三維水文地質(zhì)建模技術(shù)研究綜述

杜軍 張亞柳

【摘要】隨著地下水在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要性日益突出，三維水文地質(zhì)建模技術(shù)迎合了水文地質(zhì)行業(yè)需求，它突破了以往對地下空間二維表達的局限，能更加直觀生動的表達地質(zhì)條件，能更加準確的模擬地下水的空間、屬性結(jié)構(gòu)；同時，隨著未來的科技和經(jīng)濟的發(fā)展，如：計算機硬件和軟件的迅速發(fā)展、現(xiàn)代的數(shù)據(jù)庫設(shè)計理念和互聯(lián)網(wǎng)信息傳遞能力的提升等對三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的支持，三維地質(zhì)建模技術(shù)必將成為未來水文地質(zhì)行業(yè)重要的工具。

【關(guān)鍵詞】三維水文地質(zhì)；建模技術(shù)；研究綜述

三維水文地質(zhì)建模技術(shù)是一門運用現(xiàn)代空間信息理論研究3D地學(xué)現(xiàn)象的信息處理、數(shù)據(jù)組織、空間建模與數(shù)字表達，并運用科學(xué)計算可視化對其進行真三維再現(xiàn)與交互的科學(xué)和技術(shù)，主要包括兩部分內(nèi)容，即三維建模和可視化，其中前者是后者的基礎(chǔ)。

一、水文地質(zhì)的三維建模

1.跨坐標數(shù)據(jù)處理。在研究中，由于所獲得的鉆孔數(shù)據(jù)及地理底圖均為地理坐標，因此首先需要將地理坐標轉(zhuǎn)換為大地坐標，以保證水平坐標與垂向坐標單位量度的一致性（均以米作為單位）。另外，研究區(qū)域地處東經(jīng)119.5 -120.25 °，北緯31.333 °-32.167 °。在高斯投影6 度分帶系統(tǒng)中跨越了20帶與2l帶，因此需要進行跨帶坐標問題處理，關(guān)于跨帶坐標問題處理的常用方法有三種：第一，重新確定中央經(jīng)線，將其統(tǒng)一到同一坐標系下；第二，進行鄰帶坐標轉(zhuǎn)換；第三，考慮在3度帶中是否處于同一分帶。由于研究區(qū)域所在的圖幅恰好完全落在3度分帶系統(tǒng)中的40帶內(nèi)，因此采用高斯投影3度分帶系統(tǒng)，將地理坐標轉(zhuǎn)換為大地坐標。

2.體邊界插值。欲研究整個區(qū)域水文地質(zhì)體的空間分布規(guī)律，則需要在研究區(qū)域的邊界之上或邊界之外增加系列控制點，如在研究區(qū)域的邊界上再鉆一系列鉆孔，以獲取研究區(qū)邊界上精確的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，但是在實際工作中，這基本上是不可能的?，F(xiàn)實條件下，解決這一問題只能通過邊界插值的方法來解決體邊界外擴問題。有關(guān)單層地質(zhì)體邊界插值的方法較多，如：鄰近點法、雙鄰近點距離加權(quán)法與距離加權(quán)平均法等，每一種方法所得的結(jié)果也略有不同，但至今仍沒有一個確定的邊界插值標準，通常更多地是依據(jù)研究工作的具體需要和專業(yè)人員的選擇而定。

3.構(gòu)造水文地質(zhì)層的三維地質(zhì)模型。研究區(qū)域為典型的第四系沉積層，因此可將水文地質(zhì)層頂?shù)装迩姘凑盏谒母羲畬拥装澹ɑ鶐r）、第Ⅲ承壓含水層底板、第三隔水層底板、第1I承壓含水層底板、第二隔水層底板、第1承壓含水層底板、第一隔水層底板、潛水含水層底板、地表DEM順序依次進行空間上的疊置，同時依據(jù)曲面間的切錯關(guān)系進行切割，例如：某一水文地質(zhì)層的項板曲面與下一水文地質(zhì)層的項板曲面相交，則用下一水文地質(zhì)層的頂板曲面對上一水文地質(zhì)層的頂板曲面進行切割，從下到上逐一進行，最終構(gòu)建各水文地質(zhì)層空間幾何模型。

二、數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.為實現(xiàn)功能的集成與擴展，構(gòu)建了一個數(shù)據(jù)中心，將系統(tǒng)涉及的地表、地上、地下多維、動態(tài)空間信息全部存儲在系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫上，并利用大型商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫集中管理這些海量數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的安全，真正實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的一體化存貯與管理。按照工業(yè)標準建立數(shù)據(jù)中心，可以充分利用商業(yè)數(shù)據(jù)庫強大的數(shù)據(jù)管理功能和性能良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，并能夠?qū)⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用于不同的GIS平臺。在數(shù)據(jù)訪問模式上，采用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，利用圖文一體化管理機制方便、準確地查詢空間數(shù)據(jù)及對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。

