三維地質(zhì)建模技術(shù)研究現(xiàn)狀

姬廣軍 朱吉祥

摘要：三維地質(zhì)建模是定量化研究三維空間結(jié)構(gòu)特征與變化規(guī)律的重要方法，已成為模擬分析地質(zhì)現(xiàn)象與時(shí)空演變規(guī)律重要有效手段之一。本文從數(shù)據(jù)模型、建模方法、建模軟件、不確定性及應(yīng)用領(lǐng)域五個(gè)方面闡述了三維地質(zhì)建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展的提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模;研究現(xiàn)狀;不確定性;數(shù)據(jù)模型;建模方法

三維地質(zhì)建模是在各種原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型建立地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)地質(zhì)體的幾何形態(tài)、地質(zhì)體間的關(guān)系和物性等計(jì)算機(jī)模擬，最后形成復(fù)雜整體三維模型的過程。[1]三維地質(zhì)建?？梢灾庇^地表達(dá)地質(zhì)體的空間形態(tài)與特征，能夠進(jìn)行真三維的空間操作與分析，較大程度地促進(jìn)地質(zhì)信息的科學(xué)管理與共享。本文從空間數(shù)據(jù)模型、建模方法、建模軟件、不確定性和應(yīng)用領(lǐng)域五個(gè)方面入手，系統(tǒng)闡述了三維地質(zhì)建模的研究現(xiàn)狀，并對(duì)三維地質(zhì)建模發(fā)展提出相應(yīng)建議。

1 空間數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是為方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、交換和使用而構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)約束的總稱。1978年Hunter首先提出了以八叉樹為代表的數(shù)據(jù)模型，[2]Victor[3]和Pilouk[4]提出了不規(guī)則四面體的數(shù)據(jù)模型;Wu提出了廣義三棱柱的數(shù)據(jù)模型[5]等。這些數(shù)據(jù)模型可以分為三類：基于面、基于體以及混合數(shù)據(jù)模型。這三類模型中常用的模型的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

3 三維地質(zhì)建模軟件

三維地質(zhì)建模技術(shù)的不斷成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，促使國(guó)外開發(fā)研制了許多較為成熟的商業(yè)化軟件。其中應(yīng)用較廣泛的軟件有GoCAD、Surpac、3DMine、Vulcan、MicroLynx、GSI3D等。GoCAD軟件的三維可視化功能強(qiáng)大，能處理復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，是目前國(guó)外應(yīng)用最廣的三維地質(zhì)建模軟件之一。

國(guó)內(nèi)在軟件方面起步較晚，且大都集中在三維可視化等方面，[10]主要包括MapGIS、GSIS建模系統(tǒng)及QuantyView等。國(guó)內(nèi)軟件具有較強(qiáng)的專業(yè)針對(duì)性，如Longruan GIS面向數(shù)字礦山、DeepInsight面向地球物理與油藏等，它們基本可以滿足大多數(shù)用戶的日常需求。[22]

4 不確定性分析

由于目前人類知識(shí)的有限性及地下空間的不可見性與復(fù)雜性，通過有限的信息來(lái)推斷未知的地下信息會(huì)存在各種形式的不確定性。[23]國(guó)內(nèi)外對(duì)模型的不確定性做出了不少研究，但仍處在初始階段。[24]三維地質(zhì)建模的不確定性包括數(shù)據(jù)不確定、[24]結(jié)構(gòu)不確定、[25]可視化不確定[26]和響應(yīng)不確定，[26]其中數(shù)據(jù)不確定和結(jié)構(gòu)不確定性研究較多，這里主要討論數(shù)據(jù)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性。

4.1 結(jié)構(gòu)不確定性

地質(zhì)學(xué)家可以利用地球物理勘探、露頭描述及其延伸、鉆孔揭露等方式獲取有限范圍的地質(zhì)信息，這些方法通過專家解釋后獲得的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可能并不能真正的反映實(shí)際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生一定程度的不確定性。另一方面，地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象本身就具有復(fù)雜性，[27]通過各種常規(guī)方法建立的模型也會(huì)存在一定程度的不確定性。Thore等[25]提出了一種確定和處理結(jié)構(gòu)不確定性的方法并詳細(xì)地分析不確定的來(lái)源;Gerritsen和Caers[28]指出了不確定的來(lái)源并且認(rèn)為數(shù)據(jù)可以用來(lái)約束模型的不確定性，此外，他還給出了基于概率、變異函數(shù)、逆向建模等方法的詳細(xì)解釋和步驟。

