三维地质建模及其在数字城市中实际应用

通过二维地质剖面图生成 真三维地质体与地质结构的过程
通过地质平面图及其地质参数进行三维地质建模 先将构造平面图转变为空间曲面
再叠加岩相、岩性、地化和结构参数，进行真三维地质体建模
我国西部某特大型水电站的基底地质结构图
b a
正断层(a)和逆断层(b)的三维建模和可视化表达
可任意切制剖面图、水平切面图，制作栅状图
桂林等城市整体坐落在溶洞群和阴河网络之上，溶洞崩塌 和地面陷落的危险制约着城市的建设，安全隐患严重；
武汉市地下分布着一条宽1km、长45km的石灰岩带，由于 岩溶发育和过量抽取地下水，引起地表陷落、楼房倒塌；
平顶山和焦作市地下采煤造成地面数十km2塌陷，但采空区 分布状况至今不甚明了，潜在安全隐患且建设规划困难；
1.2.2 国内三维地质建模研究现状
在国内三维地质建模的研究与应用开始于20世纪90年代初期，并逐渐成为 研究热点领域。目前，很多高等院校和研究单位结合所属领域开展了这项 研究工作，取得了一定的理论和应用成果。
中国科学院张菊明、陈昌彦等应用拟和函数法开发研制了边坡工程地质信 息的三维可视化系统，应用于长江三峡永久船闸边坡工程中。
6
29.3525 386.070 2.061640 88.2685 14 24.6649 222.420 1.251290 30.8224
7
7.11776 679.636 3.782010 83.0832 15 11.5246 255.110 0.447177 30.5481
谢谢大家 ！
1.2.1 国外三维地质建模研究现状
高塘
6松林
3
12
10
8
2
八里刘
5 7
0
14 堂邑
韩庄
9
14 13聊15城
沈庄
石炭-二叠系煤成气运移聚集模拟结果
圈闭编号
气藏面积 (Km2 )
气厚度(M)
气圈闭体 积(Km3)
气聚集量( 亿方)
圈闭(号)气藏面积 (Km2气源自度(M)气圈闭体 积(Km3)
气聚集量( 亿方)
0
173.537 787.016 63.05470 794.111
到20世纪90年代以后，三维地质建模理论与方法开始向集 成化方向发展。1994年加拿大Houlding提出三维地学建模 (3D Geoscience Modeling)的概念，即在三维环境下将地 质解译、空间信息管理、空间分析和预测、地质统计学、 实体内容分析以及图形可视化等结合起来，并用于地质分 析的技术。
一、地下数字城市与三维地质建模
厦门市某房地产开发商将厦门市第一栋高楼的地盘选在古流沙 体之上，地基开挖后因遇暴雨而发生沙基液化，花费了数千万 元进行治理，仍因危及旁侧大楼而被迫停止；
香港和重庆等坐落于山麓的城市，因平整地基而致成千上万处 危险边坡，建筑物和居民处于滑坡灾害的严重威胁之中；
唐山、海城、邢台、都江堰等地震灾区，一些楼房和建筑群处 于活动断裂带上，地震时出现烈度异常，损失极为惨重；
野外数据 采集子系统
平台
室内数据综 合整理子系统
平台
遥感解译图标绘模块 属性数据采集模块 地质草图修编模块 地质现象素描模块 实测剖面测绘模块 属性数据整理模块 属性数据处理模块 空间数据整理模块 空间数据处理模块 地质图编辑模块
ANNS 技术
三维空间 分析子系统
平台
插图与图切剖面模块 三维图形编辑模块
对这种不良结构化或半结构化问题进行定量化描述十分困 难，需要借助三维可视化建模技术，甚至三维动态可视化 技术来提供新的洞察力，启迪思路，以便直观地感知和了 解地质体、地质现象和地质过程。
同时，为了合理规划城市建设、充分利用地下空间，并且 搞好城市地质灾害预防，也需要借助地质信息系统技术和 三维可视化建模技术，建立起一个地下数字城市。
带
带
金
汤
山
门
龙
金
汤
门
山
断
裂 茂汶 构 断
裂裂
造 北川带
断 安县
汶川 形
后弧
部山
中 山 弧山
都江堰
前构
形
绵竹
造
带
什邡 德阳市
门 龙
龙
成都市
带
武都 江油
绵阳
一、地下数字城市与三维地质建模
地质体通常存在复杂结构和复杂演化历史，而且存在显著 的参数信息不完全、结构信息不完全、关系信息不完全和 演化信息不完全的情况。
现今(5Ma以来)C+P天然气 运移聚集模拟结果
