三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)的質(zhì)量控制
——以透視山東項(xiàng)目為例

馬瑜宏，劉春華，郭晶，朱恒華，郭艷，馬國(guó)璽

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；3.武漢中地?cái)?shù)碼科技有限公司，湖北 武漢 430073)

0 引言

三維地質(zhì)建模是利用計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)，在虛擬三維空間將勘探鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平面圖、DEM、物探資料等多源地學(xué)信息基于統(tǒng)一空間參照系與地質(zhì)認(rèn)識(shí)進(jìn)行空間插值、實(shí)體化構(gòu)建，并進(jìn)行立體、直觀展示的地質(zhì)研究方式[1-6]。三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，深化了深部地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)，可以更直觀地認(rèn)識(shí)和了解主要目標(biāo)地質(zhì)體的深部形態(tài)、空間展布特征及其他地質(zhì)體的相互關(guān)系，為礦產(chǎn)資源開發(fā)評(píng)價(jià)、地下空間開發(fā)利用、地下水模擬和工程地質(zhì)勘查等工作提供了重要基礎(chǔ)地質(zhì)信息，應(yīng)用越來越廣泛。

數(shù)據(jù)的質(zhì)量是數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵，直接影響到數(shù)據(jù)庫的可用性和準(zhǔn)確性。錯(cuò)誤的或不準(zhǔn)確的信息或數(shù)據(jù)必定產(chǎn)生錯(cuò)誤的或不準(zhǔn)確的處理結(jié)果和決策[7-10]。因此，數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量控制和質(zhì)量檢查非常重要。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題伴隨數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理和應(yīng)用過程而產(chǎn)生，數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的質(zhì)量問題都將直接影響到最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此在三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)的每一個(gè)階段、每一環(huán)節(jié)都必須進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，通過優(yōu)化工作流程，最大限度地減少各環(huán)節(jié)的誤差，以提高三維地質(zhì)模型構(gòu)建的速度與精度，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)更新的連續(xù)性。

1 數(shù)據(jù)錄入階段的質(zhì)量控制

三維地質(zhì)模型建設(shè)用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是鉆孔資料。為了規(guī)范鉆孔資料錄入操作，保證錄入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，編制了《鉆孔資料錄入工作指南》。指南規(guī)定了鉆孔資料的錄入內(nèi)容、鉆孔數(shù)據(jù)的存放格式、數(shù)據(jù)表字段類型及長(zhǎng)度、填寫要求、人員配置、工作流程等方面的內(nèi)容，確保鉆孔數(shù)據(jù)錄入工作在統(tǒng)一規(guī)范的框架內(nèi)正常有序的開展。

鉆孔數(shù)據(jù)錄入完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，將錯(cuò)誤消除在標(biāo)準(zhǔn)化工作之前。根據(jù)檢查內(nèi)容的不同，數(shù)據(jù)檢查采用人工檢查和軟件檢查2種方式。

1.1 人工檢查

人工檢查包括自檢、互檢和抽檢，其中自檢和互檢率要求100%，抽檢率15%，每一個(gè)檢查步驟都需要填寫質(zhì)量檢查記錄表。人工檢查貫穿三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)的全過程。

1.2 軟件檢查

軟件檢查主要檢查鉆孔的坐標(biāo)位置是否合理，對(duì)鉆孔分層信息里的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯查錯(cuò)，篩選出各數(shù)據(jù)項(xiàng)的異常值和重復(fù)值。

(1)鉆孔的坐標(biāo)數(shù)據(jù)直接決定剖面的位置，鉆孔坐標(biāo)的準(zhǔn)確性直接影響剖面的準(zhǔn)確性，鉆孔坐標(biāo)一旦修改，剖面圖就需要重新繪制，因此鉆孔坐標(biāo)的質(zhì)量控制是數(shù)據(jù)錄入階段的重中之重。用GIS軟件將鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行投影，檢查鉆孔位置分布是否和工作部署圖一致，有沒有落到其他城市；通過GIS軟件篩選出某一項(xiàng)目或某一礦區(qū)的鉆孔，檢查該項(xiàng)目或礦區(qū)的所有鉆孔是否都在相近范圍；將投影后的鉆孔點(diǎn)位圖與對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的地理底圖套合，詳細(xì)檢查各類型鉆孔是否沿部署規(guī)律分布，通過判斷有無離群鉆孔點(diǎn)來判斷鉆孔位置是否合理、正確。

(2)用EXCEL軟件檢查鉆孔的分層信息數(shù)據(jù)是否存在邏輯錯(cuò)誤，如鉆孔上一層的底板埋深與下一層的頂板埋深數(shù)據(jù)是否一致，鉆孔分層信息表里的最大厚度是否等于鉆孔基本信息表的鉆孔深度等。

