肖興平，蔡五田，阮 俊

（1.中國地質調查局 水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051）

三維地質建模是在計算機軟件平臺中，將空間數據管理、地質剖面解譯、空間分析和擬合、地質統(tǒng)計、地質體屬性分析以及圖形可視化等過程結合起來的綜合性技術[1]。其目的在于以可視化的立體效果表現虛擬的地質體內部環(huán)境，反映地質體的構造形態(tài)和構造關系，展示地質體內部屬性變化規(guī)律。

三維地質模型按虛實程度可分為表面模型和實體模型。表面模型只形成地質體表面，以顏色和紋理反映圖形的視覺感受，直觀表達地質體的幾何形狀；實體模型則是對地質模型進行空間屬性填充后的塊體模型。建立三維地質實體模型能夠實現對地質體進行任意角度的平面切割，從而獲取用戶需求的剖面圖；能夠準確地反映地質體樣品品位的空間分布情況，為地下空間的保護和利用打下堅實的基礎；能夠進行儲量計算，獲得精確的資源儲量。

地下空間三維實體模型綜合運用TIN技術、空間插值技術、數據庫技術、可視化技術等，研究地下空間巖層的結構，揭示地下空間巖層、土壤層和含水層的分布規(guī)律，查明地下空間地質體單元的空間位置，從而為地下空間的保護、利用和開采提供輔助決策的科學依據。它還可進一步研究地下空間地質體內部物理、化學屬性，查明地下空間地質體單元的時空分布、運動變化規(guī)律、地下物質的擴散運移規(guī)律等。地下空間三維實體模型構建在技術方法、建立過程等方面有著豐富獨特的體系，不同于依托數字地形模型(DTM)生成的地表模型。

1 建模的關鍵技術

1.1 TIN技術

TIN是一種表示DEM的技術。與規(guī)則格網相比，它能減少數據冗余；與基于等高線的方法相比，它的計算效率更優(yōu)。這種三角網模型可以進行表面渲染、體積估算、剖面切割、旋轉顯示等操作，能夠滿足地質調查與研究中數字制圖的基本需求，是地下空間三維實體建模的初步方法[2]。TIN技術中的Voronoi圖與Delaunay三角形算法是地下空間實體建模的主要方法。

1.2 空間插值技術

空間數據的插值，即通過樣品采集獲取一部分空間數據，它們既可以是離散的點，也可以是分區(qū)的數據，從這部分已知的空間數據中尋找出一個函數關系式，使該關系式盡可能地吻合這些數據，然后依據該函數關系式計算出空間實體范圍內其他任意點或任意分區(qū)的數值。在空間數據插值中，采集的地下樣品點越多，插值準確度就越高，三維模擬精度就越高；反之采樣點愈少，空間插值誤差就越大。常用的插值方法有線性插值、多項式插值、相似變形插值、克里金插值和樣條插值等，另外還有一些網格插值方法如最小張力法等。

1.3 曲面求交

地質體中存在不同的巖層，當出現斷層、錯斷層、巖層尖滅和地下水出露于河谷地表等情況時，必然涉及到曲面間求交的問題；三維實體模型中地質體的上部邊界是地表曲面，通過空間插值模擬的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，或不顯示超出部分。同理，當顯示多層地層時，每一巖層的上部邊界應是其上一巖層的下部邊界。因此，必須要先解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問題才能實現地層界面可視化。在形成剖面圖時，地質界線是通過剖面與各種地質界面求交所產生的交線。因此，曲面求交包括2方面：地質界面之間的相交，地質界面與剖面的相交[3]。

1.4 可視化技術

在三維實體模型建立過程中必須利用可視化技術，包括色彩渲染、紋理映射、光線處理、動態(tài)效果、霧化效果、透明效果等。在地質數據可視化時，色彩與紋理的有效利用，有助于實現在虛擬三維實體模型中對具體形態(tài)的特征進行表達和分析，如可從不同視角查看、分析并描述三維地質實體，可顯示地質體任意角度的切面、平面、剖面圖和三維實體圖，可顯示所有基于符號化的構造數據、地理參考特征(形跡)、地質接觸、地質單元的二維地圖(平面圖、剖面圖、柱狀圖、任意不整合面下的基巖地質圖)。

