三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題探討

李青元，張麗云，魏占營(yíng)，孫黎明

(1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100830;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著地學(xué)信息化的發(fā)展，數(shù)學(xué)地質(zhì)正向“數(shù)字地質(zhì)”發(fā)展(趙鵬大，2012)。筆者認(rèn)為三維地質(zhì)建模軟件將是“數(shù)字地質(zhì)”的精髓與核心。三維地質(zhì)建模是指采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和各要素之間關(guān)系以及地質(zhì)體物理、化學(xué)屬性空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型(吳建生等，2004)。從大類上講，三維地質(zhì)建模軟件是地理信息系統(tǒng)的一個(gè)分支，三維地質(zhì)建模主要關(guān)心地下，它與關(guān)注地上的三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很大的不同。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展快速、功能穩(wěn)步提高，但軟件研發(fā)與應(yīng)用中還存在很多顯現(xiàn)與潛在的問(wèn)題，希望促進(jìn)工程地質(zhì)界積極使用三維地質(zhì)建模軟件，同時(shí)促使軟件開(kāi)發(fā)者盡快提高產(chǎn)品質(zhì)量，走上快速、健康的發(fā)展之路，對(duì)目前國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件的發(fā)展現(xiàn)狀及幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，希望能促進(jìn)國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件廠商與用戶的雙贏。

1 三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展概況

三維地質(zhì)建模軟件從20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展，已經(jīng)走過(guò)近40年的歷史，國(guó)內(nèi)外有不少人士與團(tuán)體為此進(jìn)行了鍥而不舍的努力。下面是這些努力所產(chǎn)生的產(chǎn)品概況。

1.1 發(fā)達(dá)國(guó)家三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展概況

發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)70年代開(kāi)始三維地質(zhì)建模軟件的研發(fā)，在90年代有穩(wěn)定的產(chǎn)品問(wèn)世，并不斷發(fā)展、成熟。主要產(chǎn)品見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這些國(guó)外的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品在功能上都比較穩(wěn)定與成熟，但全英文的操作界面和高昂的軟件使用費(fèi)用使其在中國(guó)的推廣遇到困難。近年來(lái)，一些國(guó)外軟件，例如Surpac、Micromine等在中國(guó)尋找代理推廣其產(chǎn)品并提供漢化界面和售后技術(shù)支持，使得這些國(guó)外產(chǎn)品在中國(guó)占有越來(lái)越多的市場(chǎng)份額。

1.2 國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就不斷地有人研究三維地質(zhì)建模軟件的核心理論與技術(shù)(吳沖龍等，2001;毛善君，2002;程朋根等，2004;楊欣，2005;劉修國(guó)等，2006;王李管等，2006;金江軍等，2007;吳立新等，2007;朱良峰等，2008;鄧飛等，2009;陳國(guó)旭等，2010;鄒偉等，2010;孫莉等，2011;陳志軍等，2012)。很多年內(nèi)，中國(guó)一直未有像樣的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，近幾年這種局面有所改變。國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品的概況見(jiàn)表2。

表1 國(guó)外主要三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品

表2 中國(guó)主要三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品

這些國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件，雖然與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比仍然存在差距，但近年來(lái)發(fā)展迅速，大多已具備地下三維地質(zhì)建模功能，能夠滿足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的應(yīng)用需求。

2 三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)用領(lǐng)域

三維地質(zhì)建模軟件在下列領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 礦產(chǎn)資源勘探

礦產(chǎn)資源勘探領(lǐng)域是最需要三維地質(zhì)建模軟件的領(lǐng)域之一。礦產(chǎn)資源勘探工程所探測(cè)的深度達(dá)幾百米，甚至上千米，野外施工費(fèi)用極其高昂，三維地質(zhì)建模軟件能夠幫助地質(zhì)工程師將這些花了高昂代價(jià)獲得的勘探資料以超出傳統(tǒng)的靜態(tài)平面圖、剖面圖的方式很好地進(jìn)行展示，能提高地質(zhì)解釋的精準(zhǔn)度，幫助礦業(yè)投資者快速、直觀地建立起礦藏的三維空間形態(tài)，把握其投資的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 礦山規(guī)劃、設(shè)計(jì)與開(kāi)采

