三维地质建模软件发展现状及问题探讨

李青元，张丽云，魏占营，孙黎明

(1.中国测绘科学研究院地理信息工程重点实验室，北京 100830;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

0 引言

随着地学信息化的发展，数学地质正向“数字地质”发展(赵鹏大，2012)。笔者认为三维地质建模软件将是“数字地质”的精髓与核心。三维地质建模是指采用适当的数据结构在计算机中建立能反映地质构造的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型(吴建生等，2004)。从大类上讲，三维地质建模软件是地理信息系统的一个分支，三维地质建模主要关心地下，它与关注地上的三维GIS的应用领域与实现技术有很大的不同。近年来，国内三维地质建模软件发展快速、功能稳步提高，但软件研发与应用中还存在很多显现与潜在的问题，希望促进工程地质界积极使用三维地质建模软件，同时促使软件开发者尽快提高产品质量，走上快速、健康的发展之路，对目前国内三维地质建模软件的发展现状及几个问题进行讨论，希望能促进国内三维地质建模软件厂商与用户的双赢。

1 三维地质建模软件发展概况

三维地质建模软件从20世纪70年代开始发展，已经走过近40年的历史，国内外有不少人士与团体为此进行了锲而不舍的努力。下面是这些努力所产生的产品概况。

1.1 发达国家三维地质建模软件发展概况

发达国家自20世纪70年代开始三维地质建模软件的研发，在90年代有稳定的产品问世，并不断发展、成熟。主要产品见表1。

经过多年的发展，这些国外的三维地质建模软件产品在功能上都比较稳定与成熟，但全英文的操作界面和高昂的软件使用费用使其在中国的推广遇到困难。近年来，一些国外软件，例如Surpac、Micromine等在中国寻找代理推广其产品并提供汉化界面和售后技术支持，使得这些国外产品在中国占有越来越多的市场份额。

1.2 国内三维地质建模软件发展概况

国内从20世纪90年代开始就不断地有人研究三维地质建模软件的核心理论与技术(吴冲龙等，2001;毛善君，2002;程朋根等，2004;杨欣，2005;刘修国等，2006;王李管等，2006;金江军等，2007;吴立新等，2007;朱良峰等，2008;邓飞等，2009;陈国旭等，2010;邹伟等，2010;孙莉等，2011;陈志军等，2012)。很多年内，中国一直未有像样的三维地质建模软件产品出现，近几年这种局面有所改变。国内此类产品的概况见表2。

表1 国外主要三维地质建模软件产品

表2 中国主要三维地质建模软件产品

这些国产三维地质建模软件，虽然与国际先进产品相比仍然存在差距，但近年来发展迅速，大多已具备地下三维地质建模功能，能够满足大多数三维地质建模的应用需求。

2 三维地质建模软件应用领域

三维地质建模软件在下列领域具有重要的应用价值。

2.1 矿产资源勘探

矿产资源勘探领域是最需要三维地质建模软件的领域之一。矿产资源勘探工程所探测的深度达几百米，甚至上千米，野外施工费用极其高昂，三维地质建模软件能够帮助地质工程师将这些花了高昂代价获得的勘探资料以超出传统的静态平面图、剖面图的方式很好地进行展示，能提高地质解释的精准度，帮助矿业投资者快速、直观地建立起矿藏的三维空间形态，把握其投资的风险。

2.2 矿山规划、设计与开采

矿山的规划、设计与开采部门希望地质勘探单位最好能直接提供数字化、信息化的地质报告，免去他们再次三维建模的重复劳动和可能带来的精度损失。数字矿山离不开三维地质建模(吴立新等，2003)，是矿产资源勘探三维地质建模的延续使用。随着近年来矿山经济效益的好转和国家对矿山安全的重视，矿山企业都能拿出钱来支持数字矿山建设。因为矿山开采领域对数字矿山的资金支持力度大，目前国内三维地质建模软件的厂商大多集中在数字矿山领域。

2.3 工程地质勘察

工程地质勘察的目的是查明工程建筑施工中的地质问题。工程地质勘察的情况不清楚，将导致施工建筑的后期灾难。很多建筑工程通常耗资巨大，需使用维护几十年甚至上百年，很多工程的安危关乎到一个地区民众的生命，工程地质勘察的重要性不言而喻。工程地质勘探的成果需要对研究区的地下基岩、松散层的岩性、产状、空间分布情况进行详细的勘探与精确地三维表达。三维地质建模能以很小的投入，明显地提升勘探工程项目的整体水平。

