三维地质建模技术研究

明 镜

(重庆市勘测院,重庆 400020）

三维地质建模技术研究

明 镜

(重庆市勘测院,重庆 400020）

为研究三维地质建模的基本理论、发展现状及未来,该文回顾了三维地质建模产生的历史背景,阐述了三维地质建模流程,从矢(栅）属性、空间尺度、时间维度、拓扑一致性等方面对其进行了分类,并探讨三维地质建模在石油、地下水模拟、数字矿山、城市地质、岩土工程等领域中的应用。在研究三维地质建模方法和国内外软件的基础上,分析了其难点及关键技术;对三维地质建模进行了综合定义,并总结了三维地质建模亟待突破的研究方向。

三维地质建模;应用领域;关键技术

在地质构造复杂的大型工程中,地质信息众多,面对大量的二维图件资料,普通地质工作者难以全面、准确地理解整体地质情况,难免为工程设计与施工带来困难与失误。而且,地质信息和地质现象本质上是三维的,需要借助三维地质建模和可视化,才可能更加直观地分析并解决真实地质问题[1-5]。

“数字地球”、“数字中国”战略的实施[6-8],迫切需要能够进行真三维操作的 GIS和地学模拟软件。在“数字地球”研究不断深入以及“地球空间信息科学”蓬勃发展的背景下,三维地质建模技术已成为地球科学与信息科学交叉领域的研究热点。作为 GIS在地质研究中的一项应用,三维地质建模于1994年被提出[9];随着计算机软硬件技术的不断发展和GIS理论研究的不断深入,三维地质建模的研究有了较为坚实的技术和理论基础。

三维地质建模以各种原始数据(包括钻孔、剖面、地震数据、等深图、地质图、地形图、物探数据、化探数据、工程勘察数据、水文监测数据等）为基础,建立能够反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型。通过适当的可视化方式,该数字化模型能够展现虚拟的真实地质环境,更重要的是,基于模型的数值模拟和空间分析,能够辅助用户进行科学决策和规避风险。

1 三维地质建模流程

三维地质建模(图1）是从现场的地质调查数据出发,建立两大类地质模型。第一类是通过对原始数据的地质解释,得到能够描述构造和地层的基本特征的模型,即构造模型(结构模型）,在此基础上可以进行若干的空间分析。第二类也是利用原始数据,通过各种分析预测方法,建立能够描述各种地质变量空间变化规律的模型,即属性模型;在属性模型的建立过程中,也可以利用构造模型对其进行地质控制和地质约束;以属性模型为基础,也可以开展空间分析应用。

图1 三维地质建模的一般过程[9]Fig.1 General flow of three-dimensionalmodeling

在三维地质建模的完整流程(图2）中,根据不同的应用领域和问题描述,将原始数据抽象提取为空间数据和属性数据两大类:空间数据用于建立几何模型(结构模型）,刻画模型的空间形态,其作为一个基础的地质构造框架;属性数据用于建立预测模型(属性模型）,反映某个地质变量在空间内的变化。几何模型和预测模型需要互相配合才能更好地完成三维地质模型的构建:几何模型通过自身的体元分解(离散化）,将自身细化后形成的体元作为预测模型中属性值的空间载体,以弥补几何模型不能刻画地质体内部非均一性的不足;预测模型通过对已知采样点的插值计算(预测）未采样空间的属性值,但需要几何模型对其提供控制和约束。几何模型和预测模型将通过多种科学可视化方式展现给用户,其有助于用户解释和理解实际地质问题。

2 三维地质建模分类

按照不同的分类依据,三维地质建模分类如下: 1）根据矢量数据和栅格数据的本质区别,三维地质建模可分为结构建模和属性建模。结构建模用于表达地层、断层等地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系,其结果用矢量数据存储,等同于图2中的几何模型;属性建模侧重于地质体内部属性非均一性的表达,反映地质体内某一类物化属性特征值在三维空间中的分布情况,其结果用栅格数据存储,等同于图2中的预测模型。结构建模不能刻画地质体内部的非均一性(属性建模可以）,结构建模和属性建模也可称为表面建模和内部建模,在石油领域也称作构造建模和储层建模。2）根据建模对象的空间尺度,三维地质建模可分为构造区域建模、矿区建模、地质露头建模等宏观建模和对岩石中的化石或矿物进行模拟的微观建模[11,12]。3）根据对时间维的不同处理,三维地质建模可分为静态建模和动态建模。静态建模中时间不变,模型只是用于刻画对象在某一时刻的静态特征;动态建模则用于模拟对象在一段时间内的连续变化,如地下水流模拟、污染物扩散模拟等。4）根据建模结果中几何模型之间拓扑是否一致,三维地质建模可分为拓扑不一致建模和拓扑一致建模。几何模型中的地质界面用三角面网加以表达,拓扑不一致建模结果中,面网之间的拓扑不一致,建模结果仅能够用于可视化表达地质界面和地质体的空间形态和构造关系;拓扑一致建模结果中,面网之间的拓扑一致,建模结果不仅用于可视化,还能整体进行拓扑一致的体元剖分并进行有限元分析和数值模拟等应用。5）根据建模对象的数目,三维地质建模可分为单体建模和多体建模。单体建模只对单一的地质体进行模拟;多体建模需要对两个或两个以上的地质体进行模拟,并且需要保证多个地质体之间的拓扑一致性。6）根据建模对象是否存在多值现象,三维地质建模可分为单值建模和多值建模。在三维直角坐标系中,如果某个对象所有三维坐标中存在一个(X,Y）坐标对应多个 Z坐标,则称其为多值,反之为单值。倒转褶皱就是一个典型的多值现象。

