三維地質建模軟件發展現狀及問題探討

李青元，張麗云，魏占營，孫黎明

(1.中國測繪科學研究院地理信息工程重點實驗室，北京 100830;2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

0 引言

隨著地學信息化的發展，數學地質正向“數字地質”發展(趙鵬大，2012)。筆者認為三維地質建模軟件將是“數字地質”的精髓與核心。三維地質建模是指采用適當的數據結構在計算機中建立能反映地質構造的形態和各要素之間關系以及地質體物理、化學屬性空間分布等地質特征的數學模型(吳建生等，2004)。從大類上講，三維地質建模軟件是地理信息系統的一個分支，三維地質建模主要關心地下，它與關注地上的三維GIS的應用領域與實現技術有很大的不同。近年來，國內三維地質建模軟件發展快速、功能穩步提高，但軟件研發與應用中還存在很多顯現與潛在的問題，希望促進工程地質界積極使用三維地質建模軟件，同時促使軟件開發者盡快提高產品質量，走上快速、健康的發展之路，對目前國內三維地質建模軟件的發展現狀及幾個問題進行討論，希望能促進國內三維地質建模軟件廠商與用戶的雙贏。

1 三維地質建模軟件發展概況

三維地質建模軟件從20世紀70年代開始發展，已經走過近40年的歷史，國內外有不少人士與團體為此進行了鍥而不舍的努力。下面是這些努力所產生的產品概況。

1.1 發達國家三維地質建模軟件發展概況

發達國家自20世紀70年代開始三維地質建模軟件的研發，在90年代有穩定的產品問世，并不斷發展、成熟。主要產品見表1。

經過多年的發展，這些國外的三維地質建模軟件產品在功能上都比較穩定與成熟，但全英文的操作界面和高昂的軟件使用費用使其在中國的推廣遇到困難。近年來，一些國外軟件，例如Surpac、Micromine等在中國尋找代理推廣其產品并提供漢化界面和售后技術支持，使得這些國外產品在中國占有越來越多的市場份額。

1.2 國內三維地質建模軟件發展概況

國內從20世紀90年代開始就不斷地有人研究三維地質建模軟件的核心理論與技術(吳沖龍等，2001;毛善君，2002;程朋根等，2004;楊欣，2005;劉修國等，2006;王李管等，2006;金江軍等，2007;吳立新等，2007;朱良峰等，2008;鄧飛等，2009;陳國旭等，2010;鄒偉等，2010;孫莉等，2011;陳志軍等，2012)。很多年內，中國一直未有像樣的三維地質建模軟件產品出現，近幾年這種局面有所改變。國內此類產品的概況見表2。

表1 國外主要三維地質建模軟件產品

表2 中國主要三維地質建模軟件產品

這些國產三維地質建模軟件，雖然與國際先進產品相比仍然存在差距，但近年來發展迅速，大多已具備地下三維地質建模功能，能夠滿足大多數三維地質建模的應用需求。

2 三維地質建模軟件應用領域

三維地質建模軟件在下列領域具有重要的應用價值。

2.1 礦產資源勘探

礦產資源勘探領域是最需要三維地質建模軟件的領域之一。礦產資源勘探工程所探測的深度達幾百米，甚至上千米，野外施工費用極其高昂，三維地質建模軟件能夠幫助地質工程師將這些花了高昂代價獲得的勘探資料以超出傳統的靜態平面圖、剖面圖的方式很好地進行展示，能提高地質解釋的精準度，幫助礦業投資者快速、直觀地建立起礦藏的三維空間形態，把握其投資的風險。

2.2 礦山規劃、設計與開采

礦山的規劃、設計與開采部門希望地質勘探單位最好能直接提供數字化、信息化的地質報告，免去他們再次三維建模的重復勞動和可能帶來的精度損失。數字礦山離不開三維地質建模(吳立新等，2003)，是礦產資源勘探三維地質建模的延續使用。隨著近年來礦山經濟效益的好轉和國家對礦山安全的重視，礦山企業都能拿出錢來支持數字礦山建設。因為礦山開采領域對數字礦山的資金支持力度大，目前國內三維地質建模軟件的廠商大多集中在數字礦山領域。

