三维地质建模技术研究

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来自百度文库
的建模 , 基于平行剖面的建模
[ 26] [ 27, 28]
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, 非层状地
质体建模 , 基于曲面的建 模 , 基 于多源数据 的建模 [ 2, 3] , 等等。其中 , 基于钻孔的建模虽然可以 完成对层状地质体的模拟, 但不能解决含有断层的 地质建模; 三棱柱相关建模方法在面对稍微复杂的 断层时无能为力。非层状地质体建模方法虽然可以 模拟具有复杂几何形态的地质体 ( 如矿体 ) , 但它只 适于对单个或几个地质体建模, 如果利用它建立大 量地质体的模型 , 工作量和难度将难以接受, 而且难 以保证各个体之间的数据一致性。曲面建模方法[ 27] 利用贝 塞尔曲面 和 NURBS 曲面展 现地质构 造界 面 , 基于多源数据的建模方法同样需要整合各种数 据以建立各个地质界面, 然后构造地质体模型 ; 此类 方法虽然能够建立复杂地质模型, 但需要大量的用 户交互 , 自动化程度较低 , 且模型的更新难度较大。 基于平行剖面的建模方法是通过相邻剖面之间对应 的轮廓线连接构网来模拟地质体的形态 , 它一般用 于单体建模 , 在遇到较复杂的地质情况时, 剖面之间 轮廓线的对应可能会出现困难。因此, 在进行三维 地质建模时, 必须根据具体的地质情况选取合适的 三维地质建模方法。
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应用领域
三维地质建模目前广泛地 应用于石油、 地下水
模拟、 矿山开采、 固体矿产资源储量评价、 城市地质、 三维地质模型可以直观地将地质体及其构造形态展 岩土工程等领域。 现在规划设计师和岩土工程师面前 , 方便工程设计 石油领域是三维地质建模应用最为成功的领域 之一 , 如 GOCA D、 Pet rel、 GeoM odeler3D、 Eart hvi sion 等出色建模软件的开发。石油勘探领域的原始 数据较为丰富, 三维地质建模有助于建立反映地下地 质构造的模型, 辅助用户理解和认识地质构造情况, 分析有利于形成油气藏的区域, 从而设计进一步的勘 探施工方案和开采方案。基于较为粗略的三维地质 模型的地震波射线追踪, 有助于用户对人工地震震源 和检波器的布设方案进行评价, 从而辅助人工地震采 集方案设计、 控制施工风险、 减少采集成本。 在地下水模拟领域 , 可以运用三维地质建模技 术研究地下水水文地质层的结构, 直观理解地下含 水层和隔水层的分布规律 , 查明地下水降落漏斗的 空间位置 , 从而辅助决策地下水资源的开采。在结 构模型基础上进行体元剖分生成的格网 , 可将其导 入 Mo df low 等专业地下水分析软件, 进一步研究地 下水内部物理、 化学属性 , 查明地下水水质的时空分 布、 地下水流场的运动变化规律、 地下水污染物的扩 散运移规律。 三维地质建模可以很好地为固体矿产资源储量 评价服务。根据矿产勘查资料中所圈定的矿体轮廓 线, 可以利用轮廓线构面方法和矿体外推尖灭规则 建立各个矿体的三维结构模型, 帮助用户理解矿区 人员和施工人员间的思想交流, 使其能够准确地分 析实际地质问题、 开展工程设计与施工 , 减少工程风 险。因此, 三维地质建模也越来越受到城市管理、 规 划、 建设部门和工程施工单位的重视。
第4期
明
镜 : 三 维地质建模技术研究
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体建模只对单一的地质体进行模拟 ; 多体建模需要 对两个或两个以上的地质体进行模拟 , 并且需要保 证多个地质体之间的拓扑一致性。6) 根据建模对象 是否存在多值现象 , 三维地质建模可分为单值建模 和多值建模。在三维直角坐标系中, 如果某个对象 所有三维坐标中存在一个 ( X , Y) 坐标对应多个 Z 坐 标 , 则称其为多值, 反之为单值。倒转褶皱就是一个 典型的多值现象。
以进行 若干的空 间分析。第二类也 是利用原 始数 据 , 通过各种分析预测方法, 建立能够描述各种地质 变量空间变化规律的模型 , 即属性模型 ; 在属性模型 的建立过程中, 也可以利用构造模型对其进行地质 控制和地质约束 ; 以属性模型为基础 , 也可以开展空 间分析应用。
图 1 三维地质建模的一般过程 [ 9]
。 3) 根据对时间维的