3 三维地质建模方法

现实世界对三维地质建模方法和软件有着强烈需求。然而,目前对真三维数据的获取比较困难,三维地质模型更多的是采用低维的数据生成[13-19],多种三维地质建模方法相继被提出,如:基于钻孔的建模[14],基于三棱柱[20]、似三棱柱[21,22]或广义三棱柱[23,24]的建模,基于平行剖面的建模[13,25],非层状地质体建模[26],基于曲面的建模[27,28],基于多源数据的建模[2,3],等等。其中,基于钻孔的建模虽然可以完成对层状地质体的模拟,但不能解决含有断层的地质建模;三棱柱相关建模方法在面对稍微复杂的断层时无能为力。非层状地质体建模方法虽然可以模拟具有复杂几何形态的地质体(如矿体）,但它只适于对单个或几个地质体建模,如果利用它建立大量地质体的模型,工作量和难度将难以接受,而且难以保证各个体之间的数据一致性。曲面建模方法[27]利用贝塞尔曲面和NURBS曲面展现地质构造界面,基于多源数据的建模方法同样需要整合各种数据以建立各个地质界面,然后构造地质体模型;此类方法虽然能够建立复杂地质模型,但需要大量的用户交互,自动化程度较低,且模型的更新难度较大。基于平行剖面的建模方法是通过相邻剖面之间对应的轮廓线连接构网来模拟地质体的形态,它一般用于单体建模,在遇到较复杂的地质情况时,剖面之间轮廓线的对应可能会出现困难。因此,在进行三维地质建模时,必须根据具体的地质情况选取合适的三维地质建模方法。

4 三维地质建模软件

目前国内外已经出现了多种结合不同专业开发的三维地质建模软件。20世纪80年代以来,以美国、加拿大、澳大利亚、英国、法国等为代表的西方发达国家相继推出各种三维地质建模软件,比较有影响的有 GOCAD、Petrel、Geomodeller3D、GSI3D、C Tech、Earthvision、Vulcan、M icromine等,这些软件涉及地震勘探、石油开采、地下水模拟、矿体模拟、矿产资源评估、开采评估、设计规划、生产管理等众多专业领域。然而,这些商业化程度较高的软件往往价格昂贵。国内的三维地质建模软件主要有 GSIS、GeoView、GeoMo3D、理正地质 GIS、Titan T3M、VRMine、MAPGIS-TDE、3-D Grid和深探地学建模软件等。与国外相比,国内三维建模软件的研发还处在探索阶段,产品尚不成熟,并且商业化程度很低。国家自然科学基金委员会近年来加大了对地学领域可视化建模的研究,先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研究”、“油储地球物理理论与三维地质图像成图方法”、“地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”等项目[29]。从近期发表的大量关于三维地质可视化建模的论文可以看出,三维地质建模软件的研发已成为国内地学领域的一大研究热点,促进了国内三维地质建模技术及软件的发展。

5 应用领域

三维地质建模目前广泛地应用于石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、城市地质、岩土工程等领域。

石油领域是三维地质建模应用最为成功的领域之一,如 GOCAD、Petrel、GeoModeler3D、Earthvision等出色建模软件的开发。石油勘探领域的原始数据较为丰富,三维地质建模有助于建立反映地下地质构造的模型,辅助用户理解和认识地质构造情况,分析有利于形成油气藏的区域,从而设计进一步的勘探施工方案和开采方案。基于较为粗略的三维地质模型的地震波射线追踪,有助于用户对人工地震震源和检波器的布设方案进行评价,从而辅助人工地震采集方案设计、控制施工风险、减少采集成本。

