摘 要：随着计算机技术和空间信息技术的发展，三维地质建模越来越受到人们的关注。目前，三维地质建模已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域，为经济社会高质量发展提供辅助决策支持。本文根据三维地质建模方法的研究现状，归纳总结了基于钻孔信息的三维地质建模方法、基于剖面的地质建模方法、多条件约束地质建模方法以及特殊地质体建模方法的研究进展，并对其未来发展进行了展望。 关键词：地质建模；三维；钻孔；剖面；地层
三维地质建模技术目前已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域。所谓三维地质建模，就是运用计算机和信息技术，使用适当的数据结构，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，在三维环境下，建立起能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的定量的数学模型，并应用于地质分析的技术[1-6]。 通过三维地质模型，可以把空间分布不均匀、不连续、通过野外工程勘测或其它仪器测量获得散乱的地质信息通过数学曲面和拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型和图形图像[4]。三维地质模型能够直观有效地表达各种地质结构、地质现象间的拓扑关系，从而迅速提高专业技术人员对地下空间的认识，最大限度发挥空间信息优势，为地质勘探、矿产资源开发利用、城市地下空间管理等提供辅助决策支持，积极主动服务经济社会发展。
1. 三维地质建模方法分类
三维地质建模方法简要分类如下:1)从尺度方面，可分为宏观建模和微观建模。宏观建模主要关注地质现象的区域特征，数据来源主要是地质露头、钻孔、地质解释资料等；微观建模要关注岩石、矿物等的微观特征，数据来源可以是岩石切片、照片和通过仪器直接得到的三维点云等。通常的地质建模多指宏观建模。2)从对地质体内部属性的处理分析，可分为结构建模和属性建模。结构建模侧重于对地质体空间位置、几何形态和空间关系的表达，认为地质体内部属性是均一的；属性建模则通过地质统计学等方法实现地质体内部属性非均一性的表达。3)根据建模所使用的数据源，可分为基于野外数据、基于剖面、基于
离散点、基于钻井数据、基于多源数据等。4)从建模的动态性方面可分为静态建模和动态建模。静态建模是地质体在时间序列中某一时刻的切片特征，通常的三维地质建模多指静态建模；动态建模则是对连续变化地质现象的一种表达，如地下水污染、盆地模拟和滑坡模拟等。5)从建模的方法思路方面可分为正演和反演。正演模拟地质体的变化过程；反演侧重于利用现有的结果反演其变化历程[6]。
通过近几年的研究和探索，目前已形成一批针对具体应用比较成功的三维地质建模方法。
2. 三维地质建模方法研究进展
2.1 基于钻孔信息的三维地质建模方法
根据钻孔数据构建三维地质模型一直是国内外研究的热点，并取得了一定的研究成果。朱合华等（2003）提出了一种适合工程地质和岩土工程学科特点，基于钻孔信息的地层数据模型构建方法[7]。该方法采用了面向对象的方法，类层次关系的数据结构、模型的构造过程条理清晰，借助于Delaunay三角网来构造三维拓扑关系，简化了三维形体之间复杂的拓扑关系。
朱良峰等（2003）提出了一种根据钻孔数据构建三维地层实体模型的简易方法：钻孔--层面模型法[8]。根据实际的工程钻孔数据，允许用户结合专家经验和其他勘察手段获取的成果，生成并编辑相邻钻孔之间的一系列剖面图，将编辑后的剖面图保存并与原有的钻孔数据一起生成三维地层模型，并且能够将用户手工编辑修改的钻孔剖面图融人实际建模流程，解决了以往单纯依靠钻孔数据建模而导致的建模结果不精确且难以修正的问题。
上述这些建模方法的共同特点是充分利用钻孔信息，来快速建立地层模型，并允许用户交互操作，具有简单实用、快捷的特点。
胡杨泪的启发
2.2 基于剖面的地质建模方法
心理月刊在线阅读
thinkcentre m7100z剖面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，是非常重要的建模源数据。近年涌现出了很多以剖面为中心的建模方法。
屈红刚等（2008）提出基于交叉折剖面的建模方法，采用基于边界表达的实体模型，具体通过不规则三角网来实现，包括以下5个主要的步骤：剖面数据准备、地质界面建模、建模区边界面建模、地质界面修正及光滑、封闭成体。该方法扩大了建模可利用的数据源，提高了建模的自动化程度，构建的模型质量也得到较大提升太中银[9]。
明镜等（2008）提出基于网状含拓扑剖面的三维地质多体建模方法，利用一系列含有“结点–弧段–多边形”拓扑关系的、相互连接成网状的剖面，来进行多个地质体的三维模型构建，建立好的模型间没有空隙和交叠，且模型之间存在三维拓扑关系[10]。该方法将建模区域划分为若干网格分区，每个分区独立进行模型构建，最后将各分区模型拼合成为全区整体模型。建模过程中提供对模型的整体光滑，保证了多体建模的整体数据一致性。该方法具有以下优点：多体建模、能够针对大范围的区域进行高精度的复杂地质模型快速构建、模型便于扩展和复用。
