基于GOCAD軟件的工程地質三維地質實體模型的建立與研究

張婉秋，熊 宇，李 云，杜子純

（深圳市地質環境研究院有限公司，廣東 深圳 518057）

1 三維地質實體模型的研究背景

三維地質模型（3D Geosciences Modeling）是指借助計算機運算速度快、計算精度高以及自動化程度高等特點，對各種地質對象的幾何形態和空間分布特征進行三維定量描述，實現地質對象表征的數字化和計算機化。而三維地質建模概念最早是由加拿大學者Houlding S[1]提出，他認為三維地質建模過程是以地質數據為基礎，借助計算機技術，對地質特征進行抽象和描述的過程。

大量學者對三維地質建模理論以及方法進行了研究。Mallet J[2-3]提出了基于離散光滑插值的三維地質體的曲面重構建模方法；吳立新等[4]提出了基于廣義三棱柱（GTP）體元的三維地質模型的構建方法。鉆孔數據直觀、準確、詳細的特點，使其成為三維地質建模最快捷、最直接的建模方式。朱良峰等[5]以鉆孔數據資料作為地層建模的主要數據源，提出了一種基于鉆孔數據的更加精確且能修正模型的三維地質建模方法；徐磊等[6]基于鉆孔數據構建了相鄰鉆孔之間地層的連接關系，并在GeoMo3D平臺上進行了地層與推理實驗，驗證了該三維地質建模方法的可行性。

目前，國內外研發出了各種適用于不同領域、不同專業的三維地質建模軟件，比如國外的GOCAD、EarthVision、Micromine、Surpac等，國內的Dimine、3Dmine、QuantyView、MineExplorer等。這些軟件都具有三維地質體的線框建模和塊體建模的功能，能夠在三維地質建模的基礎上離散化為塊體單元，為進一步開展三維地質體形態定量分析研究奠定了基礎。

本文對GOCAD三維地質建模軟件的建模過程及其方法原理進行了研究，并對收集到的研究區工程勘察資料進行整理、分析、提取與處理后，借助GOCAD軟件平臺建立了地下復雜空間中的三維地質實體模型，并對該三維地質實體模型的網格單元文件節點排布的規律和格式進行了研究。

2 GOCAD軟件及建模方法簡介

GOCAD軟件最初是在1988年由法國Nancy大學計算機系開發的用于地質對象建模的計算機輔助設計軟件，它主要用于地質工程、水利工程、鉆井工程、油藏工程、地球物理等領域構建三維地質模型。GOCAD軟件具有強大的可視化三維地質建模、地質解譯分析的功能，能夠建立極為復雜的三維地質體模型，其豐富的屬性模型建模算法使其更加方便、快捷和精確。

GOCAD軟件主要采用離散光滑插值（Discrete Smooth Interpolation，DSI）算法，這是一種專門針對三維地質建模特點的空間插值算法，該算法用一系列具有空間實體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標點來模擬三維地質體，已知節點的空間信息被轉化為線性約束,引入到模型生成的全過程中。此外，DSI算法在構建三維地質實體模型的時候，具有能夠自由調整剖分網格的尺寸大小、實時交互操作、能夠處理一些不確定的數據等優點，DSI算法的這些優點足以使其在三維地質建模中廣泛應用[7-8]。

GOCAD軟件針對不同的工程地質領域提供了多種模塊，其主要模塊包括：針對油藏建模的模塊，它提供數據加載與管理的功能，能夠構建三維地質實體模型且生成對應的三維地質實體模型網格，并添加網格屬性；針對地質解釋的模塊，它主要用于單井解釋、聯井剖面、平面地質解釋；針對地震屬性分析的模塊，它提供地震解釋與可視化、地震屬性計算；井位優化與鉆井工程模塊，它主要用于井位優化設計、軌跡設計、防撞計算等；可基于Python、C++等平臺開發獨立功能的模塊等[9]。

3 三維地質實體模型的建立與研究

3.1 三維地質實體模型的建立

3.1.1 數據處理

三維地質實體模型的建立可以通過鉆孔、剖面或者多源數據融合的方式進行。本文主要用研究區工程地質平面圖以及局部工程地質橫斷面圖完成相應模型的建立，其具體的技術流程如下。

1）數據源的檢查、解譯及數字化。首先對收集到的平面圖和橫斷面圖進行檢查，在確定無誤后選定研究區范圍內連續的工程地質平面圖和橫斷面圖作為數據源，根據平面圖和橫斷面圖上的坐標信息，并利用ArcGIS的地理配準功能使其位于正確的空間坐標范圍內，隨后對平面圖和橫斷面圖中的信息進行解譯和抽取，最后將解譯的信息進行數字化。

根據區域資料和鄰近工程取得的資料，本文選取的研究區線路走廊及其周邊范圍的地層主要為第四系松散層，基底巖石主要為薊縣系混合花崗巖、混合巖。下面以研究區范圍內的某一工程地質橫斷面圖為例（見圖1），該橫斷面圖地質界限分明，可以將其劃分為填土（Q4m）、黏土（Q3al+pl）、砂質粉質黏土（Qel）和風化混合花崗巖（Qby）、混合花崗巖這5類，在地理配準的基礎上完成橫斷面圖信息的解譯和數字化過程。

圖1 示例橫斷面圖

2）空間維度轉換。上述的數字化過程建立的線串模型仍然處于二維平面空間，因此還需要將其轉換到三維立體空間中。以橫斷面圖上任意兩個鉆孔的開孔點為控制點，且它們的三維坐標P1(x1，y1，z1)和P2(x2，y2，z2)是已知的，則二維平面空間中的任意一點的三維坐標可以表示為

