三维地质可视化模型及其应用研究[1]

２００７年第６期能源技术与管理三维地质可视化模型及其应用研究凌毅平，程夏胜（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽宿州２３４０００）［摘要］三维地质可视化模型能够将复杂的地质构造情况、地质体的形态以三维的形式表现出来，可有效地应用于矿产资源勘查、油气勘探开发、煤田地质勘探、矿山生产和管理、地质灾害治理等地质科学的各个领域。

综述了三维地质建模软件的开发现状，三维地质可视化数学建模方法，三维可视化模型实现的关键技术及建模流程等问题。

［关键词］三维地质；可视化；虚拟现实；建模流程［中图分类号］Ｐ６２４［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２!９９４３（２００７）０６!００５０!０３０引言三维地质构造模型包括概念模型（ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌＭｏｄｅｌｓ）、物理模拟模型（ＰｈｙｓｉｃａｌＡｎａｌｏｇＭｏｄｅｌｓ）、数学模型（ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｓ）、统计学模型（ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｓ）及可视化模型（ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｓ），它们构成了一个完整的地质模型模拟系统。

２０世纪８０年代后期，随着计算机图形学应用的发展，三维地质可视化模型逐渐成为了一个新的研究分支，９０年代成为地学领域的研究前缘。

三维地质可视化模型是指以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，采用计算机技术将数学描述以３Ｄ真实感图像的形式予以表现。

利用三维可视化的结果可以实现三维空间中最完整的地质构造解释，描述复杂的地质构造情况，可以反映石油、煤炭等资源的构造形态和属性特征的三维图形图像，从而实现全三维资料解释、三维地质建模、地质过程的仿真模拟等高级可视化应用功能［１］。

但是，目前三维空间中的地质构造解释方式和表达方式还是以剖面＋平面（构造等值线）图为主，也就是地质体在地质工作者的脑子里，不能直观地展现在三维虚拟场景中。

因此加强三维地质可视化模型技术的研究及其在三维地质构造解释中的应用具有十分重要的意义。

１地质体三维模拟面临的困难１．１三维空间数据获取的艰难性三维复杂地质对象建模与可视化主要依赖于原始数据。

然而，采样数据不充足、地震剖面数据缺乏解释，以及遥感数据的模糊性等，使模型的建立十分困难，也导致无法准确地描述地质体空间属性的变化特征。

１．２地质体空间关系的复杂性断层将地层切割成不连续的空间分布体、岩性变化复杂、地质过程的动态特征等，使地质体及其时空关系变得异常复杂。

由于地质体包含如逆断层、倒转褶皱等多值面的地质现象，增加了数据结构拓扑关系以及相应算法的复杂程度，至今仍缺乏成熟的解决方案。

另外，长期的地质勘探研究工作积累了包含许多地质对象的复杂的空间模型，对于这种模型，难以确定地质对象之间时空和结构上的相互关系，并保持它们的一致性。

１．３空间分析能力的局限性地质现象中存在复杂性、不连续性及不确定性等客观因素，以及三维地质建模应用目的各异等主观因素，使三维模型的建立缺乏统一而完备的理论技术，导致现有系统缺乏空间分析能力。

１．４三维地质模拟软件的局限性三维地学模拟理论、方法、技术和软件尚不十分成熟，地质软件还不能依据少数几个控制点或依据地质规律建立一个复杂表面模型，不能生成实际所需的不同种类的二维投影图件。

对于海量地质数据、深度数据的可视化处理还不成熟，为地质学家提供解释３Ｄ地质环境、分析有关地学问题的技术有限。

建模质量过多地依赖于地质建模专家的水平，不仅影响了软件的使用效力，也限制了建模自动化程度的提高［２］。

２三维地质建模软件的开发现状２０世纪８０年代以来，以美国、加拿大、澳大利亚、英国为代表的西方主要国家相继推出多种代表性的地学可视化建模软件。

如：ＧＯＣＡＤ是一５０２００７年第６期凌毅平等三维地质可视化模型及其应用研究个关于地球物理、地质、水库工程应用三维几何软件。

３Ｄｍｏｖｅ主要用于模拟断层运动、斜向剪切及伴生褶皱三维模型。

Ｇｅｏｓｅｃ不仅可以建立地质体的几何形态，而且还可以恢复年代历史，进行运动学分析。

ＧｅｏＴｏｏｌｋｉｔ是３Ｄ地理信息系统的代表，但只能用于处理简单地质数据。

ＧｅｏＦｒａｎｃｅ３Ｄ是一种框架结构的软件工具，目的是提供对所有采集到或被处理的地质、地球物理数据进行存储、评价和３Ｄ形体确定，创造一个观察地壳３Ｄ可视化的环境，ＢＡＳＩＮ是一个模拟沉积盆地建造过程三维系统。