礦山的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與開(kāi)采部門(mén)希望地質(zhì)勘探單位最好能直接提供數(shù)字化、信息化的地質(zhì)報(bào)告，免去他們?cè)俅稳S建模的重復(fù)勞動(dòng)和可能帶來(lái)的精度損失。數(shù)字礦山離不開(kāi)三維地質(zhì)建模(吳立新等，2003)，是礦產(chǎn)資源勘探三維地質(zhì)建模的延續(xù)使用。隨著近年來(lái)礦山經(jīng)濟(jì)效益的好轉(zhuǎn)和國(guó)家對(duì)礦山安全的重視，礦山企業(yè)都能拿出錢來(lái)支持?jǐn)?shù)字礦山建設(shè)。因?yàn)榈V山開(kāi)采領(lǐng)域?qū)?shù)字礦山的資金支持力度大，目前國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件的廠商大多集中在數(shù)字礦山領(lǐng)域。

2.3 工程地質(zhì)勘察

工程地質(zhì)勘察的目的是查明工程建筑施工中的地質(zhì)問(wèn)題。工程地質(zhì)勘察的情況不清楚，將導(dǎo)致施工建筑的后期災(zāi)難。很多建筑工程通常耗資巨大，需使用維護(hù)幾十年甚至上百年，很多工程的安危關(guān)乎到一個(gè)地區(qū)民眾的生命，工程地質(zhì)勘察的重要性不言而喻。工程地質(zhì)勘探的成果需要對(duì)研究區(qū)的地下基巖、松散層的巖性、產(chǎn)狀、空間分布情況進(jìn)行詳細(xì)的勘探與精確地三維表達(dá)。三維地質(zhì)建模能以很小的投入，明顯地提升勘探工程項(xiàng)目的整體水平。

2.4 城市地下空間管理

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃部門(mén)主要關(guān)心地面之上的空間規(guī)劃與管理。隨著城市發(fā)展，地面空間資源短缺，除了向上發(fā)展，樓房越蓋越高外，另一個(gè)出路就是向下發(fā)展，越高的樓群其地下部分也越深，高樓的停車場(chǎng)一般都建在地下，有的將商場(chǎng)也移至地下。大城市有很多高樓群的地下幾十米空間都已被使用，這些已被使用的空間對(duì)于地鐵線路的規(guī)劃等工程項(xiàng)目需要避讓。以前的數(shù)字城市建設(shè)項(xiàng)目中對(duì)于地下空間的考慮大多不夠充分，現(xiàn)在城市規(guī)劃部門(mén)已經(jīng)要求在數(shù)字城市建設(shè)中將城市地下幾十米空間的基巖、松散層和建筑物的空間分布情況進(jìn)行表達(dá)，這就需要用到三維地質(zhì)建模軟件作為數(shù)字城市的地下部分的補(bǔ)充。

2.5 城市地下水管理與地下水污染情況監(jiān)測(cè)

很多城市的生活用水依賴于地下水，隨著用水量的增 加，城市地下水漏斗越來(lái)越大。同時(shí)，很多排污河流的污水通過(guò)各種漏洞進(jìn)入城市地下水系統(tǒng)，污染地下水源。城市地下水抽取的監(jiān)管與地下水污染的監(jiān)測(cè)關(guān)系到城市的興衰存亡與人民的生活質(zhì)量。城市地下水抽取的監(jiān)管與地下水污染的監(jiān)測(cè)需要對(duì)城市地下幾十米甚至幾百米空間范圍的基巖、松散層的巖性、隔水性、透水性的透徹了解與直觀、清楚的真三維表達(dá)。對(duì)地下巖性、含水性的了解與監(jiān)測(cè)需要各種探測(cè)鉆孔以及電法、地震等物探手段，對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)需要各種監(jiān)測(cè)孔的取樣監(jiān)測(cè)，對(duì)這些信息的精準(zhǔn)表達(dá)需要用到三維地質(zhì)建模。

3 三維地質(zhì)建模的功效

地質(zhì)工程師的日常工作就是與三維地質(zhì)模型打交道。所以，地質(zhì)工程師只要瞄上一眼，就會(huì)知道三維地質(zhì)建模軟件能夠幫助他們做好哪些工作。

