基于规则库的三维地质自动建模技术研究

陈明娥，涂江涛

(深圳市中地软件工程有限公司，广东 深圳 518057)

基于规则库的三维地质自动建模技术研究

陈明娥，涂江涛

(深圳市中地软件工程有限公司，广东 深圳 518057)

利用规则统一三维实体间的语义形式化表达，为建模提供统一的方法。利用三维矢量数据模型的框架，对直钻孔、斜孔、剖面、等值线、断层、褶皱等数据源，分别按规则制定一种数据格式，对多源地质数据进行标准化和信息融合，经过地质面和地质体的快速构建，提出了建立基于规则库的三维矢量数据模型。同时研究了适合各类地质特点的三维模型自动构建方法，包含多源数据耦合层状地质体自动建模技术、基于剖面单元格划分的分区—拼接自动建模技术、多约束下复杂地质结构快速建模技术、空间约束条件下三维地质属性建模技术等。在确保模型精度的前提下，尽量减少人工交互建模的工作量，提高了建模效率。

规则库；三维地质；建模技术

Abstract： In this paper,we use the rule to unify the semantic representation of 3D entities to provide a unified approach of modeling.Using the framework of 3D vector data model,respectively,according to rules to develop a data format,such as straight hole,oblique hole,profile,contour,fault,fold and other data sources,standardization and information fusion of multi-source geological data,through the rapid construction of geological surface and geological body,a 3D vector data model based on rule base is established.And the automatic construction method of three-dimensional model suitable for all kinds of geological features is studied,including multi-source data coupling automatic modeling technique for layered. Automatic modeling of partitioning-splicing based on section cell partitioning,rapid modeling technology of complex geological structures under multi-constraints and 3D geo-attribute modeling technology with spatial constraints and so on.In ensuring the accuracy of the model under the premise,minimize the amount of human interaction modeling effort for improving modeling efficiency.

Keywords： rule base;three-dimensional geology;modeling technology

在重大工程建设及城市规划建设中，复杂的地质问题常使项目建设受到困扰，因此迫切需要研究复杂地质体的快速模拟构建。地质数据及其应用本身所具有的复杂性、不确定性和信息不完备等特点使得三维地质建模成为制约三维GIS研究及其应用的主要瓶颈之一。目前研究大多集中在某一种或几种数据的处理上，对数据的限制很大。如基于剖面数据通常采用断面构模法，但要求剖面数据不交叉，这样对网格状分布的剖面数据就不适用，建模的效率和精度很难保证。

基于此，本文研究利用钻孔、地质剖面、地层等值线、断层线和物探解译成果等多源地质数据，快速构建高精度的三维地质结构模型，为城市规划、国土资源管理、地质勘查、城市应急响应等各行业的应用提供及时、可靠的数据支撑，有效提升各行业的信息化共享能力，为社会的信息化、智能化和政府决策提供技术支撑。

1 三维地质建模技术的思考

面对现有的地质问题，尤其是城市的发展带来的地面沉降、崩滑流等环境地质问题，矿山资源枯竭引出的危机、矿山深部找矿问题，导致我们不得不考虑复杂地质体的快速模拟问题。在同一个地区描述复杂地质体的数据源是多种多样的。钻孔(包括斜孔)、剖面、地层埋深等值线、地质图、断层、物探解释剖面等数据的特点均不相同。单一的地质数据源只能从某方面反映地下地质体的结构特征。为了更加精确地确定复杂地质体的结构形态，应采用多种地质数据约束建模，避免建模中产生的多解性问题。

目前三维地质建模的方法有很多，但对数据的限制很大，如果能综合运用各类数据的特点和优势，则可以很大程度上降低模型的多解性。一个比较实际的思路就是结合多源地质数据、结合多种方法进行地质模型的自动构建。

2 多源地质数据的融合

2.1 多约束地质数据源特点

地质数据多种多样，通过三维建模技术可以在计算机中再现某些地质数据所反映的信息，如地表地质调查数据、钻探数据、矿井坑道数据、地质剖面图、地质平面图和地球物理(化学)地质解释剖面等，不仅描述了三维地理空间信息，更表征了每个三维空间点/面上相关的地质属性或地质构造情况。

