基于GOCAD 軟件數(shù)字地質(zhì)填圖建模技術(shù)方法研究

鄭 翔，羅奕帆，溫智雄

（1.江西應用技術(shù)職業(yè)學院，江西 贛州 341000；2.寧都縣自然資源局，江西 贛州 342800）

三維地質(zhì)填圖是地質(zhì)工作從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代的重要實踐，是在傳統(tǒng)地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)上，研究地表與地下地質(zhì)體之間的關(guān)系，對地球深部地質(zhì)體進行三維模擬，并編制三維空間地質(zhì)圖[1-2]。根據(jù)三維地質(zhì)模型的深度可以將模型分為淺部和深部三維地質(zhì)模型兩大類。淺部三維地質(zhì)模型的構(gòu)建應以地表填圖數(shù)據(jù)為主，鉆孔等數(shù)據(jù)為輔，建立的模型精度、準確度較高；深度三維地質(zhì)模型的構(gòu)建以物探數(shù)據(jù)為主，建立的模型精度相對較低，較為粗糙。

數(shù)字地質(zhì)填圖建模是基于三維地質(zhì)建模GOCAD軟件，利用數(shù)字地質(zhì)填圖過程中獲取的野外路線PRB數(shù)據(jù)（P 為地質(zhì)點，R 為分段路線，B 為點間界線）并結(jié)合地形數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等來構(gòu)建淺部三維地質(zhì)建模的一種技術(shù)方法。野外路線PRB 數(shù)據(jù)是地表填圖過程中獲取的第一手資料，數(shù)字地質(zhì)填圖建模應以野外路線PRB 數(shù)據(jù)為主要建模數(shù)據(jù)。在建模時應充分利用已有地質(zhì)資料，除了野外路線PRB 數(shù)據(jù)和野外產(chǎn)狀數(shù)據(jù)之外，還可以有地表地形數(shù)據(jù)、鉆孔等其他地質(zhì)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)字地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)來源

數(shù)字地質(zhì)填圖是指在計算機輔助下，通過野外觀測路線的調(diào)查，對多源地學數(shù)據(jù)進行分析和解譯，從而實現(xiàn)野外獲取的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)及其成果數(shù)字化的過程。經(jīng)過多年的探索和實踐，采取PRB 數(shù)字填圖過程及其相應的數(shù)字填圖模型技術(shù)，實現(xiàn)了地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)從手工到數(shù)字化過程的飛躍[3]。

數(shù)字地質(zhì)填圖PRB 過程中把野外數(shù)據(jù)采集過程分為P 地質(zhì)點數(shù)據(jù)采集、R 分段路線數(shù)據(jù)采集、B 點間界線數(shù)據(jù)采集3 個過程。其中P（Piont）地質(zhì)點數(shù)據(jù)采集過程，主要是對野外路線中的地質(zhì)界線、地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)構(gòu)造等進行地質(zhì)觀測點控制的過程；R（Routing）分段路線數(shù)據(jù)采集過程，是描述界記錄2個地質(zhì)觀測點之間的地質(zhì)情況變化的數(shù)據(jù)采集過程；B（Boundary）點間界線數(shù)據(jù)采集過程，是對點上和兩段Routing 之間的界線來進行分段描述的過程，該界線可以是1 個地質(zhì)體內(nèi)部變化的界線，也可以是2 個地質(zhì)體的界線[4-6]。

2 GOCAD 軟件概述

2.1 軟件概述

數(shù)字地質(zhì)填圖建模使用的三維地質(zhì)建模軟件為GOCAD，版本2.5.2。GOCAD 軟件是國際上三維地質(zhì)建模專業(yè)的建模軟件，是以工作流程為核心的新一代地質(zhì)建模軟件，實現(xiàn)了高水平的半智能化建模，具有功能強、界面友好、易學易用等特點[7]。

GOCAD 軟件中DSI 方法已成為軟件的核心技術(shù)[8]。DSI 方法在三維地質(zhì)建模和可視化中起到重要作用，它可以自動調(diào)整和自由選擇網(wǎng)格模型，進行實時交互操作，并處理一些不確定的數(shù)據(jù)[9-11]。用該方法模擬幾何與物理特性時，將原始節(jié)點作為控制點并綜合考慮地質(zhì)體中屬性與空間幾何形態(tài)特征間的關(guān)系進行插值[12-13]。在地質(zhì)體空間形態(tài)特征的約束條件下對控制點和插值點進行面的擬合，并對面進行不斷的優(yōu)化處理。