2.4 城市地下空间管理

传统的城市规划部门主要关心地面之上的空间规划与管理。随着城市发展，地面空间资源短缺，除了向上发展，楼房越盖越高外，另一个出路就是向下发展，越高的楼群其地下部分也越深，高楼的停车场一般都建在地下，有的将商场也移至地下。大城市有很多高楼群的地下几十米空间都已被使用，这些已被使用的空间对于地铁线路的规划等工程项目需要避让。以前的数字城市建设项目中对于地下空间的考虑大多不够充分，现在城市规划部门已经要求在数字城市建设中将城市地下几十米空间的基岩、松散层和建筑物的空间分布情况进行表达，这就需要用到三维地质建模软件作为数字城市的地下部分的补充。

2.5 城市地下水管理与地下水污染情况监测

很多城市的生活用水依赖于地下水，随着用水量的增 加，城市地下水漏斗越来越大。同时，很多排污河流的污水通过各种漏洞进入城市地下水系统，污染地下水源。城市地下水抽取的监管与地下水污染的监测关系到城市的兴衰存亡与人民的生活质量。城市地下水抽取的监管与地下水污染的监测需要对城市地下几十米甚至几百米空间范围的基岩、松散层的岩性、隔水性、透水性的透彻了解与直观、清楚的真三维表达。对地下岩性、含水性的了解与监测需要各种探测钻孔以及电法、地震等物探手段，对地下水的监测需要各种监测孔的取样监测，对这些信息的精准表达需要用到三维地质建模。

3 三维地质建模的功效

地质工程师的日常工作就是与三维地质模型打交道。所以，地质工程师只要瞄上一眼，就会知道三维地质建模软件能够帮助他们做好哪些工作。

3.1 快速直观地在大脑中建立勘探区的三维地质模型

比起传统的平面图、剖面图来，三维地质建模软件制作的计算机三维地质模型能更快速、更直观地向地质工程师、领导与客户展示研究区地质体的三维空间形态与展布规律。使用户能直观地看到断层对地层、矿层的切割关系，并且可以采用改变观测的角度，关闭不重要的层位，不同界面着不同颜色，颜色深浅反映高程变化等多种手段增 强对三维模型的空间关系的表达，达到常规手段难以达到的效果，给观测者留下深刻的视觉效果，看一眼就能立即在大脑中建立起研究区的三维地质模型。

3.2 检查原始数据的正确性

在地质勘探中经常会同时使用钻探、电法、重磁、人工地震等多种勘探方法进行勘探，不同的手段得到的界面数据经常会有矛盾。人工对比这些不同方法的勘探结果既费时、费力又容易出错。在三维地质建模软件上可以用多种方法帮助地质工程师检查数据的一致性。例如，用不同的颜色(或半透明的方法)显示不同方法得出的同一界面，很容易检测出不同方法的矛盾之处(图1)，地质工程师可以在这些标出的地段进行重点检查与修改。

图1 不同方法探测的同一界面的不一致之处示意图

3.3 通过各种“虚拟切割”手段检查各种地质要素间的相互关系

虚拟切割功能是三维地质建模软件区别于普通三维GIS软件的试金石(王占刚等，2007;朱经纬，2007;李青元等，2008;陈志军等，2012)。地质、采矿工程师可以通过这些虚拟切割来“看”到地质体的内部结构，检查断层与各地质界面、地质体的切割关系。虚拟切割包括切制垂直剖面(图2)、2组交叉的垂直剖面(篱笆图)(图3)、水平切面(图4)、折垂直剖面(图5)、3十字交叉剖面(图6)等多种方法。

图2 1组垂直剖面

图3 1组水平切面

图4 2组交叉的垂直剖面构成的篱笆图

图5 折垂直剖面

图6 可鼠标拖动的3十字交叉剖面

4 三维地质建模软件发展中的问题分析

目前，国内三维地质建模软件虽然发展趋势向好，但也还存在很多显现的与潜在的问题。

4.1 软件开发模式

国内三维建模软件早期的理论、技术研究与原型系统开发大多源自高校与研究所，往往有国家项目支持，这些研究虽然在一些理论与关键技术上有所建树，也培养了人才，形成了原型系统，但这些原型系统与产品之间还有很长的距离，如果没有持续的后续投入，往往很难发展成为可用的产品。由于三维地质建模软件的开发难度很大，进入的门槛很高，这些原型系统的主创者往往是对三维地质建模有非常浓厚兴趣的个人，如果这个研发者职位高升，这个项目可能就会无疾而终。

成熟的软件产品还需要在营销、文档、技术支持、后续的升级维护等无数琐碎的事情上下功夫才能走向成功，而这后面的琐碎常常是软件高才不愿做的(确实也不该由他们来做)。因此很多人认为真正的软件产品需要由公司来开发，公司的一大群人靠着这个产品吃饭，高低搭配、各尽其能、破釜沉舟才可能成功。国内外做得好的软件产品往往都是由高校、研究院取得原型系统的技术积累后适时地转入公司机制才获得成功的。

