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、样品间相关程度的不同，对每个样品品位赋予不同的权，进行滑动加权平均，以估计中心块段平均品位。

克里金法类型分常规克里金插值（常规克里金模型/克里金点模型）和块克里金插值。

克里金插值的精妙之处在于它不仅考虑了已知点和预测点的距离关系，还考虑了这些已知点之间的自相关关系。

克里金将点插值成面时，需要先将插值平面网格化，然后根据变差函数，求出原始数据点之间的相关系数，将这个系数及网格点x，y坐标，代入插值公式计算出网格点的z值，将这些z值用三角剖分画出面来就可以了。

该方法在数学上可对所研究的对象提供一种最佳线性无偏估计（某点处的确定值）的方法。

它是考虑了信息样品的形状、大小及与待估计块段相互间的空间位置等几何特征以及品位的空间结构之后，为达到线性、无偏和最小估计方差的估计，而对每一个样品赋予一定的系数，最后进行加权平均来估计块段品位的方法。

但它仍是一种光滑的内插方法，在数据点多时，其内插的结果可信度较高。

采用克里金插值方法得出的某水电站工区地质模型见图2.1（从上到下依次代表各风化层）。

图2.1 某水电站地质模型（克里金插值）2.3.3 离散光滑插值法国Nancy大学的J.L.Mallet教授提出了离散光滑插值（Discrete Smooth Inter-polation，DSI）技术，该技术基于对目标体的离散化，用一系列具有物体几何和物理特性的相互连接的节点来模拟地质体，目前已经成为地质模型计算机辅助设计系统（GoCAD）的核心技术，并在国际上受到极大重视。

该内插方法适用于复杂模型的创建和处理模型表面不连续的情况。

DSI方法具有一定的优点：如自由选择格网模型，自动调整个格网模型的特征，实时交互操作，能够处理一些不确定的数据，对于地质领域的应用非常有用，但是在构造模型的可信度方面还需要进一步的研究。

DSI技术的基本内容是，对于一个离散化的自然体模型，建立相互之间联络的网络，如果网络上的点值满足某种约束条件，则未知结点上的值可以通过一个线性方程得到。

DSI主要根据已知点递归求出未知点数值，通过控制递归计算步数可以控制曲面的精度。

地学模拟研究中采用了适应能力很强的三角网和四面体剖分，这对于模型的修改和三维可视化十分方便。

2.3.4 反距离加权法反距离加权法是以插值点与样本点之间的距离为权重进行加权平均的一种空间插值方法，插值点越近的样本点赋予的权重越大，其权重贡献与距离成反比。

是基于“地理第一定律”的基本假设：即两个物体相似性随他们间的距离增大而减少。

此种方法在已知点分布均匀的情况下插值效果好，插值结果在用于插值数据的最大值和最小值之间，但缺点是易受极值的影响。

此法主要依赖于反距离的幂值，幂参数可基于距输出点的距离来控制已知点对内插值的影响，通过定义更高的幂值，可进一步强调最近点。

因此，邻近数据将受到最大影响，表面会变得更加详细（更不平滑）。

指定较小的幂值将对距离较远的周围点产生更大影响，从而导致更加平滑的表面，将所产生的最小平均绝对误差最低的幂值视为最佳幂值。

反距离插值生成地质体情况见图2.2。

图2.2某水电站地质模型（反距离加权法）2.3.5 样条插值法样条插值是使用一种数学函数，对一些限定的点值，通过控制估计方差，利用一些特征节点，用多项式拟合的方法来产生平滑的插值曲线。

这种方法适用于逐渐变化的曲面，如温度、高程、地下水位高度或污染物浓度等。

该方法优点是易操作，计算量不大，缺点是难以对误差进行估计，采样点稀少时效果不好。

样条插值法又分为张力样条插值法（Spline with tension）和规则样条插值法（Regularized Spline）。

为避免产生极值的现象一般选用张力样条插值法。