2.三維地質(zhì)數(shù)據(jù)所涉及的信息眾多且來源廣泛，按照數(shù)據(jù)來源的不同可分為工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)（包括重、磁、電及地震數(shù)據(jù)）、化探數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等4大類，按照數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式不同可分為圖形、圖像和文字等3類信息。這些信息綜合在一起，能夠完整地描述地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)狀，對三維地質(zhì)模型的構(gòu)建有著至關(guān)重要的意義。三維地質(zhì)數(shù)據(jù)具有來源廣泛、資料分散、時問跨度大、不同比例尺、數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)種類繁多等特點，如何針對數(shù)據(jù)特點將這些多源海量地質(zhì)數(shù)據(jù)進行整合，從而進行一體化的采集、存儲與管理，是關(guān)系到系統(tǒng)成敗的一個重大問題。系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中，將空間數(shù)據(jù)庫按照專業(yè)不同劃分為基礎(chǔ)地理圖形庫、區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地球物理數(shù)據(jù)庫、地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫等6大類，并允許用戶根據(jù)自己的建模需要進行適當(dāng)?shù)臄U展與定制。

三、水文地質(zhì)層體視化

1.體視化算法很多，其中光線投射算法是一種圖象空間序的基本體繪制算法，其性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)且圖象質(zhì)量最好。算法能夠為每個體素指定顏色和不透明度，使每個體素都對最終圖象有所貢獻，因此有利于保存圖象的細節(jié)信息；同時，光線投射算法考慮到每個體素對光線的透射、散射和反射作用，能夠在顯示三維數(shù)據(jù)場整體特征的同時突出不同水文地質(zhì)層的分界面，這在表現(xiàn)地下水各水文地質(zhì)層間的相互關(guān)系時尤其有用；而根據(jù)水文地質(zhì)層物理、化學(xué)屬性在空間分布的相關(guān)性，又可對光線投射算法進行加速。由于光線投射算法的這些特點，并且許多可視化軟件和工具包都提供了該算法的可視化功能。

2.光線投射算法的基本思想是：根據(jù)當(dāng)前視點的位置，從屏幕上的每一象素點發(fā)射出一條射線穿過體數(shù)據(jù)場，在射線上按照一定的間距選擇一系列的采樣點，采用三線性插值計算出各采樣點的不透明度值和顏色值，然后采用由后到前或由前到后的順序依據(jù)各采樣點的不透明度值對其相應(yīng)的顏色值進行合成，從而得到屏幕上該象素點處的顏色值。

四、三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展

1.提高模型的可更新性。模型的建立只能代表現(xiàn)有條件下對地下空間的認識，當(dāng)獲得了新的數(shù)據(jù)，或者有了新的認識，如果系統(tǒng)不能快速的、簡便的重建模型，那樣必然耗費更多的人力、物力?？筛滦院镁鸵笞詣咏３潭雀?，對建模使用數(shù)據(jù)的規(guī)范化及建模的方法合理性要求更高，如在芬蘭西南部建立了一個易自動更新的水文地質(zhì)模型，實現(xiàn)了對更新數(shù)據(jù)的自動存儲和處理，提高了模型的可更新性。

2.水文質(zhì)條件概化的方法、原則及標準體系研究。雖然目前對三維水文地質(zhì)建模方法的研究較多，但是針對地質(zhì)條件概化的方法、原則及標準的研究還很少，缺少一種指導(dǎo)性的方法體系來指導(dǎo)針對于不同應(yīng)用，不同地質(zhì)條件及不同數(shù)據(jù)源下的三維水文地質(zhì)建模，如地層巖性的歸并，地層的模擬精度等問題。如何結(jié)合專業(yè)自身特點，制定出指導(dǎo)性的概化方法、原則和標準體系是未來研究的方向之一。

3.開發(fā)針對三維水文地質(zhì)建模工具。目前國內(nèi)外針對三維水文地質(zhì)建模的工具還比較少，且功能有限，急需一系列功能強大，針對性強的三維水文地質(zhì)建模的軟件工具。這些工具要能保證開發(fā)出的工具符合水文地質(zhì)專業(yè)的要求，能作為數(shù)值模擬平臺；友好的可視化與用戶界面，易于理解和操作；可更新性好，模型易于維護。

三維水文地質(zhì)建模技術(shù)突破了以往對地質(zhì)體二維表達的局限，能更加直觀形象的描述與地下水儲運有關(guān)的地質(zhì)體的空間及屬性結(jié)構(gòu)；同時能作為地下水?dāng)?shù)值模擬的平臺，提高水文地質(zhì)計算評價結(jié)果，輔助決策等等。但由于三維水文地質(zhì)建模本身存在著一些難點及瓶頸，現(xiàn)有技術(shù)還難以完全滿足水文地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用需求。因此開展三維水文地質(zhì)建模技術(shù)研究有著重大的意義。

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