地质空间三维动态建模方法研究

摘 要：针对于地表以下地质空间的研究，三维地质模型是一个可以有效、直接的研究方法。本文从钻孔、剖面和散点三个角度对地质空间三维动态模型进行理论和构建方面的阐述，伴随着三维GIS技术的发展，为地质空间三维动态模型的深入提供了更广阔的前景。

关键词：地质空间；三维；动态建模

中图分类号：P628 文献标识码：A

地质空间三维动态建模研究是近些年的研究热点，同时，也是难点之一。按照数据来源可以分为四类，即基于剖面、散点、钻孔和多源数据的建模方法。按照技术层次分为五个阶段，分别是可视化阶段、度量阶段、分析阶段、更新阶段和时态构模阶段，其中前三种为静态阶段，后两个阶段为动态阶段。以多源数据为基础的三维地质动态模型可以通过转化为前三种方法进行分析，所以本文主要讨论剖面、散点和钻孔三种动态建模方法。

1 基于钻孔的动态建模方法

钻孔数据是地质数据中最基本的数据，获取方法也较为简单，直接观察和地下取样即可；同事，钻孔数据也是构建几何模型中不可缺少的原始数据。由于钻孔数据的重要性，基于钻孔的地质三维动态建模也成为了众多动态建模方法中的基础。

1.1 研究进展

在三维地质建模方面的研究中，国内外已经研发了多种建模软件，如国外的地质建模软件GOCAD、多角度立体视觉三维技术MVS 、三维设计软件MicroStation 以及大型三维数据化矿山软件Geovia Surpac；国内的模型主要有三维地学可视化信息系统GeoView、真三维地质模型GeoMo 3D、三维地质建模软件Titan 3DM等等。此后，相继出现了构造-地层格架三维可视化数值模拟、三维岩土工程地基模型、三棱柱模型、Horizon建模方法等研究方法。但以上方法多为基于钻孔的静态交互模型，而本文将主要讨论基于钻孔的动态建模方法。

1.2 地质专控的可视化表达

不同的模型需要的钻孔数据不同，但是对于本文研究中的地质三维动态建模方法中，将钻孔数据分为孔段、钻孔以及钻孔群，加之两个辅助地层对象构成BoreModel钻孔模型。在建模过程中，所有钻孔都将先被归为BoreModel钻孔模型，这也是所有钻孔建模方法的基础。钻孔数据的存放形式是关系型数据库，通常采用Excel和Access、以及SQL Server和Oracle等软件进行存储与管理。钻孔一共有钻孔柱状图、三维的线划表示以及三维立体表示等三种图形表达方式。

1.3 基于钻孔的动态建模方法

利用GeoView 3D软件完成地质空间三维动态模型的构建。钻孔群为多种钻孔数据格式提供了读取的功能，生成的钻孔群里面包含多个钻孔，每个钻孔中又含有多个孔段，孔段的排列在前的为上层的地层，在后的为下层的地层。并根据全球范围的地层序列建立了一个标准的连续地层序列。在实际使用时，可以进行更加详细的划分。该序列为地层层面的构建提供了理论依据。结合地层序列的数据，通过插值法获取的钻孔集合构建地层层面模型。在建模时，要考虑研究区周边的钻孔，也需要将其作为建模的基础数据。约束条件为地质体表面，同时，在地质体内进行了限定网格剖分，然后调整网格的密度简化，从而形成三维地质体。

2 基于剖面的动态建模方法

2.1 研究进展

基于剖面的建模方法属于三维重建方法，应用最为广泛。20世纪70年代，基于剖面的技术被应用于地质方面。之后，Meyres将基于剖面的建模方法归纳为对应问题、构网问题、分支问题和光滑问题等四个子问题。此时的研究多为静态模型。随后，三维地质体动态建模方法从数据结构向地质知识的表述与应用。

2.2 非共面地质剖面数据结构

地质体建模的主要数据来源之一就是剖面，而且，都是一种非共面曲面，其拓扑关系主要通过结点、线、区以及面四个部分，而且设置SectSeries作为管理非共面地质剖面的序列。利用TopoModel实现剖面上的2.5维拓扑关系，随即可得到三维的空间曲面拓扑关系。

2.3 基于剖面的三维地质体动态重构算法

通过曲面2.5维拓扑关系构建，为下一步进行拓扑推理提供基础。然后通过把剖面对比问题转换成拓扑推理问题，将剖面中所有多边形按照推理计算，然后，完成无拓扑变化情况、地层尖灭情况、地层分叉情况以及含断层情况的拓扑推理与建模，进行有效的动态重构。

3 基于散点的动态建模方法

基于散点的动态建模方法的实质是网格剖分技术的问题。

3.1 研究进展

网格剖分始于20世纪50年代的有限元分析，研究技术也从人工剖分转换至网格自动剖分，此后，二维三角网和三维四面体网格剖分技术开始逐渐引起人们的重视。而国内从90年代才开始关于网格剖分方面的研究。

3.2 基于散点剖分的三维地质体动态重构算法

要先将钻孔和剖面等数据进行离散插值，然后将已经分类的地质年代计算每类点集的最小凸包，经过年代顺序相互循环剪裁、剖分之后，进行模型拓扑关系的建立与模型面片与体元的简化，从而构建以GeoModel为基础的基于限定散点集的三维地质体自动重构算法。

目前，对已地质空间的三维动态建模方法还存在很多的不足，但是随着三维GIS的不断发展与应用，将会在三维地质建模的可视化与深化研究方面提供更好的技术支撑。

参考文献

[1]刘彦花，吴湘滨，叶国华.三维地质建模与可视化[J].科技导报，2009，27（05）：96-101.

[2]翁正平，何珍文，毛小平，李章林，等.三维可视化动态地质建模系统研发与应用[J].地质科技情报，2012，31（06）：59-66.