2.1.1 地质点数据

该类数据主要包括钻孔、探槽、坑道、平铜、测井和一些野外地质点数据。地质点数据主要包括点位的基本信息(位置、高程、孔深等)、地层或岩层描述划分信息、地层中的取样和实验信息。进行三维地质结构建模时，地质点的基本信息和分层信息是必需的数据。

2.1.2 剖面数据

剖面数据来源较多，主要有钻孔地层连接而成的剖面图、野外区域地质调查绘制的剖面图、中段图和物探解释后的地质剖面图等。剖面图反映了建模区域在沿该线路的地下地层的分布和地层框架结构。

2.1.3 平面图数据

该类数据反映了地下地层及各种构造在一个区域上的分布和交错关系。这类数据同样不包含属性数据，只包含地层与地质构造之间在二维平面上的展布关系。这种平面地质图一般是某一地层的等值线图或构造分布图。

2.2 标准地层的参数化表达

标准地层的划分方法有很多种，包括按照地质年代划分、按照岩性划分，以及按照水文地质的透水性进行划分等。将地层的各种属性以数学参数的方式表达出来，可为多源地质数据的标准化提供参照。

标准地层表划分出来后，其基本信息包括每一地层的名称、编码、时代、岩性、地层描述、地层的颜色、图案等。考虑到标准地层的层次关系，整个标准地层表可以转化成一棵标准地层树结构，每一个地层即一个树节点，标准地层的参数化就可以转化为地层树结构中每个节点的信息参数化。

利用面向语义的矢量数据模型，可以将地层的信息用图案的颜色和花纹来表示。根据每一个地层的编码和地层树节点之间的父子关系，编制地层级别编码，界定地层的级别，即标准地层中的大层、亚层、次亚层等级别地层。一般情况下，大层按照时代划分，亚层和次亚层按照岩性来划分，标准地层是一个自上而下的有严格层次关系的地层级别树。钻孔、地质剖面或地层顶底板等值线中数据的地层可以引用标准地层中的地层信息。对于简单层状体地质体，地层的上下关系、层次关系会严格遵循标准地层的要求；对于复杂的地质体，如基岩出露区、构造发育区域等，则仅能够参照标准地层的参数信息，而地层的上下邻接关系不能完全符合标准地层的要求。

2.3 多源地质数据的融合

先将钻孔点数据、剖面图数据、平面地质图数据和中段图数据等转化为三维地质要素：钻孔要素、剖面要素、平面地质图要素和中段图要素等。然后对三维地质要素进行数据融合，形成新的三维数据要素：地质点要素、地质线要素。进行地质快速建模时，需要根据属性条件和空间条件快速搜索地质点和地质线要素，然后进行多约束的地质面建模。

2.4 多源数据一致性处理

钻孔数据、等值线数据和交叉地质剖面数据的时期、地质特点和精度均不一样，因此，将这些数据融合在一起，难免出现不一致性的问题。多源地质数据的不一致性主要表现在数据表示的地层精细程度不一样。

本项目中只讨论地层顶板等值线，因为钻孔数据是相对比较可信的数据，地层不一致性调整的原则是：以钻孔和剖面数据为基本控制框架，调整其他的数据源。

3 面向语义的三维矢量数据模型构建

三维空间对象本身具有形式复杂多样的特点，对象之间关系的表达难以达成共识，特别是对象之间的空间及非空间关系等语义信息更是难以统一完整表达。依据现有的应用情况，通过对三维时空语义的研究，以形式化的语言对其表述，建立规则、关系模型，构建一种面向语义的三维空间矢量数据模型——基于规则库的三维空间数据模型，如图1所示。

模型的空间几何信息仍采用拓扑面向实体的三维矢量数据模型的几何表达方法，而在空间对象的语义表达上，实现了对空间对象语义信息和几何构成的统一、完整的表达。在实际建模过程中，将各种对象语义信息利用已有的规则进行分析，利用Relation=〈OID，OP，M〉的形式描述需要表达的关系集合，其中Relation代表对象之间的关系；OID代表对象的组合；OP代表关系之间的算法；M代表关系度量。通过统一语义的表达，使语义形式更加简练和规范。

