三维地质建模理论、方法与应用

点、线、面
面、体 面、体 面、体 面、体 面、体 面、体 点、面、体
居民地、建筑物、道路
断裂、地层厚度 地层、界面 河流、三角洲、冲积扇、风或沉积 古河道砂体、古沙漠 构造分区、沉积充填体 地下水流场、水位、含水层系统 岩性、孔隙度、渗透率、含水饱和 度等
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几何、属性
几何 几何 几何、属性 几何、属性 几何、属性 几何、属性 属性
地表数据
地下数据
钻孔（井）数据、 勘探工程数据、物 探数据、地质雷达 数据
钻孔（井）卡片、钻孔剖面 图、钻孔柱状图、地质图， 雷达剖面图等.
地质建模数据来源实例
钻孔柱状图
地质剖面图 遥感影像分类解译成 果图
地质雷达剖面 及解释成果
数据坐标系、比例尺
坐标系与比例尺的选择
- 地质建模对象可以从小到几米的地质体环境绵延到数千公里宏观的区域。因 此，针对不同比例尺级别的建模对象，应选择不同的坐标系统。在涉及到垂 直坐标系时，应考虑到不同坐标系之间的切换。
栅格:
• 规则格网(Grid) • 形状模型(Shape) • 格网形式多层DEMs
矢量栅格集成:
• 格网-三角网混合数字高 程模型（Grid-TIN）
通过表面构模形成三维 空间目标的轮廓，便于 显示和进行数据更新； 但是，由于缺乏几空间 的三维描述和内部属性 记录，因此，难以进行 三维空间查询与分析
汇报内容
汇报内容
1、概述 2、地质信息分类与描述 3、空间地质建模数据 4、三维空间数据模型 5、基于似三棱柱体元的地质建模方法
6、地质模型三维空间分析
7、应用实例
空间数据模型
现实世界地理 实体或者现象 认识、抽象与概念模型化
空间数据模型是关于现实世界中实 体及相互间关系的概念，它以对地 理空间的充分认识和完整抽象为基 础，利用计算机能够识别和处理的
设计
概念模型
格式化语言对现实世界的地理实体、 现象和关系进行定义与描述，是现 实世界到计算机世界的直接映射。
逻辑数据模型
实现
主要包括二维空间数据模型和三维 空间数据模型。
物理数据模型
计算机世界
三维空间数据模型与结构
三维空间数据模型是研究三维几何空间对象的数据组织、操作方法以及规 则约束条件等内容的集合，较之于二维数据模型，可以表达更为丰富的信 息和空间操作。 它在计算机中的逻辑实现需要借助于空间数据结构。
描述地质体的实际 现象或者特征.
属性特征
指地质体所处 的空间位置.
空间位置 特征
地质建模 数据
描述地质体对 象之间存在的 一些具有空间 特性的关系
空间关系 特征
地质体是随时 间变化的
时间特征
地质建模数据来源与分类
原始采集数据
遥感影像、大地 测量数据、地质 调查数据等
处理成果数据
遥感数据解译、分类图 像、地形图、地质调查 图等.
空间分析
存在问题
• 不同的地质现象使用的数据 模型不同，缺乏统一的理论 基础，导致空间分析算法复 杂
空间关系 • 三维地质体内部包含断层、裂 隙、褶皱以及人类勘探工程等 各类现象，其数据结构、拓扑 关系以及相应算法缺少成熟的 解决方案 数据模型 • 复杂特殊地质体缺乏合理的数 据模型 数据获取 • 大多数的地学采样数据较为稀 疏，缺乏解释，严重影响建模 效果
1:100万
.