4.2 數(shù)據(jù)不確定性

幾乎所有的地質(zhì)數(shù)據(jù)都會(huì)有不同程度的不確定性，這些不確定性是由測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)不足、取樣限制、不完美的概念或假說和必要的簡(jiǎn)化等因素引起的，[28]這也是限制模型精度的重要原因。Wellmann等[29]分析了由于數(shù)據(jù)質(zhì)量而引起的不確定性并給出了具有詳細(xì)步驟的處理辦法，他認(rèn)為數(shù)據(jù)的不確定來(lái)源可以分為3類：

（1）精度不夠或測(cè)量誤差，是由于原始數(shù)據(jù)的不確定性引起的，如沉積邊界的位置或構(gòu)造的方向。

（2）地質(zhì)變量本身的隨機(jī)性，是由已知點(diǎn)插值得到未知點(diǎn)不確定性引起的。

（3）認(rèn)知有限性，是由于對(duì)存在的地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象認(rèn)知不完整和不精確引起的。[30]

由采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)所建立的三維地質(zhì)模型一定存在不確定性，一般不確定性隨著數(shù)據(jù)量的減小而增大。Yamamoto等[30]通過在計(jì)算模型中再取樣和后處理的方式達(dá)到減小不確定性的效果。

5 應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，三維地質(zhì)建模已經(jīng)滲入到地質(zhì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括礦產(chǎn)、[31]石油、[32]水文地質(zhì)、[33，34]工程地質(zhì)、[7，35]地?zé)岬刭|(zhì)、[36]災(zāi)害地質(zhì)等。三維地質(zhì)建模首先使用到礦產(chǎn)、石油領(lǐng)域，[23]且在這些領(lǐng)域中技術(shù)比較成熟。在礦產(chǎn)中，主要用于分析礦體的分布規(guī)律、估算礦產(chǎn)資源量以及進(jìn)行資源量評(píng)價(jià)等服務(wù);在石油領(lǐng)域，主要進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算、表達(dá)儲(chǔ)層構(gòu)造形態(tài)與品質(zhì)分布等。在水文地質(zhì)學(xué)科中，三維地質(zhì)建?？梢杂糜诜治鲅芯繀^(qū)的水文地質(zhì)條件、調(diào)查污染物運(yùn)移規(guī)律等服務(wù)。在工程地質(zhì)中，三維地質(zhì)建模用于對(duì)巷道、工程建設(shè)的承載力模擬分析等服務(wù)。三維地質(zhì)建模還可以估算地?zé)醿?chǔ)量、分析地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)機(jī)制等服務(wù)。

6 結(jié)論

三維地質(zhì)建模突破了傳統(tǒng)二維空間表達(dá)的束縛，還地質(zhì)以本來(lái)面目，其可以直觀、形象地展示了地質(zhì)體的空間分布及其規(guī)律，使地質(zhì)研究可以在多維空間中分析地質(zhì)問題，表達(dá)研究結(jié)果，更符合地質(zhì)研究的實(shí)際情況。雖然目前有眾多的數(shù)據(jù)模型、建模方法和應(yīng)用軟件，但他們各自的適應(yīng)能力有限，在解決復(fù)雜區(qū)域性模型構(gòu)建等方面仍面臨著較多亟待解決的難題，這些難題既涉及到地質(zhì)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)，同時(shí)也涉及到計(jì)算機(jī)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科相關(guān)知識(shí)。這就要求不同專業(yè)的相關(guān)人員進(jìn)行深層次的交流，共同推進(jìn)三維地質(zhì)建模事業(yè)的發(fā)展。

另一方面，國(guó)內(nèi)有眾多的研究人員和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維地質(zhì)建模理論研究，不同的機(jī)構(gòu)或研究人員研究思路、方法可能不同，但他們都各自積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)這些研究機(jī)構(gòu)或研究人員進(jìn)行全方位合作，注重理論與實(shí)際相結(jié)合的研究，也是三維地質(zhì)建模發(fā)展的可行途徑。

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基金項(xiàng)目：水環(huán)所基本業(yè)務(wù)費(fèi)（SK201615）;雄安新區(qū)資源環(huán)境承載力綜合監(jiān)測(cè)和透明雄安數(shù)字平臺(tái)建設(shè)（DD20189144）

作者簡(jiǎn)介：姬廣軍（1993-），男，漢族，山東濟(jì)寧人，碩士，研究方向：區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模和城市地質(zhì)信息化應(yīng)用研究。