2.2 軟件建模步驟

數(shù)字地質(zhì)填圖三維模型的構(gòu)建包括數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)整合、三維地質(zhì)模型的建立這3 個步驟。

數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)入庫：數(shù)字地質(zhì)填圖建模數(shù)據(jù)主要來源于地表填圖數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)類型具有多樣性，有規(guī)則的，也有不規(guī)則的，主要包括地表地形數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等。由于數(shù)據(jù)的復雜多樣性，數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)入庫是三維地質(zhì)建模前最為重要的步驟。

數(shù)據(jù)整合：由于數(shù)據(jù)的復雜多樣性，在數(shù)據(jù)入庫后需對數(shù)據(jù)進行整合處理。根據(jù)人機交互式的方法來判斷三維地質(zhì)模型中各地質(zhì)界面構(gòu)建的先后順序及主次關(guān)系。

三維地質(zhì)模型的建立：通過GOCAD 軟件中的建面方法并利用約束和離散光滑插值的功能來完成研究區(qū)內(nèi)不同地質(zhì)界面的構(gòu)建；結(jié)合研究區(qū)內(nèi)各地層出露的先后關(guān)系、切割關(guān)系和構(gòu)造建模方法將建立的各地質(zhì)界面生成面模型；通過GOCAD 軟件中構(gòu)建實體模型的方法將已建立的面模型生成實體模型，并賦予各地質(zhì)體屬性參數(shù)及屬性運算。

2.3 軟件建模方法

GOCAD 軟件在數(shù)字地質(zhì)填圖建模中具體的理論方法可大致分為兩大步驟：①建模前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。建模前，通過對研究區(qū)內(nèi)復雜的地質(zhì)情況進行研究分析，并結(jié)合構(gòu)建數(shù)字地質(zhì)填圖三維模型所需的建模數(shù)據(jù)對所需的多源數(shù)據(jù)（野外路線PRB 數(shù)據(jù)、地表地形數(shù)據(jù)、野外產(chǎn)狀數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)等）進行建模前的數(shù)據(jù)處理、入庫及整合，從而建立模型構(gòu)建所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。②數(shù)字地質(zhì)填圖三維模型的構(gòu)建。在GOCAD 軟件平臺中，先通過對建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)整合，確定各數(shù)據(jù)在建模中的作用，再根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中所需數(shù)據(jù)和建面方法來完成不同地質(zhì)界面的構(gòu)建，在地質(zhì)界面的構(gòu)建過程中通過GOCAD軟件中的約束、離散光滑插值（Discrete Smooth Interpolation，DSI）等處理方法生成符合地質(zhì)情況的地質(zhì)界面，再根據(jù)構(gòu)建好的地質(zhì)界面組合成數(shù)字地質(zhì)填圖三維模型，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字地質(zhì)填圖建模數(shù)據(jù)整合技術(shù)流程圖

在GOCAD 軟件中，構(gòu)建不同地質(zhì)界面的方法主要有通過面編輯菜單中利用點數(shù)據(jù)直接生成面的方法，通過面編輯菜單中利用線數(shù)據(jù)生成面的方法，運用控制點約束面的方法，通過向?qū)Р藛沃械墓δ芾命c數(shù)據(jù)生成面的方法，運用構(gòu)造建模流程（Structural Modeling Workflow，SMW）生成面的方法。

通過面編輯菜單中利用點數(shù)據(jù)直接生成面的方法（From PointsSet）：在Surface 的下拉菜單中選中由點數(shù)據(jù)集創(chuàng)建面的命令，然后選中目標點數(shù)據(jù)集進行面創(chuàng)建。利用該方法建面的前提是點數(shù)據(jù)集中所有的點都位于同一平面上，不然創(chuàng)建的面是間斷不連續(xù)的或者是比較皺的，跟實際的地質(zhì)界面情況相差太大，達不到要求。所以此種建面方法適用于位于同一平面的點數(shù)據(jù)集，用于創(chuàng)建一些比較簡單的平面。而且利用該方法生成面中的網(wǎng)格較大且分布不均，需對生成的面進行網(wǎng)格加密處理，再將面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點數(shù)據(jù)重新利用該方法再次生成面，使生成的面達到要求。