采用Lambert投影
1956黄海坐标系
1985国家高程基准
1:1万~1:50万比例尺
均采用高斯-克吕格投影 坐标系
垂直坐标系的 转换
1:1万以下（小尺度）
横向变形较小，可直接选 用直角坐标系，不考虑大 地坐标系
水平坐标系的 选择
建模数据一致性检查与处理
地质建模数据一致性是指在实际建模过程中遇到的数据矛盾、冲突 等问题。比如同一地质对象，根据不同的数据源提取到的建模信息 差别较大，或者年代较为古老的地层出现在了年代较新的底层的上
数据一致性问题
• 多角度变化，检查各单元 内部和之间是否存在交叉
地质建模信息获取方法
经过不同的手段获取到的地质建模数据，经过坐标系转换、一致性检查等处理后，可以直接 反应出地质体特征点的空间位置坐标信息和属性信息。但是，大多数的基本测量数据，必须 经过进一步的综合分析、解释和计算以后才能产生新的和有价值的三维建模信息。而这些信
单位系统地评价、预测各种可利用资源（地下水、矿产、能源等）的直观有效工具。
基于skyline的地下矿 产开挖巷道模拟效果 基于GMS的地下水 流场模拟效果
研究现状
目前，三维可视化技术在国外已经日趋成熟，现代计算机技术和科学计算 可视化技术的发展，已经能够全面地展示几乎所有的空间信息。国内众多 学者也在可视化技术的研发方面做出了很多有益的探索。但是在地矿工程 研究领域，对于地质体的三维建模研究，还存在很多困难。
.
方等，均可视作为一致性问题。必须加以解决。
步骤 1
步骤 2
一致性检查
矛盾处理
• 地层界面或断层层面垂直 投影，检查水平边界正确 性 • 分别投影到XOZ和YOZ平 面，检查垂直边界一致性
• 以经过验证的数据作为 矛盾处理标准 • 优先以高分辨率数据和 高精度数据作为矛盾处 理参考标准 • 优先以可靠的局部性数 据作为矛盾数据处理参 考标准
三维地质建模与可视化工作流程
地质现象 特征分析
数据库
基础数 据成果 数据库结 构设计
遥感影像
钻探数据
物探数据
三维空间数 据模型的建 立和优化
测绘数据
相关地学 应用模型
数据接 口研发
三维地质建模 可视化系统平 台设计实现
三维查询
三维切剖
地学模型 应用
空间信息 管理
汇报内容
汇报内容
1、概述 2、地质信息分类与描述 3、空间地质建模数据 4、三维空间数据模型 5、基于似三棱柱体元的地质建模方法
息，往往是进行地质建模所必不可少的信息。
最终获取到的信息，还需转换成数据表的形式，存储在设计好的空间和属性数据库中。
三维地质建模信息获取方法
根据钻孔（井）的实际资料，通过数学计算得到。
根据二维的地质图或者二维剖面等资料，采用扫描数字化的 方式提取所需的三维信息 直接利用测绘技术（如GPS、全站仪等）测量地质实体的三 维坐标。 对于二维雷达扫描图像以及一些工程图纸，则需要专业人员 进行解释、并结合实地情况，提取出准确的地质建模信息。
基于空间数据模型的三维建模可视化实现
- 对于不同的地质现象和数据源，有不同的建模方法。一般是根据所选择的数据
模型，确定合适的建模方法，设计并实现相应的构模算法，开发可视化系统平 台。
模型功能的开发与应用
- 主要是指地质模型三维空间分析操作及其在不同领域中的应用。比如地下水资
源评价、地下矿产储量评估等领域。
不同地质现象的描述实例
褶皱要素示意图，图中1、 2、3、4、5代表地层从老 到新的顺序 岩层产状要素图，AB表示 岩层走向，CD表示轴向， a代表岩层倾角 岩断层图，ABDE表示断层 面，1、2表示断层盘。1为 下盘，2为上盘，AA‘代表 画距
背斜与向 斜构造
地下水含水层 系统结构示意 图
汇报内容
6、地质模型三维空间分析
7、应用实例
地质信息分类
地质现象、地质对象及其之间的拓扑关系以及地质过程极其复杂， 因此地质建模所要表征信息的内容的数量非常庞大。地质建模工作 的首要工作，是弄清楚要建模的各类地质现象的类型、特征，以及 如何用数学的方法对其加以描述和表达。
地质对象 地形
数据类型 点集、线、面 高程 山地、丘陵 湖泊、河流
地质建模现象与规律研究
- 一般而言，如果一种空间现象可以以数字的形式表达出来，那么它就是可以建 模与可视化的。因此，理清地质建模现象的空间与属性特征及不同对象之间的 关系，并将其转化为合适的数据结构和数学模型，就是地质建模的最基本工作。
地质空间信息的获取、数字化、处理与存储