图1 面向语义的三维空间矢量数据模型

三维空间对象的关系表达形式具有多样性，其规则也有不同种类，为实现不同规则的统一管理，模型中引入规则库的概念。规则库即存储规则集合的库，它提供对规则的定义、判断和存储等管理功能，如图2所示。

图2 规则库制定流程

三维空间对象语义规则定义则从分析数据源的质量入手，确定数据的质量元素，逐个制定质量控制的约束规则，从而形成统一的规则库，并通过实际的规则检验，实现规则库的优化和有效管理，进而来定义并扩展对象和关系的种类。这样，在面向应用的建模过程中，可以对新认知的数据对象和关系按照对规则定义的方式进行有效的扩展，数据模型就能根据实际应用的需要进行扩展。

4 基于约束规则的三维模型自动构建方法研究

4.1 具有标准分层的多源数据耦合层状地质体自动建模

具有标准分层的多源数据耦合层状地质体自动建模技术的主要思想为：集钻孔、剖面、平面图等各种多源数据于一体，充分利用一切已知的数据源，结合地质学的规律和数学算法，模拟未知区域的地质数据，从而建立整个区域的地质模型。

整个自动建模采用主TIN(primary TIN)的思想，即所有层面的三角网在平面上的投影都是同一模板，这样可沿地层深度自上而下推延至建模区域的全部地层，可以保证各个地层面具有确定的、上下一致的拓扑关系，能够极大地简化后续处理的复杂度，增强算法的稳健性。

基于各个地层的建模数据通过插值算法，结合一些尖灭、缺失信息，即可构建出各个地层面。地层面之间若有交错，则可根据交错关系进行相交处理，将所有交点更新至主TIN模板中，从而可将交错面分离成若干子面，保证各个子面之间的拓扑一致关系。

4.2 基于剖面单元格划分的分区-拼接自动建模

基于剖面的建模方法是对用户提供的交叉剖面数据采用分而治之的方法，将建模空间分割为多个单元格，然后分别对每个单元格进行构模。每个单元格内的模型构建完毕后，再将所有的单元格模型合并在一起，便得到整个建模区域内结构模型。

交叉剖面数据的单元格自动划分思想为：每一条剖面数据对应着一条勘探线，其投影到二维平面就是一条折线，多条相交的折线将二维空间划分为多个封闭的区域，每一个封闭的区域称为一个单元格，用表征每条勘探线的二维折线进行拓扑造区，每条二维折线在相交处被剪断，形成了一个个封闭的区域。其中，每一个封闭的区域形成一个区要素类，由于勘探线上均附有属性信息，记录了其属于哪条剖面数据，则通过区要素类中的每条线段可得到其所表征的单元格是由哪几条剖面数据所形成的，使用该方法便能够进行交叉剖面数据的单元格自动划分。

建模区域的单元格划分包括手动划分和自动划分两种方式，本文研究的建模算法以自动单元格划分为主。划分单元格后，经过归并和融合的建模数据源被分割到各个建模单元格中，所有的地层分界弧段均被剪断。这样在建立每一个地层的地质面模型前，可以从每一个单元格中搜索所有的点和弧段，并提供给用户进行选择和筛查的工具，得到本地层的建模数据源。对于不封闭的建模区域，将边界进行延伸，形成封闭的网格，然后按照封闭网格规则进行处理。

除剖面数据外，在单元格内的空白区域，如果有钻孔、等值线数据能够揭示地质体或地质构造的信息，也可将这些信息在构面过程中加以利用，以提高模型精度。

4.3 基于多约束的复杂地质体交互建模

整个多约束下的复杂地质体交互建模技术思想围绕着两个基本点：快速构建和定量分析。

围绕这两点，文中研发该技术的整体思想如下：

(1) 以交叉地质剖面为主体建模数据，控制建模区域的框架结构。

(2) 使用钻孔、地质剖面图、地层顶板等值线图、平面地质图等数据源，获取其中的点、线数据，并进行数据源融合，处理不同数据源之间和数据源内部的不一致性特征，融合成统一的数据源模型。

(3) 根据交叉剖面网格的特征，自动将建模区域划分为多个小单元。在每一个单元内，自动搜索每一个地层的建模数据源：点和弧段线数据，并支持地质专业人员实时添加尖灭线、辅助线，增加新的地质经验，并进行单元格区域间的数据源融合合并，构建每一个单元格内的地质面，如图3所示。

