

(1)PGF文件

PGF文件可利用EVS的PGF制作工具，將鉆孔編錄信息轉換成PGF格式，每個部分代表單個鉆孔的巖性。其格式如下：

Elevation "1|Silty Sand" "2|Clay" "3|Gravel" m

162

630438.60 4272028.71 31.95 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 22.46 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 21.57 2 CSB-1

630438.60 4272028.71 -0.70 3 CSB-1

……………

第一行數據依次定義了分層位置(采用高程或深度模式)、巖性序號、巖性定名和單位；第二行為數據區行數；第三行及以后為數據區，包含鉆孔東坐標、鉆孔北坐標、巖性分層高程或深度、巖性序號和鉆孔編號。若第一行定義為深度模式，須在數據區鉆孔編號后增加鉆孔高程數據。

(2)GEO文件

GEO文件以PGF文件為基礎數據，利用make_geo_hierarchy模塊通過人機交互的方式創建而成。GEO文件包含一系列對垂直鉆孔分層巖性及分層位置進行空間插值運算取得的透鏡體和傾斜地層的地層巖性和位置數據。其格式如下：

X Y Top Bot_0 Bot_1 Bot_2 Bot_3 Bore

Elevation "Silty Sand" "Silty Sand" "Clay" "Gravel" m

45 4 1 1 2 3

630438 4272028 31.9 22.4 21.5 -0.7 "CSB-1"

630874 4271975 30.7 21.6 11.8 -0.7 "CSB-10"

630875 4272007 30.4 21.1 13.2 -0.7 "CSB-11"

………………

第一行數據依次定義東坐標、北坐標、第一層頂面名稱、第一層底面名稱、第二層底面名稱、鉆孔編號；第二行數據定義了分層位置為高程或深度模式及各分層面巖性定名；第三行數據依次描述了數據行數、巖性分界面個數、各分界面序號；第四行以后為各鉆孔在對應巖層面上的點數據描述，若分層數據缺失，用pinch表示。

(3)GMF文件

GMF文件以PGF文件或GEO文件為基礎數據制作而成，包含一系列用于定義地層各分層點的數據。GMF文件不限于垂直鉆孔，每一層都可有任意數量的坐標點，需要采用插值算法來處理透鏡體和傾斜地層。其格式如下：

units m

surface 0 Top

11086.5 12830.7 4.5

11199.0 12810.2 4

…………………

第一行定義數據單位；第二行定義層面序號及名稱；第三行以后為數據區，包含東坐標、北坐標、高程。

2.2 屬性數據

在地質數據中，除巖性數據、構造數據外，還有密度、孔隙度、電導率、重力、溫度、地震、電阻等物探數據，污染物濃度、鹽度、浮游生物密度等環境數據，以及如地下水位的變化、地形變化等帶有時間效應的數據。針對這些屬性數據可以選用合適的插值方法進行三維屬性建模。EVS中采用兩種不同的 ASCII數據格式來表示屬性數據，具體格式如下：

(1)APDV：一種空間點數據格式，表示在某一點進行測量的分析數據。其格式如下：

XYELEV@@1-DCA 1-DCE TCE VC SITE_ID

Elevation m

50 4 mg/kg ug/kg ug/kg mg/kg

12008 12431 22.9 22 ND 500 <0.01 CSB-39

12008 12431 18.9 <0.01 <0.01 2800 <0.01 CSB-39

12008 12431 13.4 <0.01 <0.01 290 <0.01 CSB-39

………………

第一行數據依次定義東坐標、北坐標、高程 、數據項1、數據項2、……、點編號；第二行定義分層位置高程模式及單位；第三行依次定義數據區行數、數據項個數、數據項單位；第四行以后為數據區，若分析數據未檢出，用“ND”表示。

(2)AIDV：一種空間區間數據格式，表示在某一段高程(深度)范圍內測量的分析數據。該數據格式與APDV格式數據類似，區別在于把某一點的高程用某一段的起始高程來表示。

3 EVS建模方法

EVS內置上百個功能模塊，用戶可根據需求進行模塊組合，靈活定制工作流，實現各種功能。地質實體的幾何形態建模是建立地質體結構模型，為構造建模。地質實體內部屬性參數的建模是建立地質體內部物理、化學屬性參數模型，為屬性建模[8]。

3.1 構造建模

EVS主要有地層建模和巖性建模兩種基本方法，在建模時這兩種方法可以相互套用，進行混合建模，也可加入地質剖面作為建模約束條件，進行剖面建模，以滿足實際需求。

圖5 地層建模流程圖

3.1.1地層建模

地層建模適用于地層層序比較清晰、地層新老關系比較明確、鉆孔分層相對簡單的情況，根據地質平剖面界線以及鉆孔分層數據建立地層分界面，用地層分界面模擬出地質體，地層建模流程如圖5所示。該方法在人機交互層面劃分過程中結合了地質人員的認識，優點是建模過程中插值速度快，缺點是對于透鏡體分布較多及溶洞、采空區等多Z值地質體的表達能力差。

3.1.2巖性建模

巖性建模適用于地層無新老關系、鉆孔分層復雜、層序不能一目了然或存在不規則巖體、脈體、巖溶、采空區等多Z值地質體的情況，采用克里金法和隨機模擬法等統計方法，根據已知巖性的分布位置，計算出各種巖性在空間上的分布概率，其本質是地統計學的數值模擬，巖性建模流程如圖6所示。該方法優點可實現程序化工作，無需人工干預，缺點是數值模擬結果可能會出現與地質認識不符的情況。

圖6 巖性建模流程圖

3.1.3混合建模

多數地質條件表現為無序分布，這種情況下就需要先進行主層的地層建模，再進行亞層的巖性建模，最終建立區域內的地質模型，如圖7所示。

3.1.4剖面建模

在鉆孔比較少的地質區域，需添加輔助剖面，可把輔助剖面作為建模的層位約束條件，其建模流程如圖8所示。

3.2 屬性建模

地質建模除表達地層巖性分布特征外，還需進一步根據區域內電阻率、溫度、地應力等屬性數據建立三維屬性模型。EVS根據屬性數據文件，利用krig_3d模塊選用相應的插值方法對屬性數據進行插值建立三維屬性模型，如圖9所示。

4 結束語

EVS是一個可進行仿真三維地質建模的平臺，結合地質數據分布特征， 選用合適的空間插值方法及網格類型，根據不同地質條件選用相應的建模方法及流程進行地質建模，可真實反映地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性的變化規律，以及查看地質體模型內部地質結構及屬性的分布，對于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞等特殊地質體也有很好的處理能力。

圖7 混合建模流程圖

圖8 剖面建模流程圖

EVS可與ArcGIS、Revit、Civil 3D等軟件進行數據交互，進而建立地上、地下一體化實景模型，實現三維地質模型對不同來源、不同維度、不同類型、不同精度的地質數據的無縫整合與同化，這也是大數據時代對地質勘探信息處理的必然要求[9-10]。EVS目前在鉆孔數據、平面地質界線、剖面數據等多條件約束下的建模過程智能化等方面尚存不足之處，有待進一步改進。

圖9 屬性建模流程圖