4.2 开源的三维基础库的选择

合理地使用开源的三维基础软件库可以减少开发难度，减少开发者在三角剖分、三维切割等基础算法上的精力投入，更多地专注于专业功能的开发。下面是目前地下三维GIS开发中比较常用的一些开源资源(表3)。

表3 三维地质建模软件的特点与应用领域

这些开源资源虽然都提供源代码，但很少有人能在一个项目中同时使用几个不同的开源资源，因为这些开源代码的各个模块之间还是有一定的依赖关系，因此，如何合理地选择开源资源，成了摆在软件研发者面前的一个难题，需要软件开发者对各种开源库有一个大致的了解，并根据自身软件的定位与已有基础合理选择。另外，使用一些付费的三维开发工具，例如HOOP/3dAF，也是快速地实现高质量产品开发的捷径。

4.3 三维数据模型标准

三维地质三维建模的数据标准是地理信息数据产品中标准最不成熟的部分。目前的三维建模数据标准主要来自于计算机三维几何造型领域，比较常用的有以下几种(表4)。

表4 三维数据模型标准

上述三维建模标准主要是面向机械零件、建筑等较为规整的三维模型，而对于不规则的地质体建模现在还没有权威且被广泛使用的数据标准。由于缺乏地质三维建模的数据标准，使得国际、国内三维地质建模软件产品的数据兼容性差，这是一个亟待解决的问题。

4.4 勘探规范没有要求三维地质建模

影响三维地质建模软件推广、应用的一个重要因素是目前的勘探规范，无论是矿产资源勘探规范还是工程地质勘探规范，都没要求提交计算机三维地质建模成果，既然规范没有要求，勘探单位就没有使用三维地质建模软件的积极性，除非是甲方提出要求。发达国家的地质勘探项目的甲方一般都要求勘探项目承担方在勘探成果中提供三维建模成果，没有这一成果项目不予验收，这促使勘探单位使用三维建模软件。我国相关主管部门应该积极借鉴国外的有关经验，积极探索在将来的勘探规范中增 加三维建模的要求。

4.5 二三维联动编辑

在目前勘探规范中没有要求三维地质建模的情况下，软件开发商在设计三维地质建模软件时就应更多地考虑该软件能为地质报告的编制带来更多的便利，即更多地考虑二维平面图、剖面图、三维图的一体化与联动编辑。二三维一体化已为GIS与三维地质建模界所重视(陈国旭等，2010;陈志军等，2012;顾丽影等，2012)。二三维联动也为GIS界所讨论(万幼等，2008;程海洋等，2010)。GIS界所讨论的二三维联动只是显示范围的联动对应。笔者在这里要强调的是对三维模型的二三维联动编辑修改，也可称为“平、剖面联动修改”，即修改平面图(例如用户鼠标拖动平面图某界面的等高线)后，剖面图上的该界面的切界以及三维图上该界面的形态应自动更新，反之亦然。在地质工程师所处理的平面图、剖面图的背后存在着一个起支配作用的三维模型。平面图、剖面图上的地质界线必须符合三维地质模型的切割、投影规律。要实现二三维联动编辑，就要求模型中地质界面的曲面表达是基于等高线(Li et al，2011)，而目前大多数三维地质建模软件中等高线只是基于TIN表达的曲面的附属，这需要三维地质建模软件开发者寻找新的思路。三维地质建模软件应该做到即便在地质勘探标准、规范中没有增 加三维建模要求的条件下，地质工程师们也乐意使用三维地质建模软件去帮助他们完成日常工作，使三维地质建模软件成为地质工程师们日常工作中得心应手的工具与助手。

4.6 潜在用户与盈利模式

三维地质建模软件的应用领域是一个非常独特的领域，一方面大家都认为这是一个很有发展前景的应用领域，从近年来每年全国都有大量的硕士、博士生选择三维地质建模软件开发关键技术或应用作为其论文选题就可以证明这一点。这些硕士、博士毕业后很多都会继续在这一领域探索。但同时，很多进入这一领域的公司确实感受到在这个领域很难生存，他们发现，三维地质建模软件的开发难度远大于地上三维GIS软件的开发难度，但用户却少得多，就是这很少的潜在用户也很少愿意在三维建模方面投入经费，而持观望态度。没有足够的订单，研发无法维持，厂商只得退出。用户持观望态度，一方面说明三维地质建模软件还不够成熟，软件开发商需要卧薪尝胆把自己的产品做好，同时需要国家在政策上给予一定的激励与优惠政策。但中国已经不可逆转地走上市场化的发展道路，特殊的保护政策已经为WTO规则所不允许，操作界面语言的障碍也阻挡不了多久，洋产品最终是会进来的。与狼共舞是中国软件厂商必须做好的精神准备。不过，好在本土的软件企业具有贴近用户、具有一定的成本优势，加之国内地下三维建模的应用领域如此之多，一个厂商只要在一个专业领域做深、做精，把自己的产品做好，为用户服务好，就会有他们的生存空间。