图3 交叉剖面数据的单元格划分

(4) 根据地层的属性和拓扑关系，将所有单元格内的地质面进行归并，自动构建整个区域的每个地层的地质面模型，并提供三维曲面光滑算法，建立光滑的地质面模型。

(5) 利用相交等算法和人工干预等手段处理地质面之间的相交矛盾，使所有的地质面之间互不相交，保证拓扑完全正确。在此基础上，通过地层属性特征和地质面几何拓扑关系，构建整个建模区域的每一个地层的所有地质体，并赋予相关的地质属性到块体模型上。

本文研究的多约束下复杂地质模型快速构建算法，在单元格内利用地层属性和空间条件进行融合后的地质点和地质线的建模数据源的快速搜索，建立地质面模型，再对不同单元格内相同属性的地质面进行合并，形成区域内的不同地层的地质面模型。

(1) 多约束下简单地质面构建：对于不含断层、褶皱等复杂地质构造现象的地层，可直接利用检索获取的融合后的建模数据源——地质点和地质线，进行耦合Delaunay三角剖分，建立地质子面模型。

(2) 含断层的多约束复杂地质面构建：采用面元模型中的多层DEM模型，首先基于各地层(尤其是控制性地层或关键地层)的界面点按DEM的方法对各个地层进行插值和拟合；然后以断层为约束，形成空间中严格按照岩性为要素进行划分的三维地层模型的骨架结构，继而引入地下空间中的特殊地质对象(如断层等)，完成对三维地下空间的完整建模。

(3) 地质块体的初始构建：在整个建模区域中，根据地质点要素和地质线要素构建的地质面上，记录地质面的上地层属性和下地层编号。根据地层编号进行拓扑重建地质体，如图4所示。

图4 根据地质面拓扑快速构建地质体模型

(4) 地质体的冗余面去除：地质体初始网拓扑构建之后，由于剖面区要素的存在和建模过程中产生的临时曲面数据，地质体内部可能会有一定数量的子面。通过点与多面体的位置关系算法或通过子面的类型，找出冗余的需要被删除的子面列表，即剖面区子面和临时性子面，得到没有冗余数据的含有完整封闭的外轮廓的复杂地质体模型，将结果几何地质体加上属性就形成了复杂地质体模型。

(5) 地质体的产状表达：对于地层中的岩层和矿体，对于产状比较简单的情况，需要在模型中进行反映。产状一般用三维图形学中的纹理来表示地层的岩性花纹。纹理贴图不能像普通的模式一样进行水平方向的平铺或拉伸，而是先从水平方向沿着产状的方向进行旋转，然后再进行纹理的平铺处理。

4.4 空间约束条件下三维地质属性自动建模

针对具用空间约束和属性信息的三维地质自动建模，空间模型(结构模型)主要用于表现空间对象的三维形态，而属性模型(体模型)则是反映三维空间的属性(参量)信息。空间约束条件下三维地质属性自动建模，在模型构建过程中实现结构模型与体模型的融合。本文从两个方面解决了结构模型与体模型的融合构建技术问题：

(1) 结构模型作为参数构建体模型：进行样本插值的过程中，除采用传统的搜索椭球进行约束外，还将结构模型的信息加载进来，采用结构模型的细层结构对样本数据进行约束，保证插值结果与空间实体真实特征或性质相吻合。以矿体属性建模为例，不同矿体样本之间的相关性存在很大不同，在进行矿体品位插值过程中，可以采用矿体边界结构模型对样本采样数据进行约束，用矿体边界约束内的样本进行插值计算，以保证结果的准确性。

(2) 结构模型作为外边界对体模型进行约束：该方法需要对边界区域进行局部单元细化。其关键是要进行结构模型与体模型的碰撞检测，判断多面体与多面体的相交情况及多面体与点的位置关系等。由于空间实体结构的复杂性和体模型结构的精细要求，必然会产生较大的数据量，需要提高碰撞检测效率，因此本文基于OBB树技术实现了高效的撞检测的算法。以矿体边界约束为例，根据样本品位建立的矿体品位模型，需要用矿体外边界结构模型进行约束处理，以此来控制矿体内的储量。如图5所示，图5(a)为用线框模型构建的矿体结构模型效果图，图5(b)为用结构模型对体模型进行约束细分后的效果图。