汽车使命2.3 多条件约束地质建模方法
潘懋等（2007）指出由于地质情况的复杂性等特点，寄希望于寻求一种普适的方法解决所有地质模型的构建是不现实的，更现实的方法是针对不同的地质复杂程度、不同的工作阶段、不同的资料丰富程度等，提出多方法集成的综合解决方案[6]。并提出了“多元数据—多方法集成—多层次干预”的“三多”建模思路。其中“多元数据”就是在建模过程中，尽量收集、使用更多的可利用数据，而且尽量使用原始数据；同时根据原始数据的可靠度分别处理，当原始数据较少时，可考虑添加辅助数据。“多方法集成”即在三维地质建模过程中，
针对问题的复杂程度等，提供多种建模方法。“多层次干预”即要处理好自动建模和交互式建模的关系。一方面，在保证建模精度的前提下，尽可能提高建模的自动化程度，这是三维建模的努力方向；另一方面，应提供用户多层次干预的手段和工具，以加入专家的知识和经验，提高建模结果的可靠性。
朱发华等（2009）结合地质雷达探测图像和钻孔数据共同用于地层的三维建模，根据反射波组的同相性和反射波形的相似性，通过与钻孔采样数据的对比，从处理后的地质雷达数据中提取出虚拟钻孔数据用于建模[11]。该方法将地质雷达数据与钻孔数据对照分析可以生成一系列位于测线上的地层界面数据点，将它们采用适当的插值方法应用于三维地层建模，可以构建出更平滑的地层界面，更准确地反映实际地层。
花卫华（2010）提出多约束条件下的复杂三维地质结构模型快速构建方法的主要思路[12]:采用不规则三角网数据模型，综合分析各个建模数据源的特性，以交叉网格状的地质剖面数据为主体，根据交叉剖面确定建模区域的空间结构，划分出田字状的模型单元格，在单元格内同时约束其他各类地质建模数据源。对建模数据源进行数据融合和归并，形成单元格内的建模点状数据源和线状数据源。通过快速搜索单元格内每个地层融合后的点线数据
源，自上而下次建立单元格内每个地层的地质面模型。所有单元格内的地质面模型都建立结束后，合并单元格之间的同种地层属性的地质面，并利用地层编辑工具和地质面相交处理工具切断相交的地质面模型，保证地质面的空间拓扑正确性。
高寿涛等（2010）综合利用测井、地质、三维高精度地震、井间地震等多尺度资料，建立了复杂断块的精确三维构造模型[13]，提高了构造面的分辨率，准确地做到断点、断层的空间归位，平面上的井点资料和空间的地震数据相吻合，有效提高了建模的精度。
2.4 特殊地质体建模方法
包含逆断层、倒转褶皱等复杂地质体的三维数学描述与模拟，至今仍然是三维地质建模的热点和难点。
侯卫生等（2007）按照多层DEM建模的思想，结合平面地质图数据的特点，本文提出了以线框架模型来表达地质体各要素的空间几何形态和拓扑关系，并以此为基础提出了断层面整体构建技术思路，解决了地层交错情况下断层面的模拟和地层面的模拟，实现了复杂断层的三维建模[14]。
车德福等（2010）以GTP作为基本体元构建三维地质模型，针对建模过程中由于断层等因素引起的地层错断处构建方法展开研究，提出了局部虚拟建模钻孔构建的方法[15]，该方法能够自动地、相对准确地进行地层错断处的三维建模，克服了目前其他方法处理这种现象过程中交互过程繁琐及结果不确定的缺陷，充分发挥GTP体元在三维地质建模的优势，扩展了钻孔数据建模的适用范围和表现能力。
总的来看，针对带断层的三维地质建模研究，主流的建模方法主要分为两种，基于地层恢复的断层建模技术和基于分区插值的断层建模技术。基于地层恢复的断层建模技术首先不考虑断层的存在，而是根据所有的采样点数据进行发生断层之前统一的三维地质建模，获得没有断层时的三维地质模型。当模型建立好之后，再读取断层数据，加入断层，恢复到地质体发生断裂后的真实状态。基于分区插值的断层建模技术与整体法断层建模技术不同，它首先根据断层数据把整个的地质体划分为不同的区块，然后分别考虑各个区块地质体的三维建模，最后把各个区块按照一定的关系组合到一起，形成一个完整的三维地质模型。
3. 三维地质建模方法研究展望天地欣
由于地质对象形状极为复杂，变化多样，多分支、不连续、各向异性，这种复杂关系既有空间结构方面的也有属性量变方面的，使得很难有一种三维地质建模方法可以适用所有的情况。所以需要考虑综合使用多源数据、多种地质因素和复杂条件进行地学模拟，设计可在一定的范围内建立多种可能的实现、产生最符合地质规律的模型构建方案。同时，由于大量的极其不规则的断层、地质体、钻孔、矿体、坑道等在三维描述与显示方面非常复杂，在选择数据模型上也存在很大困难：矢量结构难于解决实体内部不均匀现象，栅格结构无法满足拓扑关系分析的要求，而且表示精度也不能令人满意。特别是对于包含逆断层、倒转褶皱等复杂地质体的三维数学描述与模拟，由于增加了数据结构拓扑关系以及相应算法的复杂程度，至今仍然缺乏完善可行的构模方法和技术，需要在未来的研究中加以改进和完善，并进一步深化。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议