- 空间信息的来源较为广泛，包括遥感、测绘、地质调查、物探等。地质建模就 是从这些数据中提取所需信息，转换成计算机可识别的格式加以存储利用。主 要包括的工作有野外采样、信息数字化处理、数据库设计、数据表实体设计， 并建立起三维地质现象的空间数据模型。该步骤是现实世界和计算机世界连接 的桥梁。
一种基于前沿推进的二维自适应 三角格网生成与优化算法
陈锁忠 教授
南京师范大学虚拟地理环境 教育部重点实验室
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三维空间数据模型分类
基于体表示的数据模型
规则体元
结构实体 几何模型(CSG)
体素模型(Voxel) 八叉树模型 (Octree) 规则块模型 (Regular block)
不规则体元
四面体格网模型 (TEN) 似三棱柱模型(QTPV) 地质元包模型 (GeoCellular) 不规则块体模型 (Irregular Block) 实体模型 (Volume) 三维Voronoi图
研究内容
研究内容
地质体现象规律 研究
• 针对地质体系统 结构的研究，是 地质建模的知识 源泉和数据源泉
空间信息数据采 样及建库
• 海量数据的采集 存储、处理等。 • 数据库功能、结 构的设计；
空间数据模型设 计与操作
• 针对不同的地质 体类型，设计对 应的空间数据模 型； • 空间数据模型的 设计，是决定三 维地质体建模效 果的关键因素
实例 几何 属性 几何
信息分类
地质信息分类 地貌 面
水系、水体 地表 地表性质 基岩分布 植被 遥感图像 体 面
线、面、体 线、面、体
地层、岩性、断裂 地层、岩性 草原、森林 航空和卫星图片
几何、属性 几何、属性 属性 属性
点集或图像
人文地理
构造架构 地层架构 地下 沉积体系 骨架砂体 盆地地质结构 地下水 物理属性
2013年11月25日
汇报内容
汇报内容
1、概述 2、地质信息的分类与描述 3、空间地质建模数据 4、三维空间数据模型 5、基于似三棱柱体元的地质建模方法
6、地质模型三维空间分析
7、应用实例
研究背景
三维地质体是指地壳环境中不规则地质体和某种特征”现象形态”的总称。是地质领 域一系列（物理、化学）属性和相互关系的集合体。在地学领域，地质建模及其三 维可视化技术是地学发展的一个重要方向。 地质建模及其可视化表达是对地质结构以及地质属性进行空间分析的重要方法和途 径；同时也是政府部门宏观把握地球资源和国土资源的可持续发展，以及相关生产
用体元的信息代替表面信息来 描述对象的内部，是基于三维 空间的体元剖分和真三维实体 表达，侧重于三维空间实体的 边界与内部的整体表示。
汇报内容
1、概述 2、地质信息分类与描述 3、空间地质建模数据 4、三维空间数据模型 5、基于似三棱柱体元的地质建模方法
6、地质模型三维空间分析
7、应用实例
地质建模数据特征
地质建模数据是用来描述地质体的数量、 质量、分布、联系等规律的数字、文字、
图像与图形的总称。其数学表达式为：
A= F(x,y,z,t) 式中：A为地质体的某种属性，x,y,z为地 质体的空间位置坐标。t表示时间。F为空 间位置和时间的函数关系。 其基本特征包括属性特征、空间位置特征、 空间关系特征和时间特征。
三维地质体模型 构模过程
• 基于空间数据模 型，结合空间插 值方法，研究构 建真三维地质体 模型的算法 • 设计并实现三维 可视化系统平台
三维空间分析功 能开发与应用
• 已构建的地质体 模型，可为空间 分析操作、以及 进一步揭示地质 结构系统的定性、 定量分析结果提
供数据基础
总体技术路线
实践证明：三维地质建模工作可以归纳为四个步骤：
代码映射与具体操作
数据结构类型
空间数据 模型
空间数据 结构
• 矢量数据结构 • 栅格数据结构 • 矢量栅格混合数据 结构
计算机逻辑实现
抽象概括与概念集合
三维空间数据模型分类
基于面表示的数据模型 借助于微小的面单元或面元素来描述物体的几何特性。侧重于三维空间实体的表面表示。
矢量:
• • • • • • • • • 不规则三角网(TIN) 边界表示(B-Rep) 线框模型(Wire Frame) 断面模型(Section) 断面-三角网模型(SectionTIN) TIN形式多层DEMs 三维形式化数据结构(3D FDS) 简化的空间模型(SSM) 城市数据模型(3D CM)