在地下水模拟领域,可以运用三维地质建模技术研究地下水水文地质层的结构,直观理解地下含水层和隔水层的分布规律,查明地下水降落漏斗的空间位置,从而辅助决策地下水资源的开采。在结构模型基础上进行体元剖分生成的格网,可将其导入Modflow等专业地下水分析软件,进一步研究地下水内部物理、化学属性,查明地下水水质的时空分布、地下水流场的运动变化规律、地下水污染物的扩散运移规律。

三维地质建模可以很好地为固体矿产资源储量评价服务。根据矿产勘查资料中所圈定的矿体轮廓线,可以利用轮廓线构面方法和矿体外推尖灭规则建立各个矿体的三维结构模型,帮助用户理解矿区的矿体分布规律。同时,数字化的矿体模型还可以辅助用户进行资源量类别划分、矿体体积自动计算,从而提高固体矿产资源储量评价的质量和效率。在固体矿产的经济评价中,可根据变化的市场价格动态圈定新的矿体轮廓线、动态建立矿体模型,提交更新的储量评价报告。

在矿山开采领域,三维地质建模可进行开采辅助设计。根据三维虚拟环境中矿体、围岩、地质断层、地下水分布等信息,用户可以更直观方便地进行开采巷道、通风井、勘查钻孔布设等工程的设计,从而给出合理的开采方案,提高实际生产效率。

城市地质研究中,三维地质建模可以辅助研究城市地下地层展布和断裂构造的分布规律。结合三维模型,可以辅助城市建设规划,在研究地下水资源情况、潜在地质灾害危险的前提下,合理开发利用城市地下空间、开采地下水资源、规避不利地质条件,科学布置城市功能区划。

岩土工程也是三维地质建模的一个重要应用领域。在城市岩土工程勘察、设计、施工的全过程中,三维地质模型可以直观地将地质体及其构造形态展现在规划设计师和岩土工程师面前,方便工程设计人员和施工人员间的思想交流,使其能够准确地分析实际地质问题、开展工程设计与施工,减少工程风险。因此,三维地质建模也越来越受到城市管理、规划、建设部门和工程施工单位的重视。

6 关键技术及研究方向

三维地质建模面临诸多困难[8,30,31],这主要是由原始地质数据获取的艰难性、地下地质体及其空间关系的极端复杂性以及地质体属性的未知性与不确定性共同决定的。三维地质建模是一个复杂的过程,融合了数据库技术、计算几何、图形学、科学可视化、数学、构造地质学、水文地质学、地层学、矿床学、地理学等多学科多种技术手段。若进一步提高三维地质建模技术的总体水平,则必须在关键技术上有所突破和创新,这些关键技术也是三维地质建模研究领域内的热点研究方向。

(1）三维地下空间数据获取与转化。目前的三维空间数据获取多是利用遥感技术、摄影测量、激光扫描等对地形、地表建筑物、单个物体等的三维数据进行采集[32-34],而直接获取三维地下空间数据的技术十分欠缺。除了可以利用钻孔对地下数据进行直接获取之外,三维地下空间数据一般是通过三维地震、地质CT、地球物理等技术进行间接获取,这些数据需要进行解译和转化,才能够成为三维地质建模可以直接使用的几何数据。因此,三维地下空间数据的获取与转化是三维地质建模中的关键技术,直接决定了三维地质建模能否顺利进行。

(2）空间数据库技术。三维空间数据需要利用空间数据库进行管理。由于传统的文件系统管理方式存在着安全性和共享性差、并发访问异常、数据冗余等缺陷,用户在使用过程中常常碰到无法备份恢复数据、各客户端文件信息不一致等问题[35];另外,文件系统无法进行空间数据查询,对空间数据管理效率低下。如何建立合适和高效的空间数据库、对空间数据进行数据组织、建立空间索引、执行空间查询,是空间数据库亟待解决的关键技术,对于空间数据的管理和访问效率极为重要。

(3）地质界面空间插值技术。三维地质界面的构建是三维地质建模的基础。由于经济因素的限制,用于构建一个地质界面的原始采样点很可能比较稀疏,仅仅利用这些点建立的地质界面会比较粗糙。为了增加地质界面的真实感,提高地质界面的可视化效果,需要利用更密的数据点对地质界面加以描述,这些加密点的坐标需要利用空间插值技术加以确定。地质界面空间插值方法主要有距离反比[36]、自然领域[37]、克里格[38]和离散光滑插值[39]等。

(4）三角网编辑操作。三维地质建模中,地质界面一般以不规则三角网(TIN）表达,在计算机上对地质界面的编辑操作都是转化为对三角网的操作。为了提供对三维地质建模的支持,需要实现对三角网的一系列编辑操作,如:添加(删除、移动）三角形点、删除(添加）三角形、打碎三角形、瓦解三角形、切换对角三角形、局部改变三角网构网结构等,而这些功能的实现又是以三角网的数据存储结构为基础。如果能够建立关于三角网表达和三角网基本操作的基础类库,必将极大地提高三维地质建模系统的开发效率。

