三維地質(zhì)模型的建立方法及應(yīng)用

肖興平，蔡五田，阮 俊

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

三維地質(zhì)建模是在計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)中，將空間數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)剖面解譯、空間分析和擬合、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)體屬性分析以及圖形可視化等過(guò)程結(jié)合起來(lái)的綜合性技術(shù)[1]。其目的在于以可視化的立體效果表現(xiàn)虛擬的地質(zhì)體內(nèi)部環(huán)境，反映地質(zhì)體的構(gòu)造形態(tài)和構(gòu)造關(guān)系，展示地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律。

三維地質(zhì)模型按虛實(shí)程度可分為表面模型和實(shí)體模型。表面模型只形成地質(zhì)體表面，以顏色和紋理反映圖形的視覺(jué)感受，直觀(guān)表達(dá)地質(zhì)體的幾何形狀；實(shí)體模型則是對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行空間屬性填充后的塊體模型。建立三維地質(zhì)實(shí)體模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行任意角度的平面切割，從而獲取用戶(hù)需求的剖面圖；能夠準(zhǔn)確地反映地質(zhì)體樣品品位的空間分布情況，為地下空間的保護(hù)和利用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；能夠進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，獲得精確的資源儲(chǔ)量。

地下空間三維實(shí)體模型綜合運(yùn)用TIN技術(shù)、空間插值技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、可視化技術(shù)等，研究地下空間巖層的結(jié)構(gòu)，揭示地下空間巖層、土壤層和含水層的分布規(guī)律，查明地下空間地質(zhì)體單元的空間位置，從而為地下空間的保護(hù)、利用和開(kāi)采提供輔助決策的科學(xué)依據(jù)。它還可進(jìn)一步研究地下空間地質(zhì)體內(nèi)部物理、化學(xué)屬性，查明地下空間地質(zhì)體單元的時(shí)空分布、運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律、地下物質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律等。地下空間三維實(shí)體模型構(gòu)建在技術(shù)方法、建立過(guò)程等方面有著豐富獨(dú)特的體系，不同于依托數(shù)字地形模型(DTM)生成的地表模型。

1 建模的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 TIN技術(shù)

TIN是一種表示DEM的技術(shù)。與規(guī)則格網(wǎng)相比，它能減少數(shù)據(jù)冗余；與基于等高線(xiàn)的方法相比，它的計(jì)算效率更優(yōu)。這種三角網(wǎng)模型可以進(jìn)行表面渲染、體積估算、剖面切割、旋轉(zhuǎn)顯示等操作，能夠滿(mǎn)足地質(zhì)調(diào)查與研究中數(shù)字制圖的基本需求，是地下空間三維實(shí)體建模的初步方法[2]。TIN技術(shù)中的Voronoi圖與Delaunay三角形算法是地下空間實(shí)體建模的主要方法。

1.2 空間插值技術(shù)

空間數(shù)據(jù)的插值，即通過(guò)樣品采集獲取一部分空間數(shù)據(jù)，它們既可以是離散的點(diǎn)，也可以是分區(qū)的數(shù)據(jù)，從這部分已知的空間數(shù)據(jù)中尋找出一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，使該關(guān)系式盡可能地吻合這些數(shù)據(jù)，然后依據(jù)該函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出空間實(shí)體范圍內(nèi)其他任意點(diǎn)或任意分區(qū)的數(shù)值。在空間數(shù)據(jù)插值中，采集的地下樣品點(diǎn)越多，插值準(zhǔn)確度就越高，三維模擬精度就越高；反之采樣點(diǎn)愈少，空間插值誤差就越大。常用的插值方法有線(xiàn)性插值、多項(xiàng)式插值、相似變形插值、克里金插值和樣條插值等，另外還有一些網(wǎng)格插值方法如最小張力法等。

