三維地質建模綜述

韓 灑

（東華理工大學，江西 南昌 330000）

隨著全球經(jīng)濟不斷發(fā)展和各國對礦產(chǎn)資源的利用程度日益增加，資源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為現(xiàn)如今全世界的重要問題，尋找隱伏礦，深部礦成為三維地質建模的發(fā)展趨勢和必然。國際學者依次提出了“數(shù)字礦山”和“玻璃地球”的概念。“數(shù)字礦山”是通過海量數(shù)據(jù)和多種數(shù)據(jù)的融合形成數(shù)字化，網(wǎng)格化，智能化和可視化的技術系統(tǒng)。澳大利亞學者還提出了“玻璃地球”計劃，是在現(xiàn)有的三維地質建模軟件和技術的基礎上，應用地球物理，地質和三維可視化，讓地球深部“透明化”。隨后其他歐美國家也提出了類似計劃并提高目標。與此同時在尋找深部礦和隱伏礦方面以及城市地下管理，三維地質建模技術在實現(xiàn)的基礎上獲得了突飛猛進的發(fā)展，得到了越來越廣泛的應用。

1 三維地質建模國內外的研究現(xiàn)狀

三維地質建模的概念最早是1993年由加拿大Simon W.Houlding提出的，并在1994年出版了圖書《3D Geoscience Modeling》中從計算機技術及地質應用等詳細描述了三維地質建模，之后各國學者進行了深入研究和探討，在基于不同的建模方法及不同方向的應用上取得了豐富的成果，歐美國家相繼提出了地殼探測計劃和一系列深部地質調查計劃，極大地促進了三維地質建模技術和軟件的發(fā)展。如法國J.L.Mallet教授提出了離散光滑插值（DSI）算法，并基于該算法開發(fā)了GOCAD軟件。三維地質建模技術最先在礦產(chǎn)方面得到應用，然后發(fā)展到其他有關領域，如水文地質、城市地質勘探等。研究者們同時也對三維可視化等數(shù)據(jù)結構和方法進行了大量的研究，在提高建模效率和精度，以及更真實的描述地下空間取得了很大進展。我國對三維地質建模相關研究起步較晚始于20世紀80年代末，標志為EarthVision軟件的引入，普及度不高，主要涉及的領域包括：地礦，石油，冶金等。近年來我國研究學者為了能夠更加真實的反映地質構造，對建模數(shù)據(jù)融合以及在相對復雜的模型剖面、邊緣的拓撲結構等進行優(yōu)化。除了在建模技術上的研究發(fā)展，三維地質建模的應用領域也逐漸從傳統(tǒng)的地質礦產(chǎn)到“數(shù)字城市”等，充分利用城市地下空間，為政府管理提供決策依據(jù)。現(xiàn)在三維地質建模技術已經(jīng)逐漸成熟，應用領域廣泛。

2 三維地質建模技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 數(shù)據(jù)結構

國內外學者通過研究已經(jīng)提出了多種數(shù)據(jù)模型，根據(jù)不同的空間情況，側重點不同，在功能方面也有很大差異。近年來大量學者對三維空間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結構進行了深入的研究，可分為以下三種模型。

面模型結構簡單，易于實現(xiàn)，但算法精度誤差，時間復雜度較高。

面模型不能表達地質體內部信息，模型邊緣難以準確描述，對于地質結構復雜的三維曲面的描述較為困難。主要包括格網(wǎng)模型（Grid）、不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）、邊界表示模型（B—Rep）、線框模型（Wire Frame）、參數(shù)化曲面模型、斷面（Section）、和多層DEMs等。

薄楊[1]對三角剖分和模型優(yōu)化進行分析，開發(fā)了三維曲面構造軟件對地質體的邊緣部分進行了模型構造和優(yōu)化，通過限制構圖邊界的方法提升構造速度可用于復雜三維面模型構造。劉順昌[2]等學者利用不規(guī)則三角網(wǎng)表達地層面模型時雖然可以消除數(shù)據(jù)冗余，但網(wǎng)格大小影響建模效率和精度，過大的網(wǎng)格單元可能忽略其中存在的特殊地質構造，使得模型不精確，而過小的網(wǎng)格單元會加大工作量使得建模效率低下。地質體模型的切割分析需要顧及各種復雜的模型要素形態(tài)。