ＬＹＮＸ、Ｖｕｌｃａｎ、Ｇｅｍｃｏｍ、ＭｉｎｅＳＯＦＴ是一些典型的矿山模拟与矿业应用软件系统。

Ｅａｒｔｈ－Ｃｕｂｅ、ＧｅｏＶｉｚ、ＶｏｖｅｌＧｅｏ等是比较著名的地球物理三维可视化应用软件。

Ｅａｒｔｈｗｏｒｋｓ、３Ｄｓｅｉｓ、ＳｅｉｓＶｉｓｉｏｎ、ＳｅｉｓＸ２Ｄ／３Ｄ等是典型的三维地震分析系统。

我国也开发了一系列的三维建模软件。

１９９６年中国科学院地质与地球物理研究所与胜利石油管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪研究ＧＯＣＡＤ。

长春科技大学在阿波罗公司ＴＩＴＡＮＧＩＳ上开发了ＧｅｏＴｒａｎｓＧＩＳ三维ＧＩＳ，主要用于建立中国乃至全球岩石圈结构模型的三维信息。

石油大学开发的ＲＤＭＳ、南京大学与胜利油田合作开发的ＳＬＧＲＡＰＨ都是用于三维石油勘探数据可视化。

中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统（ＧｅｏＶｉｅｗ）可实现真三维地学信息管理、处理、计算分析与评价决策支持。

中国石油勘探开发研究院开发的ＴｒａｐＤＥＭ系统可用三维构造演化史恢复。

在国内石油公司、地球物理公司等单位普遍使用的地震软件大都是从国外引进的并以Ｌａｎｄｍａｒｋ公司和ＧｅｏＱｕｅｓｔ公司的解释系统居多［３］。

３三维地质可视化的数学建模３．１数据来源三维地质可视化的数据来源主要包括三个方面：一是直接观测得到的数据：野外填图，测量，遥感，ＧＰＳ数据等；二是通过钻孔获取：岩芯资料和测井资料；三是地震资料。

一般来说钻孔数据大都是离散的，仅通过钻孔数据用ＴＩＮ表面法来构建三维地层模型是不能有效地反映地质形态的原貌，这就要求原始的钻孔数据进行预处理，进行加密。

目前加密的方法有很多，主要是线性内插法、分三段法、张力样条法及克里金法等，可以通过对原始的钻孔数据进行分层构建三角网面，然后在三角网的基础上通过三角形的三点用线性内插法进行内插加密，从而得到很多虚拟钻孔数据，这就为后面的地层三维构建提供了基础［４］。

３．２三维地质模拟技术方法地质构造的三维可视化技术包括数学建模及可视化两个方面［１］，构建三维模型的方法概括起来有断面构模法、表面构模法、块体构模法、线框构模法、实体构模法和体视化技术。

断面法是三维问题二维化，其缺点是表达不完整。

表面法是数字地形模型的应用，缺点是不能表达在地质体内部的属性信息。

块体法是三维Ｇｒｉｄ模型，较好地兼顾了精度与存储的矛盾。

线框法是表面法和块体法的合成，能描述任意形状的矿体，缺点是当控制点加密引起地质界面变化时，要重新修改表面并分割块体。

实体法是Ｎｅｔｗｏｒｋ与块体法的混合，优点是能精确表达较复杂地质结构和进行体积计算以及储量估算。

在国内除了断面法和表面法等方法外，其它方法的应用不多。

体视化技术是在科学计算可视化基础上发展起来的一门技术。

国外将体视化技术应用于三维地学模拟的典型代表是加拿大ＬＹＮＸＧｅｏｓｙｓｔｅｍｓ公司ＬＹＮＸ系统的三维ＧＭ（ＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅＭｏｄｅｌｉｎｇ）技术、法国Ｎａｃｙ大学研制的Ｇｏｃａｄ软件、美国ＡｄｖａｎｃｅｄＶｉｓｕａｌＳｙｓｔｅｍ公司ＡＶＳ系统中面向三维地质模拟的技术［３］。