通過面編輯菜單中利用線數(shù)據(jù)生成面的方法（From Curves）：此方法相對較為簡單并且機械化，首先在Surface 下拉菜單中選擇由多條線數(shù)據(jù)創(chuàng)建面的命令，在彈出的對話框中number of levels 欄輸入線數(shù)據(jù)間插入線的數(shù)量值，默認值為4，然后按住Ctrl 鍵按照高程值從大到小或從小到大的順序依次選取對應的線數(shù)據(jù)，選取完線數(shù)據(jù)后松開Ctrl 鍵則面自動生成。利用該方法建面的前提是相鄰線數(shù)據(jù)間的空間形態(tài)差異不大，相鄰線數(shù)據(jù)的間距相對較為穩(wěn)定且不大，否則生成的面皺度會相當?shù)拇?，達不到平滑面的要求。利用該方法生成面時線數(shù)據(jù)越多且線數(shù)據(jù)間距越小，生成的面就越平滑，相反曲線較少，生成面的條紋就越明顯。生成的面可以經(jīng)過后期的平滑處理使得曲面變得光滑。此種方法適用于形態(tài)較為復雜地質(zhì)界面的構(gòu)建，如巖體、褶皺等，而這些地質(zhì)界面利用其他的建面方法難以實現(xiàn)。

運用控制點約束面的方法：此方法相對較為復雜并且機械化，首先在Surface 下使用new surface 創(chuàng)建一個比點數(shù)據(jù)范圍稍大的水平面（surface），并根據(jù)點數(shù)據(jù)的密集度對水平面上的網(wǎng)格進行加密處理，再通過Constraints 下Set Control Points 的方式將點數(shù)據(jù)集作為控制點，反復運用點數(shù)據(jù)集約束面的方法將水平面拉伸到對應的點數(shù)據(jù)集上，從而完成面的構(gòu)建。利用該方法建面的前提是點數(shù)據(jù)集密集度夠大，點數(shù)據(jù)集間的高程差不大，否則生成的面不能與點數(shù)據(jù)集完全擬合，達不到面的要求。由于在地質(zhì)界面構(gòu)建過程中點數(shù)據(jù)集的密集度不夠和該方法生成的面達不到要求，所以構(gòu)建面時一般都不采用此方法。

通過向?qū)Р藛沃械墓δ芾命c數(shù)據(jù)生成面的方法：利用向?qū)Р藛蜛pplications 下的Wizards 可以根據(jù)點數(shù)據(jù)集構(gòu)建網(wǎng)格化的曲面。構(gòu)建曲面時首先要確定點數(shù)據(jù)集的范圍，由系統(tǒng)在點數(shù)據(jù)集的外圍生成外邊框，使所有點數(shù)據(jù)集都在邊框內(nèi)，通過不斷線擬合到點上的方法使邊框界線與點數(shù)據(jù)的外邊界完全擬合，再利用向?qū)Р藛沃械墓δ苌擅?。在運用向?qū)Чδ苌擅娴倪^程中可以對點數(shù)據(jù)先進行插值處理，使生成面的精準度更高，但是運用該方法構(gòu)建面時不能控制生成面的范圍且生成面比較粗糙，達不到效果要求。

運用構(gòu)造建模流程（ Structural Modeling Workflow，SMW）生成面的方法：利用SMW 方法構(gòu)建面過程中首先定義所用點數(shù)據(jù)的屬性和生成面的范圍，當所需范圍比實際數(shù)據(jù)范圍小時，則只需通過裁剪所需范圍內(nèi)的點數(shù)據(jù)來構(gòu)建面即可；當范圍比實際數(shù)據(jù)大時，通過數(shù)據(jù)插值的方式來擴大范圍，SMW 中所運用的插值方法就是離散平滑插值法（DSI 法）。在運用SMW 方法生成面時，可以根據(jù)點數(shù)據(jù)自動確定面中網(wǎng)格大小，也可以通過手動輸值的方法對創(chuàng)建面中網(wǎng)格的密度進行設(shè)定，使生成面網(wǎng)格密度更加美觀，面中網(wǎng)格的大小更加符合生成面的要求。

GOCAD 軟件在面模型和實體模型構(gòu)建中主要有構(gòu)造模型（Structural Modeling）建模和三維儲層柵格結(jié)構(gòu)（3D Reservoir Grid Construction）建模兩大類建模方法。

構(gòu)造模型建模：構(gòu)造模型主要是根據(jù)地質(zhì)界面數(shù)據(jù)通過構(gòu)造模型建模的方法來生成的面模型。通過建立的構(gòu)造模型可以用來分析各地質(zhì)體間的接觸關(guān)系、單個地質(zhì)體的空間展布特征和斷層與地質(zhì)體間的切割關(guān)系等。因此建立地質(zhì)體構(gòu)造模型在三維地質(zhì)模型的構(gòu)建過程中具有重要的意義，此外構(gòu)造模型也是地震勘探中地震反演重要的工作方法。

