地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)建模方法研究

張寧++孫紀(jì)萍++郭嘉琨

摘 要：針對(duì)于地表以下地質(zhì)空間的研究，三維地質(zhì)模型是一個(gè)可以有效、直接的研究方法。本文從鉆孔、剖面和散點(diǎn)三個(gè)角度對(duì)地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行理論和構(gòu)建方面的闡述，伴隨著三維GIS技術(shù)的發(fā)展，為地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)模型的深入提供了更廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)空間；三維；動(dòng)態(tài)建模

中圖分類號(hào)：P628 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)建模研究是近些年的研究熱點(diǎn)，同時(shí)，也是難點(diǎn)之一。按照數(shù)據(jù)來(lái)源可以分為四類，即基于剖面、散點(diǎn)、鉆孔和多源數(shù)據(jù)的建模方法。按照技術(shù)層次分為五個(gè)階段，分別是可視化階段、度量階段、分析階段、更新階段和時(shí)態(tài)構(gòu)模階段，其中前三種為靜態(tài)階段，后兩個(gè)階段為動(dòng)態(tài)階段。以多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)模型可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為前三種方法進(jìn)行分析，所以本文主要討論剖面、散點(diǎn)和鉆孔三種動(dòng)態(tài)建模方法。

1 基于鉆孔的動(dòng)態(tài)建模方法

鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)數(shù)據(jù)中最基本的數(shù)據(jù)，獲取方法也較為簡(jiǎn)單，直接觀察和地下取樣即可；同事，鉆孔數(shù)據(jù)也是構(gòu)建幾何模型中不可缺少的原始數(shù)據(jù)。由于鉆孔數(shù)據(jù)的重要性，基于鉆孔的地質(zhì)三維動(dòng)態(tài)建模也成為了眾多動(dòng)態(tài)建模方法中的基礎(chǔ)。

1.1 研究進(jìn)展

在三維地質(zhì)建模方面的研究中，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了多種建模軟件，如國(guó)外的地質(zhì)建模軟件GOCAD、多角度立體視覺(jué)三維技術(shù)MVS 、三維設(shè)計(jì)軟件MicroStation 以及大型三維數(shù)據(jù)化礦山軟件Geovia Surpac；國(guó)內(nèi)的模型主要有三維地學(xué)可視化信息系統(tǒng)GeoView、真三維地質(zhì)模型GeoMo 3D、三維地質(zhì)建模軟件Titan 3DM等等。此后，相繼出現(xiàn)了構(gòu)造-地層格架三維可視化數(shù)值模擬、三維巖土工程地基模型、三棱柱模型、Horizon建模方法等研究方法。但以上方法多為基于鉆孔的靜態(tài)交互模型，而本文將主要討論基于鉆孔的動(dòng)態(tài)建模方法。

1.2 地質(zhì)?？氐目梢暬磉_(dá)

不同的模型需要的鉆孔數(shù)據(jù)不同，但是對(duì)于本文研究中的地質(zhì)三維動(dòng)態(tài)建模方法中，將鉆孔數(shù)據(jù)分為孔段、鉆孔以及鉆孔群，加之兩個(gè)輔助地層對(duì)象構(gòu)成BoreModel鉆孔模型。在建模過(guò)程中，所有鉆孔都將先被歸為BoreModel鉆孔模型，這也是所有鉆孔建模方法的基礎(chǔ)。鉆孔數(shù)據(jù)的存放形式是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，通常采用Excel和Access、以及SQL Server和Oracle等軟件進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。鉆孔一共有鉆孔柱狀圖、三維的線劃表示以及三維立體表示等三種圖形表達(dá)方式。