2 鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化階段的質(zhì)量控制

參照原山東省國(guó)土資源廳印發(fā)《關(guān)于印發(fā)〈山東省地層侵入巖構(gòu)造單元?jiǎng)澐址桨浮档耐ㄖ?魯國(guó)土資字〔2014〕185號(hào))，編制了三維地質(zhì)模型地層分層標(biāo)準(zhǔn)(表1)，并針對(duì)地層標(biāo)準(zhǔn)化工作展開集中培訓(xùn)。

表1 三維地質(zhì)模型地層分層標(biāo)準(zhǔn)表

對(duì)已完成標(biāo)準(zhǔn)化的鉆孔分層數(shù)據(jù)，用EXCEL軟件檢查鉆孔的地層編碼是否和地層分層標(biāo)準(zhǔn)表的編碼一致，地層厚度是否滿足區(qū)域地質(zhì)規(guī)律，同一巖性描述對(duì)應(yīng)的第四級(jí)編碼是否相同。

3 剖面繪制階段的質(zhì)量控制

為規(guī)范剖面圖的用色與花紋填充，參照《山東省地質(zhì)勘查技術(shù)要求與項(xiàng)目管理規(guī)程》《地質(zhì)圖用色標(biāo)準(zhǔn)及用色原則(1∶50000)》(DZ/T 0179—1997)、《綜合工程地質(zhì)圖圖例及色標(biāo)》(GBT 12328—1990)等標(biāo)準(zhǔn)編制了三維地質(zhì)模型系統(tǒng)庫設(shè)計(jì)(圖1)。制作了數(shù)據(jù)字典(表2)，將地層編碼與圖案、顏色一一對(duì)應(yīng)，剖面成區(qū)后，通過連接數(shù)據(jù)字典，實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色與花紋的填充，既提高了效率，也規(guī)避了手動(dòng)輸入造成的錯(cuò)誤。

圖1 三維地質(zhì)模型系統(tǒng)庫設(shè)計(jì)圖

表2 數(shù)據(jù)字典

為了確保剖面圖的成圖質(zhì)量，繪制時(shí)還需要從以下幾點(diǎn)加以注意：

(1)在剖面繪制之前，統(tǒng)一多源地質(zhì)資料的坐標(biāo)系，建立原始資料數(shù)據(jù)庫。為便于各種數(shù)據(jù)信息的讀取與管理，設(shè)置數(shù)據(jù)庫的橢球參數(shù)為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，投影類型為蘭伯特等角圓錐投影(m)。

(2)地層之間的界線需要結(jié)合產(chǎn)狀繪制，巖體之間的界線需要反映新老關(guān)系。

(3)虛擬孔和下推鉆孔各地層厚度的推斷，應(yīng)參照周邊鉆孔，基巖地質(zhì)圖以及各比例尺地質(zhì)圖對(duì)地層厚度的限定。

(4)任意相交的2條剖面在交叉鉆孔處的分層信息必須完全一致，包括分層層數(shù)、各層的厚度和地層編碼等，指定一人提交交叉孔的分層數(shù)據(jù)。

(5)拓?fù)湓靺^(qū)之前，先自動(dòng)剪斷成區(qū)線，用GIS軟件的“線拓?fù)洳殄e(cuò)”工具進(jìn)行微短線、線上重疊點(diǎn)、自相交、重疊線等檢查，局部放大查找原因、修改，直至錯(cuò)誤清除。再線拓?fù)湓靺^(qū)，用“區(qū)拓?fù)洳殄e(cuò)”功能檢查拓?fù)鋯栴}，對(duì)查出的問題進(jìn)行修改后再重新拓?fù)洳殄e(cuò)，直至拓?fù)潢P(guān)系正確。

(6)剖面區(qū)需要重新拓?fù)鋾r(shí)，通過“創(chuàng)建Label”和“Label點(diǎn)歸并”操作實(shí)現(xiàn)剖面區(qū)文件圖形與屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)賦值。

(7)剖面圖兩端的地層區(qū)應(yīng)向外延伸一段，保證鉆孔軌跡線在地層區(qū)內(nèi)并與之相交。

(8)用統(tǒng)一的參數(shù)對(duì)地表線進(jìn)行抽稀，再對(duì)地層線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密，以保證每條地層線上節(jié)點(diǎn)之間的間距基本一致。

4 三維建模階段的質(zhì)量控制

構(gòu)建三維地質(zhì)模型是三維地質(zhì)建模工作的核心內(nèi)容[11-14]。建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是地質(zhì)剖面，為提高模型精度，還應(yīng)將普通鉆孔、地質(zhì)圖、基巖地質(zhì)圖、斷層、地表高程等能夠揭示地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造信息的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維操作平臺(tái)，在交互建模過程中作為約束數(shù)據(jù)，為地質(zhì)模型的搭建提供地質(zhì)支撐。