(图上编号为圈闭号)
模拟结果表明，16个 具有天然气勘探前景的潜
在气藏中，有９个集中在
王果铺
堂邑凸起上，总聚集量占
全盆地的 85％以上。其
11许家屯
恩城
平原
腰站
中，８号圈闭已经取得日 产十几万立方的天然气产 能。这是临清坳陷勘探50
年来的第一次重大突破。
香港特区的一个大型地下排污隧道工程，由于没有事先掌握地 下地质结构信息，施工后被频繁发生的崩塌和涌水事故弄得措 手不及，不仅安全没保证，而且浪费金钱、经常窝工。
北京市地下铁路、人防工程、地下商场、地下旅馆、地下仓库、 地下管道，总面积几千万m2，每天有150万人进出，由于缺乏有 效的空间信息管理手段，其安全与消防都存在严重问题。
他用专著详细阐述了基于有限的数据如何建立计算机模型 来满足地质学家扩展地质解释、地质统计预测和图形显示 的需要，基本技术方法包括空间数据库的建立、三角网生 成方法、三角网面模型构建方法、三维三角网固化方法、 地质体边界的划定和连接等许多方面。
随着相应理论基础的研究和深入，以及计算机技术的迅速 发展，从20世纪90年代以来，国外出现了较多的大型的三 维地学信息可视化软件。例如：
3
7.11112 752.697 4.602870 121.235 11 47.7532 276.280 1.533820 35.3633
4
36.0738 256.343 1.813330 97.3524 12 5.89842 596.046 1.783610 34.0716
5
29.9478 203.610 1.304010 70.4240 13 20.3085 393.141 1.280050 32.7424
在 GOCAD中，线表示为一维图形或一组相邻的线段，表 面表示为二维图形或一套相邻的三角形。线或三角形结点 的三维位置通过离散光滑插值计算得到，该法使得线或表 面的粗糙度最小。
GOCAD系统均简化了可视化和模型创建的功能，在建模 和可视化方面取得了很高的成就，尤其适合于表示非常复 杂的地质构造.
但在表示非均质实体内部属性变化时存在局限性；并且该 系统不具备对建成模型的动态修改功能。
地质数据及其空间对象相邻相关性的多种索引技术。
PDBS 技术 GIS 技术
属性 数据库
前期资料搜 集整理子系统
平台
属性数据采集模块 空间数据采集模块 二维图形编辑模块 数据综合分析模块 GPS 数据采集模块
手图 标绘模块
RS 技术
面
向
GPS 技术
对 象
技
CADS 技术
术
ES 技术
数据仓库 技术
空间 数据库
三维空间分析模块
基于地质点源信息系统的三维地质建模技术平台－GeoView
可以自由地输入、补充和修改二 维、三维图形及其地质参数
提供可视化分析工具
地质空间数据和属性数据的混合真三维图形编辑系统
香港元朗区
通过钻孔岩心柱的空间数据及其地质参数进行三维地质建模
通过二维地质剖面图及其 地质参数进行真三维地质体与地质结构建模
一、地下数字城市与三维地质建模
地质体的三维可视化建模，应当满足如下条件，方能满足 城市地质勘查(察)与地下数字城市建设的实际需要：
提供完善的工具，可分别采用或混合采用钻孔、地震勘探、剖面 图和平面图，甚至平洞、浅井和探槽资料，并且能与DEM、DOM及 地表景观影象结合，实现地面、地下一体三维可视化建模；
二、三维地质建模的关键技术
三维地质建模的关键技术包括：
–(1)符合地质体、地质结构空间特性的三维数据结构模型； –(2)符合地质数据及其应用特点的三维动态建模技术； –(3)复杂地质体与地质结构的三维可视化剪切分析技术； –(4)基于多源、多维、多类数据的数字地质体自动重构技术； –(5)基于多源、多维、多类数据的拓扑推理虚拟插值技术； –(6)适应多源、多维、多类、多尺度、多时态、多主题特征
能够方便地把测量、勘探、设计、施工等数据和工作流程集成起 来，并能根据地质知识和经验对剖面进行编辑和信息补充，实现 含地层尖灭、透镜体、溶洞、褶皱和断层的地质体自动建模；
能够有效地处理和描述复杂的地层结构、岩石组成、矿物成分、 化学成分、物理参数、褶皱断裂、地下水的三维空间分布；