1.3 基于鉆孔的動(dòng)態(tài)建模方法

利用GeoView 3D軟件完成地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建。鉆孔群為多種鉆孔數(shù)據(jù)格式提供了讀取的功能，生成的鉆孔群里面包含多個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔中又含有多個(gè)孔段，孔段的排列在前的為上層的地層，在后的為下層的地層。并根據(jù)全球范圍的地層序列建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)地層序列。在實(shí)際使用時(shí)，可以進(jìn)行更加詳細(xì)的劃分。該序列為地層層面的構(gòu)建提供了理論依據(jù)。結(jié)合地層序列的數(shù)據(jù)，通過(guò)插值法獲取的鉆孔集合構(gòu)建地層層面模型。在建模時(shí)，要考慮研究區(qū)周邊的鉆孔，也需要將其作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。約束條件為地質(zhì)體表面，同時(shí)，在地質(zhì)體內(nèi)進(jìn)行了限定網(wǎng)格剖分，然后調(diào)整網(wǎng)格的密度簡(jiǎn)化，從而形成三維地質(zhì)體。

2 基于剖面的動(dòng)態(tài)建模方法

2.1 研究進(jìn)展

基于剖面的建模方法屬于三維重建方法，應(yīng)用最為廣泛。20世紀(jì)70年代，基于剖面的技術(shù)被應(yīng)用于地質(zhì)方面。之后，Meyres將基于剖面的建模方法歸納為對(duì)應(yīng)問(wèn)題、構(gòu)網(wǎng)問(wèn)題、分支問(wèn)題和光滑問(wèn)題等四個(gè)子問(wèn)題。此時(shí)的研究多為靜態(tài)模型。隨后，三維地質(zhì)體動(dòng)態(tài)建模方法從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向地質(zhì)知識(shí)的表述與應(yīng)用。

2.2 非共面地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地質(zhì)體建模的主要數(shù)據(jù)來(lái)源之一就是剖面，而且，都是一種非共面曲面，其拓?fù)潢P(guān)系主要通過(guò)結(jié)點(diǎn)、線、區(qū)以及面四個(gè)部分，而且設(shè)置SectSeries作為管理非共面地質(zhì)剖面的序列。利用TopoModel實(shí)現(xiàn)剖面上的2.5維拓?fù)潢P(guān)系，隨即可得到三維的空間曲面拓?fù)潢P(guān)系。

2.3 基于剖面的三維地質(zhì)體動(dòng)態(tài)重構(gòu)算法

通過(guò)曲面2.5維拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建，為下一步進(jìn)行拓?fù)渫评硖峁┗A(chǔ)。然后通過(guò)把剖面對(duì)比問(wèn)題轉(zhuǎn)換成拓?fù)渫评韱?wèn)題，將剖面中所有多邊形按照推理計(jì)算，然后，完成無(wú)拓?fù)渥兓闆r、地層尖滅情況、地層分叉情況以及含斷層情況的拓?fù)渫评砼c建模，進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

3 基于散點(diǎn)的動(dòng)態(tài)建模方法

基于散點(diǎn)的動(dòng)態(tài)建模方法的實(shí)質(zhì)是網(wǎng)格剖分技術(shù)的問(wèn)題。

3.1 研究進(jìn)展

網(wǎng)格剖分始于20世紀(jì)50年代的有限元分析，研究技術(shù)也從人工剖分轉(zhuǎn)換至網(wǎng)格自動(dòng)剖分，此后，二維三角網(wǎng)和三維四面體網(wǎng)格剖分技術(shù)開(kāi)始逐漸引起人們的重視。而國(guó)內(nèi)從90年代才開(kāi)始關(guān)于網(wǎng)格剖分方面的研究。

3.2 基于散點(diǎn)剖分的三維地質(zhì)體動(dòng)態(tài)重構(gòu)算法

要先將鉆孔和剖面等數(shù)據(jù)進(jìn)行離散插值，然后將已經(jīng)分類的地質(zhì)年代計(jì)算每類點(diǎn)集的最小凸包，經(jīng)過(guò)年代順序相互循環(huán)剪裁、剖分之后，進(jìn)行模型拓?fù)潢P(guān)系的建立與模型面片與體元的簡(jiǎn)化，從而構(gòu)建以GeoModel為基礎(chǔ)的基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)算法。

目前，對(duì)已地質(zhì)空間的三維動(dòng)態(tài)建模方法還存在很多的不足，但是隨著三維GIS的不斷發(fā)展與應(yīng)用，將會(huì)在三維地質(zhì)建模的可視化與深化研究方面提供更好的技術(shù)支撐。

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