三維儲層柵格結(jié)構(gòu)建模：構(gòu)造模型建立完成后，可以根據(jù)三維儲層柵格結(jié)構(gòu)建模的方法對所建的面模型進行網(wǎng)格的充填，實現(xiàn)構(gòu)造模型的網(wǎng)格化，從而生成地質(zhì)體的實體模型。利用該建模方法可以對模型中各地質(zhì)體的參數(shù)進行計算，如地質(zhì)體的表面積、體積、兩地質(zhì)體的接觸面積、斷層的斷距等。

3 數(shù)字地質(zhì)填圖建模技術(shù)流程

三維地質(zhì)模型可以分為面模型、體模型和混合模型三大類[14-16]，封閉的面模型可以通過網(wǎng)格充填的方式生成體模型[17]，而體模型轉(zhuǎn)換成面模型較難實現(xiàn)。因此在三維地質(zhì)模型的構(gòu)建過程中應先構(gòu)建面模型，再根據(jù)在面模型中充填實體網(wǎng)格的方法來生成實體模型。根據(jù)建模數(shù)據(jù)源的不同，可將建模方法分為基于野外填圖數(shù)據(jù)、基于剖面、基于鉆孔、基于物探數(shù)據(jù)、基于多源數(shù)據(jù)[18]等方法。

數(shù)字地質(zhì)填圖建模流程總體可以分為由數(shù)字地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)構(gòu)建地質(zhì)界面、將地質(zhì)界面組合成面模型、再將面模型生成體模型3 步，其中地質(zhì)界面的構(gòu)建最為關(guān)鍵，尤其是復雜地質(zhì)界面的構(gòu)建。數(shù)字地質(zhì)填圖建模直接運用野外填圖路線的B 數(shù)據(jù)（點間界線）和對應的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)拉伸出分段的地質(zhì)界面，再利用GOCAD 軟件中對應的建面方法來完成不同地質(zhì)界面的構(gòu)建，整個流程共可以分為七大步驟：①根據(jù)地表地形數(shù)據(jù)生成地表DEM 面。②將野外路線PRB 數(shù)據(jù)導入GOCAD 軟件，并將PRB 數(shù)據(jù)在Z軸方向上垂直投影到DEM 面上，B（點間界線）投影到地表DEM面后生成分段地表界線軌跡線。③根據(jù)分段地表界線軌跡線及對應的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)生成分段地質(zhì)界面。④生成地質(zhì)界面（過程數(shù)據(jù)）。將同一地質(zhì)界面上的分段地質(zhì)界面轉(zhuǎn)換成點數(shù)據(jù)，并合并在同一個文件中，或者將分段斷層面合并成一個面文件，將合并后的數(shù)據(jù)根據(jù)GOCAD 軟件中建面方法生成新的地質(zhì)界面。⑤生成地質(zhì)界面（結(jié)果數(shù)據(jù)）。對生產(chǎn)好的地質(zhì)界面還可以運用鉆孔等數(shù)據(jù)進行約束、DSI 插值等處理生成符合地下地質(zhì)情況的地質(zhì)界面。⑥根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的地質(zhì)界面組合成面模型。在組合成面模型之前需要對每一個地質(zhì)界面進行錯誤檢查，檢查地質(zhì)界面是否足夠大，不同地質(zhì)界面之間是否密閉，面中是否存在錯誤的三角網(wǎng)。在保證每一個面都正確的情況下，根據(jù)所有的地質(zhì)界面生成一個面模型。⑦根據(jù)面模型生成實體模型（Sgrid 模型）。根據(jù)面模型創(chuàng)建單個地質(zhì)體的區(qū)域（region），根據(jù)region 對Sgrid 模型進行賦屬性，賦完屬性的Sgrid 文件就是體模型。

4 結(jié)論

數(shù)字地質(zhì)填圖建模是在三維地質(zhì)建模GOCAD 軟件平臺上，以數(shù)字地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)中的野外路線PRB 數(shù)據(jù)和野外產(chǎn)狀數(shù)據(jù)為主，地表地形數(shù)據(jù)、鉆孔等數(shù)據(jù)為輔來構(gòu)建的三維地質(zhì)模型。本文通過分析研究GOCAD 軟件中建模的方法與技術(shù)和建模技術(shù)流程，得出了構(gòu)建數(shù)字地質(zhì)填圖三維模型的方法與技術(shù)，為三維地質(zhì)建模提供技術(shù)方法和更深部地質(zhì)的三維建模提供理論基礎(chǔ)。