所建立的三维数字地质体应是矢量的，可支持进行地质空间和过 程分析，以及地下工程设计，实现地下水动态和成矿成藏过程的 三维动态模拟，以及地基稳定性评价和地质灾害的预测预报。
三维地质建模及其在数 字城市中的实际应用
一、地下数字城市建设与三维地质建模
对城市地下空间的信息管理、处理和应用是数字城市建设 工程的一个重要的领域，随着地下空间的利用提到议事日 程中来以后，其重要性更加凸现出来。
如下状况使得地下空间信息的重要性日益增强：
上海、杭州等城市的许多高楼坐落在厚层软弱泥岩层上，结 果由于抽取地下水而造成大规模地面塌陷，对交通线、建筑 物与防洪能力造成严重破坏；
国外的三维地质建模研究经历了从简单的线框建模、表面建模、 体三维建模到集成建模的发展阶段。
地矿行业最早的 3D空间信息系统是由 Notley 和 Wilson 于 20世纪70年代初开发的。
该系统基于三维线框模型(3D Wire Frames)。它通过平面和剖面 图的数字化而得到的三维坐标，然后生成各种透视图。
该系统的功能非常简单，甚至没有达到真正意义上的三维可视化， 但其开创性意义却是重大的，目前基于剖面图和平面图建立三维 空间实体的方法，与此并无原则上差别。
到20世纪80年代，随着计算机技术的不断更新和三维造型技术 的不断进步，出现了大量的表面建模软件，但其中较为著名的 是法国的GOCAD。
GOCAD 是“地质对象计算机辅助设计”的英文缩写。地质体有简 单、有复杂，但绝大部分非常复杂，因为地质体经常会受倒转 褶皱、盐丘、以及逆向断层等构造事件的影响，因而建模较不 容易。因为这种原因 GOCAD的研究组于 1989 年提出了一种全 新的离散建模战略。
基于Unix 的有Datamine、Minecom、Surpac、Lynx、Vulcan等； 基于Windows的主要有GOCAD、SurpacVision、PC-Mine、 MicroMine、Minemap等。 主要应用于地球物理、石油物探、石油开采和露天矿开采等领域
但是，由于受到具体地质条件的限制，这些国外软件对于 地质空间三维建模，主要采用基于手工交互的静态建模方 式，如何提高复杂地质体的三维建模效率，实现模型的动 态重构与快速更新对于这些国外的三维建模软件依然是一 个有待解决的难点问题。
该战略的基本思想为：①任何对象的表面形状是由三维空间的 结点(点)的有限集合来定义；②拓扑关系通过这些结点之间的 连接来模拟；③物理属性作为附加在这些结点上的值来模拟。
在实际当中这种离散的方法必须要通过一种功能强大的数学工 具来帮助定义空间对象的结点进行物理属性和位置(x,y,z)的插 值。出于这种要求，Mallet J.L.教授提出了著名的“离散光滑 插值法” (Mallet,1989)。
8
6.95368 784.946 3.696020 75.8297
1
58.5259 440. 070 5.232240 185.182
9
3.92312 170.439 0.154473 51.7808
2
45.1278 350.260 0.000000 130.760 10 5.15904 664.786 2.680010 44.2180
特色是带断层的三维化
可任意切制剖面图、水平切面图，制作栅状图
我们可以旋转图形，从不同角度进行观察
可以抽出任意一个或几个目标层进行透视观察
例如，抽出棕黑色的一个软弱夹层进行透视观察
可以对所生成三维数字地质体进行空间查询
地下流沙层的空间查询结果显示
地下软弱夹层的空间查询结果显示
T2-4 T4-5 T5-6 T6-7 T7-8 T8-g
地下活动断层的空间查询结果显示
还可以任意地进行隧道、巷道、 竖井、斜井等挖刻分析
三维模型分析
洞室开挖分析
三维可视化
浦口新市区 火车南站
地质分析
空间矢量剪切分析 等值线分析 开挖分析
制作栅栏图 剖面自动生成
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实际应用演示
浦口新市区地下 地质结构
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实际应用演示
临清坳陷油气 运移和聚集动态模拟