(5）曲面求交。地质体中存在各种层面,当出现地层不整合、断层错断岩层、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形时,就会遇到曲面求交的问题。地质体三维模型的上部边界是地表曲面,通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面,即超出部分不应显示;同样,当显示多层地层时,下面的岩层应以其上一岩层为边界。因此,为了进行三维地质建模,必须要解决地层面与地表、断层面和其他地层面的求交问题[40]。

(6）特殊地质现象建模。对于侵入体、分支断层、倒转褶皱等特殊地质现象的建模,是三维地质建模中的关键技术。侵入体的形态极不规则,利用常规的建模方法很难建立逼真的侵入体模型。断层的出现使得地层发生错动而出现不连续;同时,断层作为一种天然的边界,限制了地层面的展布,大大地增加了建模的难度。对于分支断层,还需要进一步考虑断层之间的交切关系,其建模更具挑战性。倒转褶皱导致褶皱面出现多值现象,无法利用常规的曲面建模方法来构建其形态。因此,三维地质建模必须攻克对于这些特殊地质现象的建模,才能走向成熟。

(7）多源数据的利用。现有的三维地质建模的原始数据大多是钻孔和剖面数据,在实际工程设计和施工中,还可能得到地质图、等值线、物探资料等其他原始数据。为了建立接近真实的模型,三维地质建模需利用多种原始数据,如何整合利用这些多源数据、克服建模方法只能支持单一数据的弊端,也是三维地质建模中的一个关键问题。

(8）多建模方法的支持。经济因素造成的可利用数据的稀少和离散,给地质问题带来了多解性;此外,地质构造本身的复杂性,也在客观上给三维地质建模造成了很大的困难。实际建模过程中,可能针对不同的复杂程度,提出包含多种建模方法和策略的综合解决方案。因此,多建模方法的支持是三维地质建模软件能够较好满足实际建模需求的关键。

(9）模型间的数据一致性。三维地质模型中往往包含多个地质体的三维模型,为保证各个地质体模型之间不存在空隙和交叠现象,模型数据之间应保持一致。数据一致性要求表示同一个空间位置和具有同一个地质含义的地质界面必须具有相同的数据表达(如果地质界面是用 TIN表达,它们应该具有相同的三角形构网）。保持模型间的数据一致性对于全区域模型的体元剖分和数值模拟也具有重要意义。

7 结语

本文给出三维地质建模的一个综合定义:三维地质建模是根据各种原始数据建立地下地质体数字化模型的过程,旨在揭示其地质构造形态和构造关系、反映地质体内部属性变化规律,是地质学、地理学、计算机科学、数学、环境科学等学科综合发展的产物,广泛地应用于石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、城市地质、岩土工程等领域。三维地质建模的结果以真三维的形式为用户展示虚拟的现实地质环境,基于模型的数值模拟和空间分析结果能更好地辅助用户进行科学决策。

我国拥有众多的地质勘探生产与研究单位,实际生产中对于物美价廉的三维地质建模软件的需求越来越大。巨大的市场价值要求研究机构组织相关科研人员进行联合攻关,尽快研发出具有自主知识产权的三维地质建模软件,早日摆脱对国外昂贵软件的依赖。三维地质建模亟须突破文中论述的若干关键技术,才能够提高三维地质建模技术的总体水平,进一步促进三维地质建模方法的更大发展以及三维地质建模软件的实用性。

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A Study on Three-Dimensional Geological Modeling

M ING Jing
(Chongqing Surveying Institute,Chongqing 400020,China）

Nowadays,"the Digital Earth"has been researched mo re and mo re deep ly,and"Geo-spatial Info rmation Science"has been developed vigo rously.With this background,Three-Dimensional Geological Modeling(3DGM）has been a hot study in the intersecting area of geoscience and info rmational science.To study the basic theo ries,current developing situation and future direction of 3DGM,its background and workflow have been reviewed.3DGM has been classified according to its data type,spatial scale,time dimension and topological acco rdance.Its p ractical app lication in petrol exp lo ration,ground water simulation,digital mine,urban geology,geotechnical engineering and other areas has been summarized as well.On the basis of the study on its modeling methods and software,the difficulty and key techniques of 3DGM are analyzed.The studying result has given out a synthetic definition of 3DGM,pointed out its hot researching directions of future study.

Three-Dimensional Geological Modeling;app lication area;key technique

P208

A

1672-0504(2011）04-0014-05

2011-01-11;

2011-04-05

明镜(1982-）,男,博士,工程师,研究方向为三维地质建模、3D GIS和岩土工程信息化。E-mail:eric107@gmail.com