三维地质建模与可视化..docVIP

三维地质建模研究现状 柳杰 （中南大学物探新技术研究所，湖南长沙 410083） 摘要：三维地质建模作为一门新兴学科受到了广泛应用。本文回顾了三维地质建模的发展历史，从面元模型和体元模型进行分类，并阐述了三维地质建模的完整流程，并探讨了三维地质建模在石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、城市地质、岩土工程等领域的应用，最后分析了三维地质建模难点和关键技术，指出了三维地质建模未来的研究方向。 关键词：三维地质建模；建模方法；流程；应用领域；研究方向 1 引言 传统的地质信息的模拟与表达主要采用平面图和剖面图，其实质是将三维空间中的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。该方法存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。三维地质建模正是针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境[1]。 所谓三维地质建模(3D Geosciences Modeling),就是运用计算机技术,在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质分析的技术,它是随着地球空间信息技术的不断发展而发展起来的,由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科,这一概念最早是由加拿大的Simon W Houlding于1993年提出的[2]。Houlding结合地质建模研究了规则三维格网、非规则块、断面和体数据结构，系统地建立了三维地质建模理论。法国的Nancy大学的Jean-Laurent Mallet教授（1989）提出基于一系列互联的曲面的三维几何建模与属性建模的设计方法，目的是要开发一种新的地质目标计算机辅助设计方法，以适应地质、地球物理和油藏工程的需要，相关理论和方法依据成为GOCAD系统（Geological Object Computer Aided Design）的主要技术支撑。 随着三维地质建模理论和技术的成熟，地质体三维建模软件大量涌现，如澳大利亚MAPTEK公司的Maptek Vulcan软件，英国Datamine公司的Datamine Studio软件，澳大利亚Surpac公司的Surpac Vision软件，法国Nancy学校开发的GOCAD地质建模软件，澳大利亚Micromine公司的Micromine软件，中国三地曼公司的3D mine软件、迪迈公司的Dimine软件等。 2 三维地质建模方法 三维地质建模针对地学空间目标几何特征的描述分为面元模型和体元模型[3]。 2.1 基于面模型的构模 面模型的构模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物及地下工程的轮廓与空间框架。其中使用较多的TIN与Grid模型[4],一般用于地形表面构模，也可用于层状矿床构模；边界表示模型在描述结构简单的3D物体时十分有效，但对于不规则的3D地物则很不方便，且效率低下；多层DEM构模[5]对处理简单层状地质体，而且构造简单的地区进行三维地质模拟是一种简便的方法。 2.2 基于体模型的构模 体模型基于三维空间的体元分割和真三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行三维空间操作和分析。体元模型根据体元的规整性分为规则体元和非规则体元两个大类，规则体元使用较多的CSG构模和Octree构模法，通常用于水体、污染和环境问题构模；非规则体元均是有采样约束的、基于地质地层界面和地质构造的面向实体的三维模型，常用的有以下几种： 2.2.1四面体格网（TEN）构模[6] TEN模型是一个基于点的TEN的三维矢量数据模型，其基本思路是用互不相交的直线将三维空间中无重复的散乱点集，两两连接形成三角面片，再由互不穿越的三角面片构成四面体格网。TEN虽然可以描述实体的内部，但是不能表示三维连续曲面，而且用TEN来生成三维空间曲面也较为困难，算法设计比较复杂。 2.2.2 三棱柱（TP）构模[7] 由于TP模型的前提是三条棱边相互平行，因而不能基于实际的偏斜钻孔来构建真3D地质，也难以处理复杂地质构造。 2.2.3 实体（Solid）构模[8] 该法采用多边形网格来精确描述地质和开挖边界，同时采用传统的块体模型来独立的描述形体内部的品味或质量的分布，从而既可以保证边界构模的精度，又可以简化体内属性表达和体积计算。实体构模适合具有复杂内部结构（如复杂断层、褶皱和节理等精细地质结构）的构模，缺点是人工交互工作量巨大。 3 三维地质建模的流程[9] 在三维地质建模的完整流程（如图1）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