图5 结构模型与体模型的融合构建

4.5 多约束下三维地质模型的误差修正

三维地质模型建模方法对三维地质结构模型精度的影响主要体现在对一般地层分界面的内插、特殊地质体的推断过程中产生的误差及误差积累传播。利用地质剖面图对三维地层模型进行修正、基于虚拟钻孔的误差修正技术是两种常用的地质数据误差修正方法。

地质剖面图是地质专业中最常用的一类图件，不仅能够直观地表达地层的垂向分布形态和地质构造特征，也很好地反映了研究区典型、特殊的地质现象。因此，如果将已有的地质成果剖面图数据加入到三维地质结构模型的构建过程中，或先根据研究区钻孔数据绘制一系列剖面图并进行适当人为修正，再将得到的这些剖面图与原始钻孔数据结合起来进行建模，得到的三维地层模型精度则会有很大的提高。

虚拟孔是指在构建三维地层结构模型的过程中，根据专业需要在特定位置添加的一个或多个钻孔点，它是相对于实际钻孔而言的，具有假象性质，这些钻孔能够反映当前位置地层的分层信息，是由地质专业人员根据自己的知识经验假象推断的结果，并且一般具有控制性的约束，能够反映典型地质现象。相对于地质剖面数据对地质结构模型的约束修正来说，具有更强的约束力和针对性。虚拟钻孔在参与三维模型的构建过程中，与实际钻孔处于同等地位，甚至具有更高的精度，生成的地层形态能够严格与虚拟钻孔保持一致，能够极为有效地控制模型中的地层尖灭、缺失、断层、夹层、透镜体等特殊地质体形态。

根据导致地质模型误差的原因，可以从以下的几个方面进行地质模型误差的修正：①迭代式的模型构建，通过迭代式的地质模型构建，可极大程度减少模型的误差，如当一个新的数据加入进来时，用户可以将该新的数据约束在最终的地质模型当中，然后重新进行模型的构建，从而更进一步提高模型的精度；②建模过程中尽可能使用更多的地质数据，由于不同类型的数据反映了地质体的不同方位的几何或属性特征，综合这些地质数据应更能全面反映实际的地质情况，如朱良峰提出的虚拟孔修正技术及综合地质剖面及钻孔的建模方法；③根据数据的复杂情况及分布特征选用合适的插值算法，不同的插值算法适用的数量大小、数据的分布特征是不相同的，用户需要根据实际的需要进行具体的分析。

5 结 语

本文以分析不同地质数据源的特点为切入点，整合地质数据源的异同，通过数据融合的技术，将不同数据整合为统一平台的数据源，对数据源的空间、属性和要素关系进行一致性处理，使数据规范化。在此基础上，建立统一语义的三维矢量数据模型，以质量控制制定约束规则，从而建立规则库统一管理数据源，并探讨在不同地质特点的情况下，三维地质如何快速实现自动建模。

基于规则库的三维地质自动建模技术研究很好地契合了当今社会数据建模技术的发展要求，为矿山开采、油田开发、城市规划等工程在建立地质结构形态方面提供了新思路。利用钻孔、地质剖面几地层等值线、断层线和物探解译成果，耦合起来快速建立高精度的三维地质结构模型，为城市规划、国土资源管理、地质勘查、城市应急响应等各行业的应用提供了及时、可靠的数据支撑，有效提升了各行业的信息化共享能力，为社会的信息化、智能化和政府决策提供了技术支撑。

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ResearchonAutomatic3DGeologicalModelingBasedonRuleBase

CHEN Ming’e，TU Jiangtao

(Shenzhen Zondy Soft Engineering Co. Ltd., Shenzhen 518057,China)

P208

A

0494-0911(2017)09-0120-06

陈明娥，涂江涛.基于规则库的三维地质自动建模技术研究[J].测绘通报，2017(9)：120-125.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0300.

2017-01-23

深圳市战略新兴产业发展专项(深发改〔2015〕863号)

陈明娥(1968—)，女，硕士，高级工程师，从事GIS及数字城市技术的开发与应用工作。E-mail:393965701@qq.com