不同处理, 三维地质建模可分为静态建模和动态建 模。静态建模中时间不变, 模型只是用于刻画对象 在某一时刻的静态特征 ; 动态建模则用于模拟对象 在一段时间内的连续变化 , 如地下水流模拟、 污染物 扩散模拟等。4) 根据建模结果中几何模型之间拓扑 是否一致, 三维地质建模可分为拓扑不一致建模和 拓扑一致建模。几何模型中的地质界面用三角面网 加以表达 , 拓扑不一致建模结果中, 面网之间的拓扑 不一致 , 建模结果仅能够用于可视化表达地质界面 和地质体的空间形态和构造关系; 拓扑一致建模结 果中 , 面网之间的拓扑一致, 建模结果不仅用于可视 化, 还能整体进行拓扑一致的体元剖分并进行有限 元分析和数 值模拟等 应用。 5) 根 据建模 对象的数 目, 三维地质建模可分为单体建模和多体建模。单
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新的储量评价报告。 在矿山开采领域 , 三维地质建模可进行开采辅 助设计。根据三维 虚拟环境 中矿 体、 围 岩、 地 质断 层、 地下水分布等信息, 用户可以更直观方便地进行 开采巷道、 通风井、 勘查钻孔布设等工程的设计, 从 而给出合理的开采方案, 提高实际生产效率。 城市地质研究中 , 三维地质建模可以辅助研究 城市地下地层展布和断裂构造的分布规律。结合三 维模型 , 可以辅助城市建设规划, 在研究地下水资源 情况、 潜在地质灾害危险的前提下, 合理开发利用城 市地下空间、 开采地下水资源、 规避不利地质条件, 科学布置城市功能区划。 岩土工程也是三维地质建模的一个重要应用领 域。在城市岩土工程勘察、 设计、 施工的全过程中,
在地质构造复杂的大型工程中 , 地质信息众多 , 面对大量的二维图件资料 , 普通地质工作者难以全 面、 准确地理解整体地质情况 , 难免为工程设计与施 工带来困难与失误。而且, 地质信息和地质现象本 质上是三维的, 需要借助三维地质建模和可视化 , 才 可能更加直观地分析并解决真实地质问题[ 1- 5] 。 数字地球 、 数字中国 战略的实施[ 6- 8] , 迫切 需要能够进行真三维操作的 GIS 和地学模拟软件。 在 数字地球 研究不断深入以及 地球空间信息科 学 蓬勃发展的背景下, 三维地质建模技术已成为地 球科学与信息科学交叉领域的研究热点。作为 GIS 在地质研究中的一项应用 , 三维地质建模于 1994 年 被提出[ 9] ; 随着 计 算机 软硬 件 技术 的 不断 发 展和 GIS 理论研究的不断深入 , 三维地质建模的研究有 了较为坚实的技术和理论基础。 三维地质 建模以 各种原始 数据 ( 包 括钻 孔、 剖 面、 地震数据、 等深图、 地质图、 地形图、 物探数据、 化 探数据、 工程勘察数据、 水文监测数据等) 为基础 , 建 立能够反映地质构造形态、 构造关系及地质体内部 属性变化规律的数字化模型。通过适当的可视化方 式, 该数字化模型能够展现虚拟的真实地质环境 , 更 重要的是 , 基于模型的数值模拟和空间分析, 能够辅 助用户进行科学决策和规避风险。
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三维地质建模软件
目前国内外已经出现了多种结合不同专业开发
的三维地质建模软件。 20 世纪 80 年 代以来, 以美 国、 加拿大、 澳大利亚、 英国、 法国等为代表的西方发 达国家相继推出各种三维地质建模软件 , 比较有影 响的 有 GOCA D、 Petr el、 Geo modeller3D 、 GSI3D、 C T ech 、 Eart hvision 、 Vulcan、 M icrom ine 等, 这些软件
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三维地质建模流程
三维地质建模( 图 1) 是从现场的地质调查数据
出发 , 建立两大类地质模型。第一类是通过对原始 数据的地质解释, 得到能够描述构造和地层的基本 特征的模型, 即构造模型 ( 结构模型 ) , 在此基础上可
收稿日期: 2011- 01- 11; 修订日期: 2011- 04- 05 作者简介: 明镜 ( 1982- ) , 男 , 博士 , 工程师 , 研究方向为三维地质建模、 3D G IS 和岩土工程信息化。 E- mail: eri c107@ gmail. com
Fi g. 1 General flow of three di mensional modeling
在三维地质建模的完整流程( 图 2) 中 , 根据不同 的应用领域和问题描述 , 将原始数据抽象提取为空 间数据和属性数据两大类: 空间数据用于建立几何 模型( 结构模型 ) , 刻画模型的空间形态 , 其作为一个 基础的地质构造框架 ; 属性数据用于建立预测模型 ( 属性模型 ) , 反 映某个地 质变量在 空间内的 变化。 几何模型和预测模型需要互相配合才能更好地完成 三维地质模型的构建 : 几何模型通过自身的体元分 解 ( 离散化 ) , 将自身细化后形成的体元作为预测模 型中属性值的空间载体 , 以弥补几何模型不能刻画 地质体内部非均一性的不足; 预测模型通过对已知 采样点的插值计算 ( 预测 ) 未采样空间的属性值, 但 需要几何模型对其提供控制和约束。几何模型和预 测模型将通过多种科学可视化方式展现给用户, 其 有助于用户解释和理解实际地质问题。