5 结论

在地质勘探、地下工程的众多应用领域，与二维CAD/GIS软件相比，三维地质建模软件比起能够给用户带来更方便、精准的三维模型处理功能。以很小的投入，明显地提高工作的质量与速度，提升工程的整体水平。

国产三维地质建模软件经过近20年的研究、探索与产业化，在最近几年总体已经达到可用的水平，能够满足大多数用户的日常工作需求，国内用户可以放心地选用。

国产三维地质建模软件与国际最先进的同类产品相比仍然存在差距，与用户的希望仍然存在差距，国内三维地质建模软件厂商任重道远。

程朋根，刘少华，王伟，等.2004.三维地质模型构建方法的研究及应用［J］.吉林大学学报:地球科学版，34(2):309 －313.

程海洋，宋立松，曹建兵，等.2010.二维GIS与三维GIS联动技术研究［J］.浙江水利科技，(3):31－32.

陈国旭，吴冲龙，张夏林，等.2010.三维地质建模与地矿勘查图件编制一体化方法研究［J］.地质与勘探，46(3):542－546.

陈志军，陈建国.2012.基于MapGIS的图切地质剖面系统面向对象设计与实现［J］.地质学刊，36(3):256－264.

邓飞，黄地龙.2009.剖面三维地质建模及高斯射线束正演［J］.成都理工大学学报:自然科学版，36(4):434－442.

顾丽影，花卫华，李三凤.2012.三维城市地质信息平台［J］.地质学刊，36(3):285－290.

金江军，潘懋，屈红刚，等.2007.三维地质建模及其在地下空间开发中的应用［J］.国土资源信息化，28(3):26－29.

刘修国，陈国良，侯卫生，等.2006.基于线框架模型的三维复杂地质体建模方法［J］.地球科学:中国地质大学学报，31(5):668－672.

李青元，郑佳荣，韩建.2008.对面向构造地质应用的GIS软件平台的几点思考［J］.中国煤田地质，20(10):53－55，60.

毛善君.2002.灰色地理信息系统——动态修正地质空间数据的理论和技术［J］.北京大学学报:自然科学版，38(4):556－562.

孙莉，肖克炎，唐菊兴，等.2011.基于Minexplorer探矿者软件的甲玛铜矿三维地质体建模［J］.成都理工大学学报:自然科学版，38(3):291－297.

王占刚，曹代勇.2004.基于改进三棱柱模型的复杂地质体3D建模方法［J］.中国煤田地质，16(1):4－6，64.

王李管，曾庆田，贾明涛，等.2006.复杂地质构造矿床三维可视化实体建模技术［J］.金属矿山，(12):46 －49，74.

万幼，边馥苓.2008.二三维联动的GIS系统体系结构构建技术［J］.地理信息世界，(2):48－52.

吴冲龙，毛小平，王燮培，等.2001.三维油气成藏动力学建模与软件开发［J］.石油实验地质，23(3):301－311.

吴立新，殷作如，钟亚平.2003.再论数字矿山:特征、框架与关键技术［J］.煤炭学报，28(1):1－7.

吴建生，朱谷昌，曾新平，等.2004.三维GIS技术在固体矿产勘探和开发中的研究与应用［J］.地质与勘探，40(1):68－72.

吴立新，陈学习，车德福，等.2007.一种基于GTP的地下真3D集成表达的实体模型［J］.武汉大学学报:信息科学版，32(4):331－335.

杨欣.2005.Delaunay三角网格剖分技术［M］.北京:电子工业出版社.

朱经纬.2007.三维数据场的三维重建与模型的虚拟切割研究［D］.武汉:华中科技大学.

朱良峰，潘信.2008.地质断层三维构模技术研究［J］.岩土力学，29(1):274－278.

邹伟，肖克炎，陈学工，等.2010.基于模拟退火遗传算法矿床勘探3DEM储量估算［J］.物探化探计算技术，34(4):417－422.

赵鹏大.2012.数字地质与矿产资源评价［J］.地质学刊，36(3):226－228.

LI QINGYUAN，ZHANG XUAN，JIN YANG，et al.2011.Conceptual design，data model and key techniques of“3D Assistant”［J］.Transcations of Nonferrous Metals Society of China，21(Suppl 3):692 －698.