本文對上述空間映射原理進行了編程實現，完成了空間坐標轉換，并將空間坐標轉換后的三維坐標轉換為GOCAD軟件可以識別的格式。下面以經過上述數據處理步驟的研究區海相沉積層為例，經過數字化以及空間坐標轉換后的連續工程地質橫斷面圖以一系列輪廓線的形式在GOCAD軟件中排布（見圖2）。

圖2 研究區海相沉積層三維輪廓線示意圖

3.1.2 建模流程

GOCAD軟件是一種面向工程地質領域的三維地質建模軟件，其最為出色的優點是具有較強的建模功能和分析算法且操作簡單，因此備受研究人員的青睞。該軟件提供了一種叫地層柵格法的三維地質實體模型的建模方法。與柵格法不同的是，它針對地質系統設定了一組坐標系（見圖3）。由圖3可知，它并不是x-y-z坐標系，而是u-v-w坐標系，它的優越之處在于u-v-w三者的方向可以根據實際三維地質體的形態進行定義，這種定義方式能夠針對三維地質體選取較優的劃分坐標系，從而剖分出高質量的網格單元。下面將基于實例數據，介紹SGrid三維地質實體模型的具體建立方式。

圖3 SGrid三維地質實體模型的u-v-w坐標系示意圖

SGrid三維地質實體模型的建立需要確保在z方向上，有同一地層的上地層面和下地層面兩個地層面，它通過在上地層面和下地層面兩個地層面中剖分出一定數量的離散單元，從而構建相應的三維地質實體模型，其主要建立步驟如下。

1）建立原始的地質界面。這里以研究區的更新統沖洪積層SGrid三維地質實體模型建立過程為例，首先利用GOCAD軟件的DSI算法連接經過數字化和空間坐標轉換后的相鄰輪廓線的更新統沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型（見圖4）。

圖4 研究區更新統沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型示意圖

2）生成Voxet。利用步驟1）構建的更新統沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型，生成一個包圍盒Voxet（見圖5），這是為防止在構建三維地質實體模型時出現上地層面和下地層面模型之間不貼合、有少量間隙的情況（見圖6中橢圓圈定部分），這種情況的出現會使得巖體沒有完全接觸，從而導致后續進行地質分析的模擬結果出現問題。

圖5 研究區更新統沖洪積層巖層的Voxet示意圖

圖6 更新統沖洪積層和全新統沖洪積層模型之間不貼合的示例圖

3）選定剖分方向，設定網格密度，生成SGrid三維地質實體模型。根據更新統沖洪積層巖層層面模型的方向，設定u、v、w 3個方向，并設置u、v、w方向的剖分數量分別為31、21、6，生成的SGrid三維地質實體模型見圖7。

圖7 研究區更新統沖洪積層SGrid三維地質實體模型

4）整體SGrid三維地質實體模型的生成。以更新統沖洪積層巖層層面模型生成的Voxet作為整體SGrid三維地質實體模型的約束范圍，重復步驟1）和步驟3）兩步，最終建立的實例礦床的巖體SGrid三維地質實體模型見圖8。

圖8 研究區工程地質的SGrid三維地質實體模型示例圖

3.2 三維地質實體模型網格單元文件的數據結構

三維地質實體模型的構建是后續地質分析進行數值模擬的基礎，由于市面上的大部分數值模擬軟件更看重模擬分析及其計算過程功能的開發，因此相對而言，建模功能就顯得比較薄弱，只能建立簡單的地質概念模型。而GOCAD軟件能夠根據實際勘探資料，建立復雜的三維地質實體模型，正好彌補數值模擬軟件建模功能的不足。但是將三維地質實體模型轉換為數理模型的過程中，會因為網格節點的排列順序以及單元編號的不同（見圖9）而導致模型在數值模擬軟件中不能正常顯示。因此，需要對GOCAD軟件中的SGrid三維地質實體模型的六面體網格單元的排布進行相應的分析，便于后續將三維地質實體模型應用到相應的數值模擬軟件中。

圖9 GOCAD軟件的六面體網格單元的節點排列

由于在SGrid中，I、J、K對應于坐標軸u、v、w，因此SGrid網格單元位置的表示是由I、J、K坐標系所決定的（見圖10）。

圖10 GOCAD軟件中SGrid三維地質實體模型的示例文件

那么，在數值模擬軟件中導入GOCAD軟件建立的SGrid三維地質實體模型的六面體網格單元，就只需對該數值模擬軟件的六面體網格單元的排布進行相應的分析，并將其與GOCAD軟件導出的網格單元數據結構進行對比，編寫相應的轉換接口，將每一個網格單元按照需要的數據結構模式進行轉換即可。具體而言，首先將GOCAD軟件的三維地質實體模型的網格單元文件導出，讀取文件中SGrid三維地質實體模型中的所有節點，并讓文件根據行號排列，然后構建第一個brick單元，最后用前沿推進的思想逐步生成網格單元。

4 結論與展望

1）基于GOCAD三維地質建模軟件，研究了其地層柵格法的三維地質實體模型的建模方法，借助該方法建立了某工程地質復雜地質空間中的三維地質實體模型。

2）在三維地質實體模型的基礎上，可進一步進行數值模擬，本文研究了GOCAD三維地質建模軟件中六面體網格單元文件的數據結構，并詳細分析了其節點排布的規律和格式，便于不同軟件中三維地質實體模型的相互轉換及其正確顯示。