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地理与地理信息科学
第 27 卷
涉及地震勘探、 石油开采、 地下水模拟、 矿体模拟、 矿 产资源评估、 开采评估、 设计规划、 生产管理等众多
的矿体分布规律。同时, 数字化的矿体模型还可以 辅助用户进行资源量类别划分、 矿体体积自动计算,
专业领域。然而, 这些商业化程度较高的软件往往 从而提高固体矿产资源储量评价的质量和效率。在 价格昂贵。国内的三维地质建模软件主要有 GSIS 、 固体矿产的经济评价中 , 可根据变化的市场价格动 GeoView 、 GeoM o3D 、 理 正 地 质 GIS 、 T itanT 3M 、 态圈定新的矿体轮廓线、 动态建立矿体模型, 提交更 VRMine、 MAPGIS T DE、 3 D Grid 和深探地学建模软 件等。与国外相比, 国内三维建模软件的研发还处在 探索阶段 , 产品尚不成熟, 并且商业化程度很低。国 家自然科学基金委员会近年来加大了对地学领域可 视化建模的研究, 先后资助了 复杂地质体的三维建 模和图形显示研究 、油储地球物理理论与三维地质 图像成图方法 、 地学时空信息动态建模及可视化 研究与应用 等项目 。从近期发表的大量关于三 维地质可视化建模的论文可以看出, 三维地质建模 软件的研发已成为国内地学领域的一大研究热点 , 促进了国内三维地质建模技术及软件的发展。
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图2
Fig. 2
三维地质建模方法
现实世界对三维地质建模方法和软件有着强烈
三维地质建模完整流程
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Flow chart of three dimensional modeling
需求。然而 , 目前对真三维数据的获取比较困难 , 三 维地质模型更多的是采用低维的数据生成 ,多 种三维地质建模方法相继被提出 , 如 : 基于钻孔的建 模 [ 14] , 基于 三 棱柱 [ 20] 、 似三 棱 柱[ 21, 22] 或 广 义三 棱 柱
[ 23, 24] [ 13- 19]
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三维地质建模分类
按照不同的分类依据 , 三维地质建模分类如下 :
1) 根据矢量数据和栅格数据的本质区别 , 三维地质 建模可分为结构建模和属性建模。结构建模用于表 达地层、 断层等地下地质界面和地质体的空间形态 和组合关系, 其结果用矢量数据存储 , 等同于图 2 中 的几何模型; 属性建模侧重于地质体内部属性非均 一性的表达, 反映地质体内某一类物化属性特征值 在三维空间中的分布情况 , 其结果用栅格数据存储 , 等同于图 2 中的预测模型。结构建模不能刻画地质 体内部的非均一性 ( 属性建模可以 ) , 结构建模和属 性建模也可称为表面建模和内部建模 , 在石油领域 也称作构造建模和储层建模。2) 根据建模对象的空 间尺度, 三维地质建模可分为构造区域建模、 矿区建 模、 地质露头建模等宏观建模和对岩石中的化石或 矿物进行模拟的微观建模
第 27 卷 第 4 期 2011 年 7 月
地理与地理信息科学 Geog ra phy and Geo- Infor matio n Science
V ol. 27 N o. 4 July 2011
三维地质建模技术研究
明 镜
( 重庆市勘测院 , 重庆 400020)
摘要 : 为研究三维地质建模的基本理论、 发展现状及未来 , 该 文回顾 了三维地 质建模 产生的 历史背 景 , 阐 述了三 维 地质 建模流程 , 从矢 ( 栅 ) 属性、 空间尺度、 时间维度、 拓扑一致性等方面对其进行了 分类 , 并 探讨三维 地质建模在 石 油、 地下水模拟、 数字矿山、 城市地质、 岩土工程等领域 中的应 用。在研究 三维地 质建模 方法和国 内外软 件的基 础 上 , 分析了其难点及关键技术 ; 对三维地质建模进行了综合定义 , 并总结了三维地质建模亟待突破的研究方向。 关键词 : 三维地质建模 ; 应用领域 ; 关键技术 中图分类号 : P208 文献标识码 : A 文章编 号 : 1672- 0504( 2011) 04- 0014- 05