三维地质建模技术研究现状

姬广军 朱吉祥

摘要：三维地质建模是定量化研究三维空间结构特征与变化规律的重要方法，已成为模拟分析地质现象与时空演变规律重要有效手段之一。本文从数据模型、建模方法、建模软件、不确定性及应用领域五个方面阐述了三维地质建模技术的研究现状，并对三维地质建模技术发展的提出相应建议。

关键词：三维地质建模;研究现状;不确定性;数据模型;建模方法

三维地质建模是在各种原始数据的基础上，以适当的数据模型建立地质特征的数学模型，通过对地质体的几何形态、地质体间的关系和物性等计算机模拟，最后形成复杂整体三维模型的过程。[1]三维地质建模可以直观地表达地质体的空间形态与特征，能够进行真三維的空间操作与分析，较大程度地促进地质信息的科学管理与共享。本文从空间数据模型、建模方法、建模软件、不确定性和应用领域五个方面入手，系统阐述了三维地质建模的研究现状，并对三维地质建模发展提出相应建议。

1 空间数据模型

数据模型是为方便数据的存储、管理、交换和使用而构建的数据结构、数据操作和数据约束的总称。1978年Hunter首先提出了以八叉树为代表的数据模型，[2]Victor[3]和Pilouk[4]提出了不规则四面体的数据模型;Wu提出了广义三棱柱的数据模型[5]等。这些数据模型可以分为三类：基于面、基于体以及混合数据模型。这三类模型中常用的模型的优缺点见表1。

3 三维地质建模软件

三维地质建模技术的不断成熟和计算机技术的快速发展，促使国外开发研制了许多较为成熟的商业化软件。其中应用较广泛的软件有GoCAD、Surpac、3DMine、Vulcan、MicroLynx、GSI3D等。GoCAD软件的三维可视化功能强大，能处理复杂的地质构造，是目前国外应用最广的三维地质建模软件之一。

国内在软件方面起步较晚，且大都集中在三维可视化等方面，[10]主要包括MapGIS、GSIS建模系统及QuantyView等。国内软件具有较强的专业针对性，如Longruan GIS面向数字矿山、DeepInsight面向地球物理与油藏等，它们基本可以满足大多数用户的日常需求。[22]

4 不确定性分析

由于目前人类知识的有限性及地下空间的不可见性与复杂性，通过有限的信息来推断未知的地下信息会存在各种形式的不确定性。[23]国内外对模型的不确定性做出了不少研究，但仍处在初始阶段。[24]三维地质建模的不确定性包括数据不确定、[24]结构不确定、[25]可视化不确定[26]和响应不确定，[26]其中数据不确定和结构不确定性研究较多，这里主要讨论数据不确定性和结构不确定性。

4.1 结构不确定性

地质学家可以利用地球物理勘探、露头描述及其延伸、钻孔揭露等方式获取有限范围的地质信息，这些方法通过专家解释后获得的地质结构可能并不能真正的反映实际的地质结构，从而产生一定程度的不确定性。另一方面，地质体或地质现象本身就具有复杂性，[27]通过各种常规方法建立的模型也会存在一定程度的不确定性。Thore等[25]提出了一种确定和处理结构不确定性的方法并详细地分析不确定的来源;Gerritsen和Caers[28]指出了不确定的来源并且认为数据可以用来约束模型的不确定性，此外，他还给出了基于概率、变异函数、逆向建模等方法的详细解释和步骤。

4.2 数据不确定性

几乎所有的地质数据都会有不同程度的不确定性，这些不确定性是由测量误差、数据不足、取样限制、不完美的概念或假说和必要的简化等因素引起的，[28]这也是限制模型精度的重要原因。Wellmann等[29]分析了由于数据质量而引起的不确定性并给出了具有详细步骤的处理办法，他认为数据的不确定来源可以分为3类：

（1）精度不够或测量误差，是由于原始数据的不确定性引起的，如沉积边界的位置或构造的方向。

（2）地质变量本身的随机性，是由已知点插值得到未知点不确定性引起的。

（3）认知有限性，是由于对存在的地质体或地质现象认知不完整和不精确引起的。[30]

由采样点的数据所建立的三维地质模型一定存在不确定性，一般不确定性随着数据量的减小而增大。Yamamoto等[30]通过在计算模型中再取样和后处理的方式达到减小不确定性的效果。

5 应用领域

经过几十年的发展，三维地质建模已经渗入到地质的各个领域，包括矿产、[31]石油、[32]水文地质、[33，34]工程地质、[7，35]地热地质、[36]灾害地质等。三维地质建模首先使用到矿产、石油领域，[23]且在这些领域中技术比较成熟。在矿产中，主要用于分析矿体的分布规律、估算矿产资源量以及进行资源量评价等服务;在石油领域，主要进行储量计算、表达储层构造形态与品质分布等。在水文地质学科中，三维地质建模可以用于分析研究区的水文地质条件、调查污染物运移规律等服务。在工程地质中，三维地质建模用于对巷道、工程建设的承载力模拟分析等服务。三维地质建模还可以估算地热储量、分析地质灾害致灾机制等服务。

6 结论

三维地质建模突破了传统二维空间表达的束缚，还地质以本来面目，其可以直观、形象地展示了地质体的空间分布及其规律，使地质研究可以在多维空间中分析地质问题，表达研究结果，更符合地质研究的实际情况。虽然目前有众多的数据模型、建模方法和应用软件，但他们各自的适应能力有限，在解决复杂区域性模型构建等方面仍面临着较多亟待解决的难题，这些难题既涉及到地质领域相关知识，同时也涉及到计算机、地质统计学等学科相关知识。这就要求不同专业的相关人员进行深层次的交流，共同推进三维地质建模事业的发展。

另一方面，国内有众多的研究人员和研究机构进行三维地质建模理论研究，不同的机构或研究人员研究思路、方法可能不同，但他们都各自积累了丰富的经验，促进这些研究机构或研究人员进行全方位合作，注重理论与实际相结合的研究，也是三维地质建模发展的可行途径。

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基金項目：水环所基本业务费（SK201615）;雄安新区资源环境承载力综合监测和透明雄安数字平台建设（DD20189144）

作者简介：姬广军（1993-），男，汉族，山东济宁人，硕士，研究方向：区域地质结构建模和城市地质信息化应用研究。