圖1 三維曲面構造軟件構建地質體邊緣模型圖

體模型包括規(guī)則體元和不規(guī)則體元，規(guī)則體元中包括體素模型、實體幾何模型等。非規(guī)則體元中包括四面體格網(wǎng)模型、廣義三棱柱模型等。

齊安文[3]等學者提出了基于偏斜地質鉆孔建模的類三棱柱（ATP）模型，后發(fā)展為廣義三棱柱模型（GTP）。體模型相對于面模型來說可以通過構建體元進行三維建模可以準確表達地質體內部信息，同時具備空間分析能力，其中非規(guī)則三棱柱體元和四面體體元能夠較好地描述出地質體表面和內部的特征，由于四面體結構的不規(guī)則性，對于尖滅、斷層、褶皺等特殊地質構造模擬程度較好。但當數(shù)據(jù)量很大時，運算耗時效率低。

混合模型是指兩個或多個個體模型或面模型，以對同一對象進行三維建模的方式，更適合實際運用。常見的混合模 型 有Octree—TEN、B—Rep與TIN—Section、Wire Frame-Block、B-Rep、與TEN、TIN+Grid模型。為了滿足不同地質構造模型精度的要求，研究人員也提出了新的方法。如尚福華[4]等學者提出了一種新的基于TIN-Octree混合模型的精細三維地質體構建方法，解決了模型不能有效分析地層與斷層之間的形態(tài)和結構。鄒皓[5]基于GRID和TIN的優(yōu)缺點，以時間復雜度和內存開銷為指標提出了GRID和TIN的混合建模模型。

2.2 建模方法

根據(jù)建模數(shù)據(jù)來源可分為以下四種類型，對于各建模方法存在的問題，研究人員也針對這些問題提出了相應的方法。

鉆孔數(shù)據(jù)建模是由Lemonand Jones提出的，對于鉆孔數(shù)據(jù)的增加存在問題建模過程復雜繁瑣，不能將建模成果及時地展示出來的問題，張建芳[6]等學者利用鉆孔數(shù)據(jù)以及三維可視化技術提供了一個成果展示平臺。

對于鉆孔數(shù)據(jù)適用于層狀地質體的建模，在地質體復雜區(qū)建模困難。李璐[7]等學者針對鉆孔數(shù)據(jù)層序不一致影響地層間的拓撲關系，首次引用了鉆孔遞歸思想，逐層構建三維地層模型，使得數(shù)據(jù)不丟失并優(yōu)化地層尖滅等復雜地質構造。李文雅[8]等學者針對邊緣和局部變化大的地質區(qū)域模型和實測誤差大的問題，利用鉆孔數(shù)據(jù)合理搭建了更為精細的地質模型。

對于鉆孔數(shù)據(jù)建模的構造信息不足，或缺少構造信息，無法有效構建模型的問題。余杰[9]等學者開展了提高鉆孔利用率，在技術，經(jīng)濟，社會以及其他方面都得到了較大改善。除此之外，還有很多學者利用鉆孔數(shù)據(jù)取得了不同方向的研究成果。

綜合地質剖面是三維地質建模重要的數(shù)據(jù)源，基于地質剖面的建模方法適用于復雜地質體模型的創(chuàng)建，但建模效率較低且對研究者專業(yè)知識有一定要求。張明明[10]等學者結合地質剖面和鉆孔數(shù)據(jù)，充分利用已有的專家知識，準確刻畫復雜地質體在三維空間的展布情況，在提高建模精度的同時減少人為干預。吳志春[11]等學者著重解決了在模型邊界面，斷層面，地層界面，巖體界面等復雜構造的模型建立，實現(xiàn)任意剖切，屬性值統(tǒng)計分析，深部成礦預測等功能。張寶一[12]等學者也在水運工程，利用無人機記錄艱險地帶以及復雜地質條件下的應用，以及延伸到國土資源應用，城市規(guī)劃，建設等方面。