1.3 曲面求交

地質(zhì)體中存在不同的巖層，當(dāng)出現(xiàn)斷層、錯(cuò)斷層、巖層尖滅和地下水出露于河谷地表等情況時(shí)，必然涉及到曲面間求交的問(wèn)題；三維實(shí)體模型中地質(zhì)體的上部邊界是地表曲面，通過(guò)空間插值模擬的巖層面或地下水位面不應(yīng)超出地表曲面，或不顯示超出部分。同理，當(dāng)顯示多層地層時(shí)，每一巖層的上部邊界應(yīng)是其上一巖層的下部邊界。因此，必須要先解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)地層界面可視化。在形成剖面圖時(shí)，地質(zhì)界線(xiàn)是通過(guò)剖面與各種地質(zhì)界面求交所產(chǎn)生的交線(xiàn)。因此，曲面求交包括2方面：地質(zhì)界面之間的相交，地質(zhì)界面與剖面的相交[3]。

1.4 可視化技術(shù)

在三維實(shí)體模型建立過(guò)程中必須利用可視化技術(shù)，包括色彩渲染、紋理映射、光線(xiàn)處理、動(dòng)態(tài)效果、霧化效果、透明效果等。在地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化時(shí)，色彩與紋理的有效利用，有助于實(shí)現(xiàn)在虛擬三維實(shí)體模型中對(duì)具體形態(tài)的特征進(jìn)行表達(dá)和分析，如可從不同視角查看、分析并描述三維地質(zhì)實(shí)體，可顯示地質(zhì)體任意角度的切面、平面、剖面圖和三維實(shí)體圖，可顯示所有基于符號(hào)化的構(gòu)造數(shù)據(jù)、地理參考特征(形跡)、地質(zhì)接觸、地質(zhì)單元的二維地圖(平面圖、剖面圖、柱狀圖、任意不整合面下的基巖地質(zhì)圖)。

另外，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等也常常用到三維建模過(guò)程當(dāng)中。

2 應(yīng)用過(guò)程及實(shí)例

目前，國(guó)際上比較有影響力的三維地質(zhì)建模軟件有 Earthvision、Datamine、CTech、Geomodeller3D、GSI3D、Vulcan、GOCAD、Micromine等[4]。Micromine公司開(kāi)發(fā)的Surpac軟件，其強(qiáng)大的三維地質(zhì)建模功能和良好的視圖表達(dá)效果能夠?yàn)橛脩?hù)提供全面、準(zhǔn)確和可視化的數(shù)據(jù)資料，早在2004年9月23日我國(guó)國(guó)土資源部組織有關(guān)專(zhuān)家就對(duì)其進(jìn)行了評(píng)審并獲得了正式認(rèn)定[5]。本文將理論研究和具體實(shí)例相結(jié)合，以土壤與地下水污染場(chǎng)地為空間實(shí)體，以Surpac軟件為平臺(tái)，研究了三維建模的一般過(guò)程，分析三維實(shí)體模型的表達(dá)結(jié)果。

2.1 建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

土壤與地下水污染場(chǎng)地調(diào)查是環(huán)境地質(zhì)工作的一部分。筆者以現(xiàn)有的三維實(shí)體建模技術(shù)為基礎(chǔ)，歸納的建模過(guò)程如下：

1）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)源。通過(guò)對(duì)土壤與地下水污染場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和樣品采集，獲得相關(guān)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分類(lèi)整理，通常以鉆孔為單元將數(shù)據(jù)類(lèi)型劃分為鉆孔定位數(shù)據(jù)、測(cè)斜數(shù)據(jù)、樣品數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)等。其中，鉆孔定位數(shù)據(jù)包括鉆孔編號(hào)、孔口高程、孔口坐標(biāo)（X、Y、Z）、鉆孔類(lèi)型等；測(cè)斜數(shù)據(jù)包括鉆孔編號(hào)、孔深、方位角、傾角等；樣品數(shù)據(jù)為含水層系統(tǒng)的各項(xiàng)污染物濃度數(shù)據(jù)；巖性數(shù)據(jù)為各項(xiàng)污染物所在地質(zhì)巖層的巖性。所有數(shù)據(jù)在Excel表中以規(guī)范的格式存儲(chǔ)，并外掛于Access數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2）創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。在Surpac平臺(tái)中建立土壤與地下水污染場(chǎng)地鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，并依次創(chuàng)建collar（定位表）、survey（測(cè)斜表）、sample（樣品表）、geology（巖性表），同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)備用的translation（轉(zhuǎn)換表），所有數(shù)據(jù)表的字段、類(lèi)型等依據(jù)數(shù)據(jù)分類(lèi)特征確定。數(shù)據(jù)庫(kù)建立后，將事先保存在Excel表中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)逐一導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行查詢(xún)，若查出記錄數(shù)有誤，則返回修改后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)表導(dǎo)入。