2.3 工程地質勘察

工程地質勘察的目的是查明工程建筑施工中的地質問題。工程地質勘察的情況不清楚，將導致施工建筑的后期災難。很多建筑工程通常耗資巨大，需使用維護幾十年甚至上百年，很多工程的安危關乎到一個地區民眾的生命，工程地質勘察的重要性不言而喻。工程地質勘探的成果需要對研究區的地下基巖、松散層的巖性、產狀、空間分布情況進行詳細的勘探與精確地三維表達。三維地質建模能以很小的投入，明顯地提升勘探工程項目的整體水平。

2.4 城市地下空間管理

傳統的城市規劃部門主要關心地面之上的空間規劃與管理。隨著城市發展，地面空間資源短缺，除了向上發展，樓房越蓋越高外，另一個出路就是向下發展，越高的樓群其地下部分也越深，高樓的停車場一般都建在地下，有的將商場也移至地下。大城市有很多高樓群的地下幾十米空間都已被使用，這些已被使用的空間對于地鐵線路的規劃等工程項目需要避讓。以前的數字城市建設項目中對于地下空間的考慮大多不夠充分，現在城市規劃部門已經要求在數字城市建設中將城市地下幾十米空間的基巖、松散層和建筑物的空間分布情況進行表達，這就需要用到三維地質建模軟件作為數字城市的地下部分的補充。

2.5 城市地下水管理與地下水污染情況監測

很多城市的生活用水依賴于地下水，隨著用水量的增 加，城市地下水漏斗越來越大。同時，很多排污河流的污水通過各種漏洞進入城市地下水系統，污染地下水源。城市地下水抽取的監管與地下水污染的監測關系到城市的興衰存亡與人民的生活質量。城市地下水抽取的監管與地下水污染的監測需要對城市地下幾十米甚至幾百米空間范圍的基巖、松散層的巖性、隔水性、透水性的透徹了解與直觀、清楚的真三維表達。對地下巖性、含水性的了解與監測需要各種探測鉆孔以及電法、地震等物探手段，對地下水的監測需要各種監測孔的取樣監測，對這些信息的精準表達需要用到三維地質建模。

3 三維地質建模的功效

地質工程師的日常工作就是與三維地質模型打交道。所以，地質工程師只要瞄上一眼，就會知道三維地質建模軟件能夠幫助他們做好哪些工作。

3.1 快速直觀地在大腦中建立勘探區的三維地質模型

比起傳統的平面圖、剖面圖來，三維地質建模軟件制作的計算機三維地質模型能更快速、更直觀地向地質工程師、領導與客戶展示研究區地質體的三維空間形態與展布規律。使用戶能直觀地看到斷層對地層、礦層的切割關系，并且可以采用改變觀測的角度，關閉不重要的層位，不同界面著不同顏色，顏色深淺反映高程變化等多種手段增 強對三維模型的空間關系的表達，達到常規手段難以達到的效果，給觀測者留下深刻的視覺效果，看一眼就能立即在大腦中建立起研究區的三維地質模型。

3.2 檢查原始數據的正確性

在地質勘探中經常會同時使用鉆探、電法、重磁、人工地震等多種勘探方法進行勘探，不同的手段得到的界面數據經常會有矛盾。人工對比這些不同方法的勘探結果既費時、費力又容易出錯。在三維地質建模軟件上可以用多種方法幫助地質工程師檢查數據的一致性。例如，用不同的顏色(或半透明的方法)顯示不同方法得出的同一界面，很容易檢測出不同方法的矛盾之處(圖1)，地質工程師可以在這些標出的地段進行重點檢查與修改。