地質(zhì)建模是由點(diǎn)連線，再由線造面，最后由面構(gòu)體復(fù)雜的交互式建模過程，建模的操作流程如圖2所示，為提高模型建設(shè)質(zhì)量，應(yīng)從設(shè)置建模參數(shù)、構(gòu)建輔助線、構(gòu)建地質(zhì)面、構(gòu)建地質(zhì)體等操作上對(duì)模型質(zhì)量加以把控。

圖2 建模操作流程

4.1 設(shè)置合理的建模參數(shù)

建模相關(guān)參數(shù)設(shè)置直接影響建模質(zhì)量、建模效率和建模人員的操作及可視化體驗(yàn)，因此建模人員需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三維場(chǎng)景、交互模式、構(gòu)線、構(gòu)面和構(gòu)體參數(shù)進(jìn)行合乎模型要求的設(shè)置，以保障模型質(zhì)量。

4.2 構(gòu)建輔助線

畫輔助線時(shí)，應(yīng)首先觀察單元格內(nèi)所有地層面、地層線，找出線段連接規(guī)律，再用“兩點(diǎn)造線”“輸入折線”“輸入曲線”等功能對(duì)同一地層進(jìn)行連線。

4.3 構(gòu)建地質(zhì)面

(1)當(dāng)斷層切穿整個(gè)地層面時(shí)，斷層兩側(cè)的地層界面分別構(gòu)建；斷層只切割地層面的局部時(shí)，將斷層兩側(cè)的地質(zhì)界線順勢(shì)相連，形成地質(zhì)面[15-17]。斷層面單獨(dú)建在斷層輔助面中。

(2)構(gòu)建地表面時(shí)，需加入地表曲面的約束，使構(gòu)建地表面的起伏符合真實(shí)的地表形態(tài)。

(3)若建立的地質(zhì)面形態(tài)近直立或八字形，那么構(gòu)面時(shí)需勾選投影，這樣才能構(gòu)面成功。

4.4 構(gòu)建地質(zhì)體

選擇構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立地質(zhì)體需要的所有面，判斷界面封閉性，如果提示當(dāng)前體封閉，就直接構(gòu)體。如果提示當(dāng)前體不封閉，需解決錯(cuò)誤后再構(gòu)體，直至待構(gòu)的地質(zhì)體滿足界面封閉性原則。

界面交互構(gòu)體時(shí)，第一個(gè)構(gòu)體的面一定要選擇剖面上的面，這樣構(gòu)建的地質(zhì)體才能繼承剖面上地質(zhì)面的屬性。

地質(zhì)體的構(gòu)建過程，也是對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的地質(zhì)界面再一次進(jìn)行檢查的過程，若發(fā)現(xiàn)問題，二維與三維數(shù)據(jù)應(yīng)同時(shí)修改。

5 三維地質(zhì)模型的質(zhì)量檢查

三維地質(zhì)模型建設(shè)完成后，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，判斷其是否與已有資料及地質(zhì)認(rèn)識(shí)相符合，是否滿足軟件質(zhì)量要求，符合地層演化規(guī)律。

5.1 地質(zhì)體封閉性檢查

三維地質(zhì)模型構(gòu)建完成后，需要進(jìn)行地質(zhì)體封閉性檢查。造成地質(zhì)體不封閉的原因有地質(zhì)界面之間不完全密封、地質(zhì)界面中存在漏洞、“壞”三角等，如果提示不封閉，需根據(jù)錯(cuò)誤原因重新編輯構(gòu)體的面和線，解決錯(cuò)誤后再重新構(gòu)體。

5.2 剖面切割檢查

三維地質(zhì)模型經(jīng)過地質(zhì)體封閉性檢查后，還需進(jìn)行剖面切割，對(duì)地質(zhì)塊體進(jìn)行全面檢查。如果存在重影、漏面等問題，就進(jìn)行修改，直至剖面切割檢查沒有問題為止。

6 結(jié)語

地質(zhì)工作進(jìn)行到一定程度，三維地質(zhì)建模的精度對(duì)后期空間分析、儲(chǔ)量計(jì)算、數(shù)值模擬等地質(zhì)應(yīng)用的影響就顯得尤為重要，因此三維地質(zhì)模型建設(shè)的質(zhì)量控制研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[18]。高精度的三維地質(zhì)模型是地質(zhì)成果綜合應(yīng)用表達(dá)的重要保障，也是加深認(rèn)識(shí)地下地質(zhì)現(xiàn)象的重要手段，它將進(jìn)一步推動(dòng)地球科學(xué)的發(fā)展[19-20]。

鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)模型建設(shè)的主要來源，模型想要更精確、可更新，有持續(xù)的生命力就必須補(bǔ)充更多的鉆孔資料，融合更多的地質(zhì)資料。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的快速發(fā)展，三維地質(zhì)建模應(yīng)考慮分區(qū)、分塊建立和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，打造高精度網(wǎng)格模型。