3.1 快速直觀地在大腦中建立勘探區(qū)的三維地質(zhì)模型

比起傳統(tǒng)的平面圖、剖面圖來(lái)，三維地質(zhì)建模軟件制作的計(jì)算機(jī)三維地質(zhì)模型能更快速、更直觀地向地質(zhì)工程師、領(lǐng)導(dǎo)與客戶展示研究區(qū)地質(zhì)體的三維空間形態(tài)與展布規(guī)律。使用戶能直觀地看到斷層對(duì)地層、礦層的切割關(guān)系，并且可以采用改變觀測(cè)的角度，關(guān)閉不重要的層位，不同界面著不同顏色，顏色深淺反映高程變化等多種手段增 強(qiáng)對(duì)三維模型的空間關(guān)系的表達(dá)，達(dá)到常規(guī)手段難以達(dá)到的效果，給觀測(cè)者留下深刻的視覺(jué)效果，看一眼就能立即在大腦中建立起研究區(qū)的三維地質(zhì)模型。

3.2 檢查原始數(shù)據(jù)的正確性

在地質(zhì)勘探中經(jīng)常會(huì)同時(shí)使用鉆探、電法、重磁、人工地震等多種勘探方法進(jìn)行勘探，不同的手段得到的界面數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)有矛盾。人工對(duì)比這些不同方法的勘探結(jié)果既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力又容易出錯(cuò)。在三維地質(zhì)建模軟件上可以用多種方法幫助地質(zhì)工程師檢查數(shù)據(jù)的一致性。例如，用不同的顏色(或半透明的方法)顯示不同方法得出的同一界面，很容易檢測(cè)出不同方法的矛盾之處(圖1)，地質(zhì)工程師可以在這些標(biāo)出的地段進(jìn)行重點(diǎn)檢查與修改。

圖1 不同方法探測(cè)的同一界面的不一致之處示意圖

3.3 通過(guò)各種“虛擬切割”手段檢查各種地質(zhì)要素間的相互關(guān)系

虛擬切割功能是三維地質(zhì)建模軟件區(qū)別于普通三維GIS軟件的試金石(王占剛等，2007;朱經(jīng)緯，2007;李青元等，2008;陳志軍等，2012)。地質(zhì)、采礦工程師可以通過(guò)這些虛擬切割來(lái)“看”到地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢查斷層與各地質(zhì)界面、地質(zhì)體的切割關(guān)系。虛擬切割包括切制垂直剖面(圖2)、2組交叉的垂直剖面(籬笆圖)(圖3)、水平切面(圖4)、折垂直剖面(圖5)、3十字交叉剖面(圖6)等多種方法。

圖2 1組垂直剖面

圖3 1組水平切面

圖4 2組交叉的垂直剖面構(gòu)成的籬笆圖

圖5 折垂直剖面

圖6 可鼠標(biāo)拖動(dòng)的3十字交叉剖面

4 三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展中的問(wèn)題分析

目前，國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件雖然發(fā)展趨勢(shì)向好，但也還存在很多顯現(xiàn)的與潛在的問(wèn)題。

4.1 軟件開(kāi)發(fā)模式

國(guó)內(nèi)三維建模軟件早期的理論、技術(shù)研究與原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)大多源自高校與研究所，往往有國(guó)家項(xiàng)目支持，這些研究雖然在一些理論與關(guān)鍵技術(shù)上有所建樹(shù)，也培養(yǎng)了人才，形成了原型系統(tǒng)，但這些原型系統(tǒng)與產(chǎn)品之間還有很長(zhǎng)的距離，如果沒(méi)有持續(xù)的后續(xù)投入，往往很難發(fā)展成為可用的產(chǎn)品。由于三維地質(zhì)建模軟件的開(kāi)發(fā)難度很大，進(jìn)入的門(mén)檻很高，這些原型系統(tǒng)的主創(chuàng)者往往是對(duì)三維地質(zhì)建模有非常濃厚興趣的個(gè)人，如果這個(gè)研發(fā)者職位高升，這個(gè)項(xiàng)目可能就會(huì)無(wú)疾而終。

成熟的軟件產(chǎn)品還需要在營(yíng)銷、文檔、技術(shù)支持、后續(xù)的升級(jí)維護(hù)等無(wú)數(shù)瑣碎的事情上下功夫才能走向成功，而這后面的瑣碎常常是軟件高才不愿做的(確實(shí)也不該由他們來(lái)做)。因此很多人認(rèn)為真正的軟件產(chǎn)品需要由公司來(lái)開(kāi)發(fā)，公司的一大群人靠著這個(gè)產(chǎn)品吃飯，高低搭配、各盡其能、破釜沉舟才可能成功。國(guó)內(nèi)外做得好的軟件產(chǎn)品往往都是由高校、研究院取得原型系統(tǒng)的技術(shù)積累后適時(shí)地轉(zhuǎn)入公司機(jī)制才獲得成功的。