多源混合數(shù)據(jù)建模精度高，能真實反映復雜地質體在地下三維空間的展布特征。但是多源數(shù)據(jù)融合建模難度大。多源數(shù)據(jù)建模的關鍵是如何將這些數(shù)據(jù)進行有機融合提高建模精度和可靠性。吳志春[13]等學者根據(jù)建模數(shù)據(jù)的精度，深度，分布范圍的不同采用了多種建模方法分層次，分階段建模有效解決了多源數(shù)據(jù)融合難的問題，提高了建模效率和精度。另一方面建模數(shù)據(jù)獲取難，成本，數(shù)量有限，但又得不到充分利用。ZHANG QI[14]等學者提出了一種利用多源地質數(shù)據(jù)和插值理論在不同階段和不同地點進行地質體建模的協(xié)同分析方法。用于構建可視化和分析三維地質模型的地質算法。

物探數(shù)據(jù)建模通常有生成面模型和實體模型兩種方法，實體模型在三維計算和數(shù)字模擬方面的優(yōu)勢明顯。葛藤菲[15]等學者提出了一種基于重磁反演數(shù)據(jù)融合的地下深部巖性智能識別及建模方法，對于深部地質構造的分析和礦產(chǎn)發(fā)現(xiàn)有很好的應用潛力。張海翔[16]在油田開發(fā)和錳礦深部勘查方面，分別利用基于物探數(shù)據(jù)的反演來構造三維地質模型，來實現(xiàn)礦產(chǎn)資源進一步的開發(fā)和預測。但是在反演過程中會對建模精度產(chǎn)生一定的影響，并且網(wǎng)格大小對數(shù)據(jù)處理量和建模精度有很大的影響。

3 三維建模存在的問題

3.1 構模軟件有待更新和開發(fā)

三維地質建模軟件還存在一定的局限性，建模流程也各有不同，專業(yè)性較強，數(shù)據(jù)的更新較為困難，各項數(shù)據(jù)的計算和數(shù)據(jù)之間的銜接都不夠精確，可視化以及數(shù)據(jù)轉換建模數(shù)據(jù)的共享和交換是關鍵的技術問題。同時目前我國建模研究更多使用的是國外的建模軟件，我國軟件的應用和開發(fā)還需完善。

3.2 理論技術還需完善

三維地質建模的理論技術方法仍不完善，缺乏統(tǒng)一流程，高質量建模需要各方面技術人員的經(jīng)驗水平以及互相溝通。

三維地質建模數(shù)據(jù)較難獲取，建模數(shù)據(jù)結構及建模方法有限以及地質構造復雜程度等因素的限制，很多研究還處于探索和嘗試階段，目前對于結構復雜，屬性分布不均勻的復雜地質體的三維可視化建模研究還不夠深入，因此，為了更好地擬合真實地質構造，還需發(fā)現(xiàn)更好的三維地質建模技術和理論。

3.3 模型應用還需探索

隨著我國找礦戰(zhàn)略的改變，深部地質透明化，可視化以及定量化的大數(shù)據(jù)集成運算和信息提取是未來深部礦產(chǎn)勘查的主要發(fā)展趨勢。

同時城市地下作為一種潛在的土地資源，構建城市地下三維地質模型是未來發(fā)展的一個重要方向。但目前，缺乏對城市地下地質結構的全面認知，城市精細化管理還存在效率低，成本高，數(shù)據(jù)獲取及處理等問題，“智慧城市“還有很長的路要走。

4 發(fā)展預測

隨著全球信息技術的研究發(fā)展及對礦產(chǎn)資源的需求，三維地質建模的發(fā)展和廣泛應用可以說是未來地質發(fā)展的必然趨勢。

目前三維地質建模在軟件，技術理論等方面仍然存在不足，之后需要深入探討建模共性，開發(fā)出更加簡單通用的建模軟件，才能夠提高三維地質建模技術的總體水平，進一步促進三維地質建模方法的更大發(fā)展以及三維建模軟件的實用性。

對于深部礦，隱伏礦的預測和模型構建將會更加精確高效，復雜礦體模型的構建精度的要求等日益提高，對三維地質建模技術的進一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。城市地下空間開發(fā)管理也將取得重大進展，為城市水利，交通和能源等方面提供指導性建議，提高城市治理能力以及最終實現(xiàn)“智慧城市”提供重要幫助。