地质建模软件介绍

地质建模软件介绍

康文彬

摘要：随着信息技术手段的高速发展，传统工程地质学领域在地勘成果信息化设计方面渐渐形成了初步的理论与方法体系，并在此基础上对工程勘察全过程提出了一体化设计需求。实现工程三维地质信息建模与分析的目标，对工程全生命周期以三维地质模型作为支撑，将能够实现各方面的多种需求，而其最大的优势就是可以更为快速和准确、方便、直观的体现地质体的三维信息，还可以利用其剖切的功能实现二维图件的快速绘制。本文主要对地质建模理论和现有地质建模软件相关情况进行简要客观的介绍。

关键词：地质软件

1 三维地质建模的必要性

长久以来，对于地学信息的表示和处理都是基于二维的，通常将垂直方向的信息抽象成一个属性值，其实质就是将三维地质环境中的地质现象投影到某一平面（XY平面、XZ平面或YZ平面）上进行表达，称为2.5维或假三维，它描述空间地质构造的起伏变化直观性差，往往不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受具体的地质情况，越来越不能满足工程设计和分析的需求，因此，真三维处理显得愈来愈迫切。与此同时，众多新型勘探手段的应用，诸如地震勘探、探地雷达、遥感，以及地球化学勘探等，致使各种地质资料急速膨胀，迫使地质工作者不得不采用新的手段来综合利用这些信息。因此，空间三维地质建模及可视化技术的研究是计算机在工程地质领域应用的一个必然趋势。

1994年加拿大学者Houlding最早提出了三维地学建模（3D Geosciences 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。工程地质三维建模及可视化技术借助于计算机和科学计算可视化技术，直接从3D空间角度去理解和表达地质对象的几何形态、拓扑信息和物性信息，这对工程决策和灾害防治意义重大，已经成为岩土工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多学科交叉领域研究的前沿和热点。

三维地质建模体系大致概括为地质数据处理、地质体建模和模型应用三个阶段。为充分了解现有三维地质建模软件的相关情况，选取满足当前工作使用需求的软件进行地质模型的创建，有必要对相关理论及各软件的相关情况进行简要介绍。

2 相关理论介绍

2.1 理论要求

一个完善的三维地质建模理论必须具备以下几个基本元素：

（1）需要一个适宜进行三维地质建模，并能表达地质对象的拓扑结构、几何结构，以及属性信息的三维数据模型。拓扑结构表达的是地质对象之间的联结关系，它描述的是地质对象的相对位置，可以隐式的存在于模型的几何描述中，也可以显式的存储，即实现拓扑结构和几何结构的分离；几何结构描述的是地质对象在三维欧式坐标系统中的绝对位置，为了方便建模也往往采用局部坐标系统。拓扑结构定义了三维模型的“骨架”，而几何结构则是附着在“骨架”上的“肌肉”。属性特征表示地质对象的各种性质特征，如地质对象的年代、岩性、空隙率、含水性、力学参数等。

（2）具备融合多源数据构建复杂三维地质体的能力。三维地层建模的准确性很大程度上依赖于原始的地质勘探数据。然而，一方面由于经费和勘探方法的限制，只能获取一些非常不全面，有时甚至是冲突的信息；另一方面却是众多地质勘探资料不能得到充分的利用，这些资料多以表格、文字、图表、图纸等格式保存，能直接利用的仅仅是一些数据库和一些表格文件。因此，必须对现有勘探数据格式进行调查分析，研究多源数据的集成技术，以提高对现有数据的利用程度。

（3）具备模型的动态更新能力。岩土工程活动也是一个地质资料不断积累、丰富的过程，因此三维地质建模技术必须支持三维模型的动态更新能力。

（4）三维可视化。在设计和分析模型时，对模型进行有效的可视化是保证几何对象正确性的前提条件。其中三维可视化的内容包括透视投影或正射投影显示，隐藏面、线的消隐，光照模型显示，纹理（贴图）模型显示等多种可视化模型的显示。

2.2 数据模型

空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立地质空间数据库的理论基础。而地质数据库是整个可视化仿真系统的核心，它直接关系到数据的输入、存储、查询、分析处理和输出等各个环节，它的好坏直接影响到整个系统的性能。空间数据结构是空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视化表现的基础。经过漫长的发展，大致形成了三类数据模型：基于面（Surface-based）表示的数据模型、基于体（V oxel-based）表示的数据模型，混合结构数据模型以及泛权建模方法。

基于面表示的数据模型以物体边界为基础定义和描述空间实体，模型主要表达空间对象的

边界或“表皮”。基于面表示的数据模型主要有：格网模型，不规则三角网模型，边界表示模型，参数函数模型，解析模型，形状结构。基于体表示的数据模型是用体信息代替面信息来描述对象的内部，它将三维空间物体抽象为一系列邻接但不交叉的三维体元的集合，其中体元是最基本的组成单元。根据体元的不同，可以建立起不同的数据模型。其优点是数据结构简单，便于实现空间分析；缺点是表达空间位置的几何精度低，数据量大，三维图形输出效果较差。目前，基于体表示的数据模型主要有：3D栅格模型、八叉树模型、结构实体模型、不规则四面体模型，以及类三棱柱模型等。

2.3 插值拟合方法

插值算法决定没有数据位置几何体的长相，与数据密度有很大的关系。空间插值实现了在离散采样点的基础上进行连续表面建模，同时对未采样点处的属性值进行估计，是分析地理数据空间分布规律和变化趋势的有力工具。地质勘探结果大多反映在一些离散不规则分布的数据点上，为了通过这些离散数据建立起区域性连续的整体模型，需要利用插值和拟合方面的曲面处理方法。曲面插值是严格通过给定的数据点来构造曲面，并根据原始数据点值来插补空白区的值，这类方法不改变原始数据点值。而曲面拟合则是利用相对简单的数学曲面来近似构造复杂的地学曲面，根据一定的数学准则，使所给出的数学曲面最大限度地逼近地质曲面；通过拟合处理的曲面，原始数据点一般有所改变，所以曲面拟合的结果往往会取得平滑的效果。在地质曲面构造中运用较多的插值和拟合方法包括按近点距离加权平均法、按方位取点加权法、双线性插值法、移动曲面插值法、二元三点插值法、Kriging插值法和三次样条函数拟合法、趋势面拟合法、加权最小二乘拟合法等。以下对目前应用于三维地质建模中的几个插值方法做简单介绍。

2.3.1 线性内插

线性内插是首先使用最靠近插值点的三个已知数据点确定一个平面，继而求出内插点的高程值的方法。基于TIN的内插广泛采用这种简便的方法，可以对三角网进行插值加密。在实际应用过程中为了保证解的稳定可靠性，常采用双线性内插方法。

2.3.2 克里金插值方法

克里金插值方法最早是由法国地理学家Matheron和南非矿山工程师Krige提出的，用于矿山勘探，它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布，确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。根据样品空间位置不同、样品间