3）剖面解譯與數(shù)據(jù)提取。選擇確定鉆孔顯示風(fēng)格后，在Surpac平臺(tái)窗口中通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)顯示鉆孔，并通過(guò)選擇孔跡風(fēng)格、孔口風(fēng)格、地質(zhì)圖案、鉆孔標(biāo)注、圖表、深度標(biāo)記等對(duì)鉆孔進(jìn)行詳細(xì)繪制，形成理想的可視化鉆孔空間圖形效果，以便進(jìn)行鉆孔剖面的創(chuàng)建。創(chuàng)建鉆孔剖面后，對(duì)鉆孔剖面進(jìn)行相關(guān)定義，并逐個(gè)解譯。依據(jù)解譯后的線(xiàn)文件，創(chuàng)建TIN，建立實(shí)體模型，并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)到有重復(fù)三角形、連接到無(wú)效邊的三角形、自相交三角形、開(kāi)放邊三角形等情況，可重新創(chuàng)建TIN并生成實(shí)體模型。實(shí)體模型建立后可實(shí)現(xiàn)樣品數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

4）建立塊體模型。創(chuàng)建新的塊體模型后，根據(jù)鉆孔剖面解譯后的線(xiàn)文件范圍即實(shí)體模型范圍來(lái)確定塊體模型的適當(dāng)范圍，并定義用戶(hù)塊尺寸，設(shè)置塊模型的幾何參數(shù)，顯示塊體模型。塊體模型顯示后可在邊界上與已創(chuàng)建好的實(shí)體模型進(jìn)行比較，同時(shí)也可為模型建立屬性并賦值。

5）對(duì)塊體模型進(jìn)行空間插值。選擇距離冪次反比法對(duì)塊體模型進(jìn)行估值，估值過(guò)程以搜索確定橢球體參數(shù)、設(shè)置距離反比參數(shù)等為主；然后建立塊體模型的圖形約束，再根據(jù)屬性為塊體模型著色，通過(guò)查看屬性確定是否需要第二次估值。

6）在三維空間窗體中以任意角度查看模型的表面及內(nèi)部屬性數(shù)據(jù)，以任意位置切割模型的剖面并查看剖面的屬性數(shù)據(jù)，同時(shí)可生成模型樣品品位等級(jí)報(bào)告、樣品高程等級(jí)報(bào)告等文件。模型建立流程如圖1所示。

圖1 污染場(chǎng)地三維地質(zhì)建模流程圖

1）石油類(lèi)污染場(chǎng)地土層苯濃度及二氯甲烷濃度三維實(shí)體模型。

圖2為河北保定地區(qū)某一土壤與地下水污染場(chǎng)地的苯濃度三維模型平面示意圖。圖中，在5個(gè)鉆孔的不同深度位置已經(jīng)分別顯示了通過(guò)調(diào)查取樣后得到的污染物苯的濃度值，其他位置污染物苯的濃度值均是通過(guò)距離冪次反比法對(duì)場(chǎng)地模型進(jìn)行空間插值后得出的，數(shù)值的各區(qū)間范圍以不同的顏色表示。在截圖上僅能看到模型部分表面的污染物分布情況，而在Surpac軟件平臺(tái)中，模型內(nèi)部的污染物濃度分布情況可通過(guò)任意角度切割或參數(shù)定位切割平面（剖面）的方式查看，模型表面的污染物濃度分布情況可通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)塊體模型來(lái)查看。由此可見(jiàn)，在Surpac平臺(tái)上利用地下空間三維實(shí)體建模技術(shù)，建立了典型地區(qū)土壤與地下水污染場(chǎng)地三維模型，表征了污染物的濃度分布情況，分析了土壤與地下水污染現(xiàn)狀與趨向，為地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和利用提供了決策依據(jù)。