圖1 不同方法探測的同一界面的不一致之處示意圖

3.3 通過各種“虛擬切割”手段檢查各種地質要素間的相互關系

虛擬切割功能是三維地質建模軟件區別于普通三維GIS軟件的試金石(王占剛等，2007;朱經緯，2007;李青元等，2008;陳志軍等，2012)。地質、采礦工程師可以通過這些虛擬切割來“看”到地質體的內部結構，檢查斷層與各地質界面、地質體的切割關系。虛擬切割包括切制垂直剖面(圖2)、2組交叉的垂直剖面(籬笆圖)(圖3)、水平切面(圖4)、折垂直剖面(圖5)、3十字交叉剖面(圖6)等多種方法。

圖2 1組垂直剖面

圖3 1組水平切面

圖4 2組交叉的垂直剖面構成的籬笆圖

圖5 折垂直剖面

圖6 可鼠標拖動的3十字交叉剖面

4 三維地質建模軟件發展中的問題分析

目前，國內三維地質建模軟件雖然發展趨勢向好，但也還存在很多顯現的與潛在的問題。

4.1 軟件開發模式

國內三維建模軟件早期的理論、技術研究與原型系統開發大多源自高校與研究所，往往有國家項目支持，這些研究雖然在一些理論與關鍵技術上有所建樹，也培養了人才，形成了原型系統，但這些原型系統與產品之間還有很長的距離，如果沒有持續的后續投入，往往很難發展成為可用的產品。由于三維地質建模軟件的開發難度很大，進入的門檻很高，這些原型系統的主創者往往是對三維地質建模有非常濃厚興趣的個人，如果這個研發者職位高升，這個項目可能就會無疾而終。

成熟的軟件產品還需要在營銷、文檔、技術支持、后續的升級維護等無數瑣碎的事情上下功夫才能走向成功，而這后面的瑣碎常常是軟件高才不愿做的(確實也不該由他們來做)。因此很多人認為真正的軟件產品需要由公司來開發，公司的一大群人靠著這個產品吃飯，高低搭配、各盡其能、破釜沉舟才可能成功。國內外做得好的軟件產品往往都是由高校、研究院取得原型系統的技術積累后適時地轉入公司機制才獲得成功的。

4.2 開源的三維基礎庫的選擇

合理地使用開源的三維基礎軟件庫可以減少開發難度，減少開發者在三角剖分、三維切割等基礎算法上的精力投入，更多地專注于專業功能的開發。下面是目前地下三維GIS開發中比較常用的一些開源資源(表3)。

表3 三維地質建模軟件的特點與應用領域

這些開源資源雖然都提供源代碼，但很少有人能在一個項目中同時使用幾個不同的開源資源，因為這些開源代碼的各個模塊之間還是有一定的依賴關系，因此，如何合理地選擇開源資源，成了擺在軟件研發者面前的一個難題，需要軟件開發者對各種開源庫有一個大致的了解，并根據自身軟件的定位與已有基礎合理選擇。另外，使用一些付費的三維開發工具，例如HOOP/3dAF，也是快速地實現高質量產品開發的捷徑。

4.3 三維數據模型標準

三維地質三維建模的數據標準是地理信息數據產品中標準最不成熟的部分。目前的三維建模數據標準主要來自于計算機三維幾何造型領域，比較常用的有以下幾種(表4)。

表4 三維數據模型標準

上述三維建模標準主要是面向機械零件、建筑等較為規整的三維模型，而對于不規則的地質體建模現在還沒有權威且被廣泛使用的數據標準。由于缺乏地質三維建模的數據標準，使得國際、國內三維地質建模軟件產品的數據兼容性差，這是一個亟待解決的問題。

4.4 勘探規范沒有要求三維地質建模

影響三維地質建模軟件推廣、應用的一個重要因素是目前的勘探規范，無論是礦產資源勘探規范還是工程地質勘探規范，都沒要求提交計算機三維地質建模成果，既然規范沒有要求，勘探單位就沒有使用三維地質建模軟件的積極性，除非是甲方提出要求。發達國家的地質勘探項目的甲方一般都要求勘探項目承擔方在勘探成果中提供三維建模成果，沒有這一成果項目不予驗收，這促使勘探單位使用三維建模軟件。我國相關主管部門應該積極借鑒國外的有關經驗，積極探索在將來的勘探規范中增 加三維建模的要求。