4.2 開(kāi)源的三維基礎(chǔ)庫(kù)的選擇

合理地使用開(kāi)源的三維基礎(chǔ)軟件庫(kù)可以減少開(kāi)發(fā)難度，減少開(kāi)發(fā)者在三角剖分、三維切割等基礎(chǔ)算法上的精力投入，更多地專注于專業(yè)功能的開(kāi)發(fā)。下面是目前地下三維GIS開(kāi)發(fā)中比較常用的一些開(kāi)源資源(表3)。

表3 三維地質(zhì)建模軟件的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

這些開(kāi)源資源雖然都提供源代碼，但很少有人能在一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)使用幾個(gè)不同的開(kāi)源資源，因?yàn)檫@些開(kāi)源代碼的各個(gè)模塊之間還是有一定的依賴關(guān)系，因此，如何合理地選擇開(kāi)源資源，成了擺在軟件研發(fā)者面前的一個(gè)難題，需要軟件開(kāi)發(fā)者對(duì)各種開(kāi)源庫(kù)有一個(gè)大致的了解，并根據(jù)自身軟件的定位與已有基礎(chǔ)合理選擇。另外，使用一些付費(fèi)的三維開(kāi)發(fā)工具，例如HOOP/3dAF，也是快速地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的捷徑。

4.3 三維數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)

三維地質(zhì)三維建模的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品中標(biāo)準(zhǔn)最不成熟的部分。目前的三維建模數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要來(lái)自于計(jì)算機(jī)三維幾何造型領(lǐng)域，比較常用的有以下幾種(表4)。

表4 三維數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)

上述三維建模標(biāo)準(zhǔn)主要是面向機(jī)械零件、建筑等較為規(guī)整的三維模型，而對(duì)于不規(guī)則的地質(zhì)體建模現(xiàn)在還沒(méi)有權(quán)威且被廣泛使用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。由于缺乏地質(zhì)三維建模的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使得國(guó)際、國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)兼容性差，這是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

4.4 勘探規(guī)范沒(méi)有要求三維地質(zhì)建模

影響三維地質(zhì)建模軟件推廣、應(yīng)用的一個(gè)重要因素是目前的勘探規(guī)范，無(wú)論是礦產(chǎn)資源勘探規(guī)范還是工程地質(zhì)勘探規(guī)范，都沒(méi)要求提交計(jì)算機(jī)三維地質(zhì)建模成果，既然規(guī)范沒(méi)有要求，勘探單位就沒(méi)有使用三維地質(zhì)建模軟件的積極性，除非是甲方提出要求。發(fā)達(dá)國(guó)家的地質(zhì)勘探項(xiàng)目的甲方一般都要求勘探項(xiàng)目承擔(dān)方在勘探成果中提供三維建模成果，沒(méi)有這一成果項(xiàng)目不予驗(yàn)收，這促使勘探單位使用三維建模軟件。我國(guó)相關(guān)主管部門(mén)應(yīng)該積極借鑒國(guó)外的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，積極探索在將來(lái)的勘探規(guī)范中增 加三維建模的要求。