圖2 石油類(lèi)污染場(chǎng)地土層苯濃度三維模型示意圖

圖3 為河北保定地區(qū)某一污染場(chǎng)地的二氯甲烷濃度三維模型平面示意圖，其原理與圖2類(lèi)似。

圖3 石油類(lèi)污染場(chǎng)地土層二氯甲烷濃度三維模型示意圖

2）石油類(lèi)污染場(chǎng)地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型。此類(lèi)模型建立的流程與前類(lèi)中的有所不同，其主要目的是為了顯示地下不同巖性的分布情況，因此不需進(jìn)行數(shù)學(xué)插值運(yùn)算，也不需建立塊體模型，在鉆孔剖面解譯完后直接創(chuàng)建實(shí)體模型即可。相應(yīng)的實(shí)體模型如圖4所示。

圖4為河北保定地區(qū)某一污染場(chǎng)地的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型示意圖。圖中可直觀(guān)顯示5個(gè)鉆孔的空間分布情況以及各鉆孔在不同深度范圍的巖性分布情況，巖性的類(lèi)別區(qū)分以顏色為標(biāo)志。在Surpac平臺(tái)中，實(shí)體模型可通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)查看不同位置的地層巖性。

圖4 石油類(lèi)污染場(chǎng)地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地下空間三維實(shí)體建模關(guān)鍵技術(shù)的綜合研究，建模技術(shù)應(yīng)用過(guò)程的實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)建模實(shí)例的分析，表明在地下空間領(lǐng)域三維實(shí)體建模已經(jīng)具備較為完整的技術(shù)體系和廣闊的應(yīng)用前景，能夠充分地利用地球信息科學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等交叉學(xué)科，高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)地層構(gòu)造及地下環(huán)境信息的虛擬表達(dá)，科學(xué)提供成果轉(zhuǎn)化和管理決策依據(jù)。

三維實(shí)體建模也存在一些不足，現(xiàn)有的技術(shù)和手段對(duì)依靠部分樣品點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)實(shí)體的精度有待提高，尤其是在數(shù)據(jù)插值推理過(guò)程中對(duì)客觀(guān)存在的異常值無(wú)法有效判斷；另外在建模軟件平臺(tái)中，單機(jī)處理的三維地質(zhì)建模工具已具備相當(dāng)?shù)膽?yīng)用水準(zhǔn)，而可網(wǎng)絡(luò)共享的三維地質(zhì)模型信息系統(tǒng)雖有一定的研究但不夠深入。

三維實(shí)體建模是信息技術(shù)高度發(fā)展的必然產(chǎn)物，因此利用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、GIS技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，開(kāi)發(fā)能實(shí)現(xiàn)地下空間三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、轉(zhuǎn)化、分析和表達(dá)集成化、一體化的模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下空間三維地質(zhì)體動(dòng)態(tài)生成、實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)畫(huà)仿真，是地下空間三維實(shí)體建模技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)新的發(fā)展方向。

[1]張渭軍，王文科.基于鉆孔數(shù)據(jù)的地層三維建模與可視化研究[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2006(30)：108-113

[2]張思科，倪晉宇，高萬(wàn)里，等.三維地質(zhì)建模技術(shù)方法研究——以東昆侖造山帶為例[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2)：201-207

[3]曾錢(qián)幫,劉大安,張菊明,等.淺談工程地質(zhì)三維建模與可視化[J].西部探礦工程，2005(3)：72-74

[4]明鏡.三維地質(zhì)建模技術(shù)研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2011(7)：14-18

[5]Surpac軟件正式通過(guò)國(guó)土資源部認(rèn)定[J].金屬礦山，2004(11)：45

[6]曾新平，楊自安，劉碧虹，等.地質(zhì)體三維可視化建模的技術(shù)方法研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2005(1)：103-106

[7]趙曉東，李利崗.基于GIS的礦山三維地質(zhì)建模方法[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009(5)：17-20

[8]唐澤圣.三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化 [M].北京：清華大學(xué)出版社,1999

[9]侯恩科，吳立新.面向地質(zhì)建模的三維體元拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2002(5)：467-471

[10]劉少華，程朋根，羅小龍.地礦三維建模及其可視化研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2005(10)：49-51

[11]王仲停，鄭貴洲.三維地學(xué)建模的技術(shù)方法[J].地礦測(cè)繪，2004(4)：22-24