4.5 二三維聯動編輯

在目前勘探規范中沒有要求三維地質建模的情況下，軟件開發商在設計三維地質建模軟件時就應更多地考慮該軟件能為地質報告的編制帶來更多的便利，即更多地考慮二維平面圖、剖面圖、三維圖的一體化與聯動編輯。二三維一體化已為GIS與三維地質建模界所重視(陳國旭等，2010;陳志軍等，2012;顧麗影等，2012)。二三維聯動也為GIS界所討論(萬幼等，2008;程海洋等，2010)。GIS界所討論的二三維聯動只是顯示范圍的聯動對應。筆者在這里要強調的是對三維模型的二三維聯動編輯修改，也可稱為“平、剖面聯動修改”，即修改平面圖(例如用戶鼠標拖動平面圖某界面的等高線)后，剖面圖上的該界面的切界以及三維圖上該界面的形態應自動更新，反之亦然。在地質工程師所處理的平面圖、剖面圖的背后存在著一個起支配作用的三維模型。平面圖、剖面圖上的地質界線必須符合三維地質模型的切割、投影規律。要實現二三維聯動編輯，就要求模型中地質界面的曲面表達是基于等高線(Li et al，2011)，而目前大多數三維地質建模軟件中等高線只是基于TIN表達的曲面的附屬，這需要三維地質建模軟件開發者尋找新的思路。三維地質建模軟件應該做到即便在地質勘探標準、規范中沒有增 加三維建模要求的條件下，地質工程師們也樂意使用三維地質建模軟件去幫助他們完成日常工作，使三維地質建模軟件成為地質工程師們日常工作中得心應手的工具與助手。

4.6 潛在用戶與盈利模式

三維地質建模軟件的應用領域是一個非常獨特的領域，一方面大家都認為這是一個很有發展前景的應用領域，從近年來每年全國都有大量的碩士、博士生選擇三維地質建模軟件開發關鍵技術或應用作為其論文選題就可以證明這一點。這些碩士、博士畢業后很多都會繼續在這一領域探索。但同時，很多進入這一領域的公司確實感受到在這個領域很難生存，他們發現，三維地質建模軟件的開發難度遠大于地上三維GIS軟件的開發難度，但用戶卻少得多，就是這很少的潛在用戶也很少愿意在三維建模方面投入經費，而持觀望態度。沒有足夠的訂單，研發無法維持，廠商只得退出。用戶持觀望態度，一方面說明三維地質建模軟件還不夠成熟，軟件開發商需要臥薪嘗膽把自己的產品做好，同時需要國家在政策上給予一定的激勵與優惠政策。但中國已經不可逆轉地走上市場化的發展道路，特殊的保護政策已經為WTO規則所不允許，操作界面語言的障礙也阻擋不了多久，洋產品最終是會進來的。與狼共舞是中國軟件廠商必須做好的精神準備。不過，好在本土的軟件企業具有貼近用戶、具有一定的成本優勢，加之國內地下三維建模的應用領域如此之多，一個廠商只要在一個專業領域做深、做精，把自己的產品做好，為用戶服務好，就會有他們的生存空間。

5 結論

在地質勘探、地下工程的眾多應用領域，與二維CAD/GIS軟件相比，三維地質建模軟件比起能夠給用戶帶來更方便、精準的三維模型處理功能。以很小的投入，明顯地提高工作的質量與速度，提升工程的整體水平。

國產三維地質建模軟件經過近20年的研究、探索與產業化，在最近幾年總體已經達到可用的水平，能夠滿足大多數用戶的日常工作需求，國內用戶可以放心地選用。

國產三維地質建模軟件與國際最先進的同類產品相比仍然存在差距，與用戶的希望仍然存在差距，國內三維地質建模軟件廠商任重道遠。

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