4.5 二三維聯(lián)動(dòng)編輯

在目前勘探規(guī)范中沒(méi)有要求三維地質(zhì)建模的情況下，軟件開(kāi)發(fā)商在設(shè)計(jì)三維地質(zhì)建模軟件時(shí)就應(yīng)更多地考慮該軟件能為地質(zhì)報(bào)告的編制帶來(lái)更多的便利，即更多地考慮二維平面圖、剖面圖、三維圖的一體化與聯(lián)動(dòng)編輯。二三維一體化已為GIS與三維地質(zhì)建模界所重視(陳國(guó)旭等，2010;陳志軍等，2012;顧麗影等，2012)。二三維聯(lián)動(dòng)也為GIS界所討論(萬(wàn)幼等，2008;程海洋等，2010)。GIS界所討論的二三維聯(lián)動(dòng)只是顯示范圍的聯(lián)動(dòng)對(duì)應(yīng)。筆者在這里要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)三維模型的二三維聯(lián)動(dòng)編輯修改，也可稱為“平、剖面聯(lián)動(dòng)修改”，即修改平面圖(例如用戶鼠標(biāo)拖動(dòng)平面圖某界面的等高線)后，剖面圖上的該界面的切界以及三維圖上該界面的形態(tài)應(yīng)自動(dòng)更新，反之亦然。在地質(zhì)工程師所處理的平面圖、剖面圖的背后存在著一個(gè)起支配作用的三維模型。平面圖、剖面圖上的地質(zhì)界線必須符合三維地質(zhì)模型的切割、投影規(guī)律。要實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)編輯，就要求模型中地質(zhì)界面的曲面表達(dá)是基于等高線(Li et al，2011)，而目前大多數(shù)三維地質(zhì)建模軟件中等高線只是基于TIN表達(dá)的曲面的附屬，這需要三維地質(zhì)建模軟件開(kāi)發(fā)者尋找新的思路。三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)該做到即便在地質(zhì)勘探標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中沒(méi)有增 加三維建模要求的條件下，地質(zhì)工程師們也樂(lè)意使用三維地質(zhì)建模軟件去幫助他們完成日常工作，使三維地質(zhì)建模軟件成為地質(zhì)工程師們?nèi)粘９ぷ髦械眯膽?yīng)手的工具與助手。

4.6 潛在用戶與盈利模式

三維地質(zhì)建模軟件的應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)非常獨(dú)特的領(lǐng)域，一方面大家都認(rèn)為這是一個(gè)很有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域，從近年來(lái)每年全國(guó)都有大量的碩士、博士生選擇三維地質(zhì)建模軟件開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)或應(yīng)用作為其論文選題就可以證明這一點(diǎn)。這些碩士、博士畢業(yè)后很多都會(huì)繼續(xù)在這一領(lǐng)域探索。但同時(shí)，很多進(jìn)入這一領(lǐng)域的公司確實(shí)感受到在這個(gè)領(lǐng)域很難生存，他們發(fā)現(xiàn)，三維地質(zhì)建模軟件的開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)大于地上三維GIS軟件的開(kāi)發(fā)難度，但用戶卻少得多，就是這很少的潛在用戶也很少愿意在三維建模方面投入經(jīng)費(fèi)，而持觀望態(tài)度。沒(méi)有足夠的訂單，研發(fā)無(wú)法維持，廠商只得退出。用戶持觀望態(tài)度，一方面說(shuō)明三維地質(zhì)建模軟件還不夠成熟，軟件開(kāi)發(fā)商需要臥薪嘗膽把自己的產(chǎn)品做好，同時(shí)需要國(guó)家在政策上給予一定的激勵(lì)與優(yōu)惠政策。但中國(guó)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地走上市場(chǎng)化的發(fā)展道路，特殊的保護(hù)政策已經(jīng)為WTO規(guī)則所不允許，操作界面語(yǔ)言的障礙也阻擋不了多久，洋產(chǎn)品最終是會(huì)進(jìn)來(lái)的。與狼共舞是中國(guó)軟件廠商必須做好的精神準(zhǔn)備。不過(guò)，好在本土的軟件企業(yè)具有貼近用戶、具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，加之國(guó)內(nèi)地下三維建模的應(yīng)用領(lǐng)域如此之多，一個(gè)廠商只要在一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域做深、做精，把自己的產(chǎn)品做好，為用戶服務(wù)好，就會(huì)有他們的生存空間。

5 結(jié)論

在地質(zhì)勘探、地下工程的眾多應(yīng)用領(lǐng)域，與二維CAD/GIS軟件相比，三維地質(zhì)建模軟件比起能夠給用戶帶來(lái)更方便、精準(zhǔn)的三維模型處理功能。以很小的投入，明顯地提高工作的質(zhì)量與速度，提升工程的整體水平。

國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件經(jīng)過(guò)近20年的研究、探索與產(chǎn)業(yè)化，在最近幾年總體已經(jīng)達(dá)到可用的水平，能夠滿足大多數(shù)用戶的日常工作需求，國(guó)內(nèi)用戶可以放心地選用。

國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件與國(guó)際最先進(jìn)的同類產(chǎn)品相比仍然存在差距，與用戶的希望仍然存在差距，國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件廠商任重道遠(yuǎn)。

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