体视化技术的出现和发展给三维地质建模提供了有力的理论依据和良好的可视化途径。

４三维地质体模型的可视化理论４．１生成可视化图形的基本任务用计算机在图形设备上生成真实感图形必须完成四个基本任务，如图１所示［４］。

三维地质曲面的构建：三维场景的几何描述可通过三维立体造型或曲面造型系统来描述。

由于地质体结构非常复杂，表面为不规则曲面，因此只能采用曲面造型的方法。

图形变换：将三维几何描述通过几何变换和投影变换转换为二维透视图。

可见面识别：为了改善图形的真实感，消除多义性，在显示过程中消除实体中被隐蔽的部分。

目前消除处理具有代表性的算法有三种：画家算法、Ｚ缓冲器算法和光线跟踪法。

计算场景中可见面的颜色：为了计算屏幕像素上相应景物可见点的颜色，需建立一个能计算物体表面在空间给定方５１２００７年第６期（上接第４９页）系龙潭组７煤的赋存范围、深度和起伏形态，除在中部存在一小幅度背斜外，其主体形态为向北倾斜的单斜构造；控制７煤层最大赋深２５８ｍ。

初步查明了区内主要断裂构造，发现落差大于１００ｍ的断层１条，落差小于１００ｍ的断层１２条。

总之，本次二维地震勘探的地质成果完成了预定的地质任务，为本矿区后续工程布署提供了较翔实的地质资料，为极复杂山地煤田地震勘探提供了经验。

［作者简介］吴加和（１９６２－），男，高级工程师，１９８８年毕业于中国矿业大学勘查地球物理专业，现任江苏煤炭地质局科技信息处副处长。

［收稿日期：２００７－０７－２５］向上光亮度的光照模型。

光照模型解决了一个点如何着色的问题，接着要解决一个面如何着色的问题，就需要使用明暗处理技术。

在经过了上述四步处理后，将生成一幅静止图象，再经过图形旋转、缩放等变化生成三维动画。

图１三维可视化处理过程４．２三维可视化关键技术三维建模技术采用地质统计学方法快速构造三维曲面。

三维地震勘探所获取的三维地震数据较容易实现地质模型的立体解释和显示。

但是，其它勘查技术手段所获取的数据和其它学科的研究成果常常为一维或二维，或者是点的数据，如地面露头的观测点，钻孔等，要实现这类离散地质数据的三维立体显示，必须解决数据升维问题，可以根据地质模型用三维建模技术进行内插，外推和模拟生成三维地质界面。

三维显示技术包括多个三维图层的联合显示和三维贴图显示技术。

多个三维图层的联合显示是将多个空间曲面以统一的空间参照坐标系套叠、组合显示出来，可用于复杂的地质界面组合的描述和评价。

地质体的某些属性无法以三维空间位置的方式予以表达，如地层沉积相展布、生油岩成熟度等，但其又必须与构造埋深、断层形态等三维空间属性结合起来进行综合研究，在这种情况下，可采用三维贴图技术将二种属性组合显示出来。

三维操作包括三维旋转、平移、飞行模拟等一系列三维图像显示方法。

它以三维图像表达地质界面的形态，使研究者可以从不同的角度、高度、位置对地质界面、地质体属性的组合关系进行观察和评价［４］。

５三维地质可视化模型的应用及其意义利用三维地质可视化模型可以描述地下复杂的三维地质环境，将复杂的地质构造情况、地质体的形态和结构以三维的形式表现出来，从而使地质技术人员和管理人员更加的真实、直观的认识各种地质现象，是解决各类地质问题的重要手段。

三维地质可视化模型可以有效地应用于矿产资源勘查、油气勘探开发、煤田地质勘探、矿山生产和管理、地质灾害治理、水文地质与工程地质、城市环境地质等地质科学各个领域，具有重要的理论和实际意义，是目前地质科学的研究前沿和攻关热点。