另外，數據庫技術、虛擬現實技術等也常常用到三維建模過程當中。

2 應用過程及實例

目前，國際上比較有影響力的三維地質建模軟件有 Earthvision、Datamine、CTech、Geomodeller3D、GSI3D、Vulcan、GOCAD、Micromine等[4]。Micromine公司開發(fā)的Surpac軟件，其強大的三維地質建模功能和良好的視圖表達效果能夠為用戶提供全面、準確和可視化的數據資料，早在2004年9月23日我國國土資源部組織有關專家就對其進行了評審并獲得了正式認定[5]。本文將理論研究和具體實例相結合，以土壤與地下水污染場地為空間實體，以Surpac軟件為平臺，研究了三維建模的一般過程，分析三維實體模型的表達結果。

2.1 建模的實現過程

土壤與地下水污染場地調查是環(huán)境地質工作的一部分。筆者以現有的三維實體建模技術為基礎，歸納的建模過程如下：

1）準備數據源。通過對土壤與地下水污染場地進行實地調查和樣品采集，獲得相關采樣點數據，并對數據進行篩選和分類整理，通常以鉆孔為單元將數據類型劃分為鉆孔定位數據、測斜數據、樣品數據、巖性數據等。其中，鉆孔定位數據包括鉆孔編號、孔口高程、孔口坐標（X、Y、Z）、鉆孔類型等；測斜數據包括鉆孔編號、孔深、方位角、傾角等；樣品數據為含水層系統(tǒng)的各項污染物濃度數據；巖性數據為各項污染物所在地質巖層的巖性。所有數據在Excel表中以規(guī)范的格式存儲，并外掛于Access數據庫中。

2）創(chuàng)建地質數據庫。在Surpac平臺中建立土壤與地下水污染場地鉆孔數據庫，并依次創(chuàng)建collar（定位表）、survey（測斜表）、sample（樣品表）、geology（巖性表），同時創(chuàng)建一個備用的translation（轉換表），所有數據表的字段、類型等依據數據分類特征確定。數據庫建立后，將事先保存在Excel表中的各項數據逐一導入到數據庫中，并對數據的完整性進行查詢，若查出記錄數有誤，則返回修改后重新進行數據表導入。

3）剖面解譯與數據提取。選擇確定鉆孔顯示風格后，在Surpac平臺窗口中通過讀取數據庫顯示鉆孔，并通過選擇孔跡風格、孔口風格、地質圖案、鉆孔標注、圖表、深度標記等對鉆孔進行詳細繪制，形成理想的可視化鉆孔空間圖形效果，以便進行鉆孔剖面的創(chuàng)建。創(chuàng)建鉆孔剖面后，對鉆孔剖面進行相關定義，并逐個解譯。依據解譯后的線文件，創(chuàng)建TIN，建立實體模型，并對實體模型進行有效性檢驗，若檢驗到有重復三角形、連接到無效邊的三角形、自相交三角形、開放邊三角形等情況，可重新創(chuàng)建TIN并生成實體模型。實體模型建立后可實現樣品數據提取、統(tǒng)計分析等功能。

4）建立塊體模型。創(chuàng)建新的塊體模型后，根據鉆孔剖面解譯后的線文件范圍即實體模型范圍來確定塊體模型的適當范圍，并定義用戶塊尺寸，設置塊模型的幾何參數，顯示塊體模型。塊體模型顯示后可在邊界上與已創(chuàng)建好的實體模型進行比較，同時也可為模型建立屬性并賦值。

5）對塊體模型進行空間插值。選擇距離冪次反比法對塊體模型進行估值，估值過程以搜索確定橢球體參數、設置距離反比參數等為主；然后建立塊體模型的圖形約束，再根據屬性為塊體模型著色，通過查看屬性確定是否需要第二次估值。

6）在三維空間窗體中以任意角度查看模型的表面及內部屬性數據，以任意位置切割模型的剖面并查看剖面的屬性數據，同時可生成模型樣品品位等級報告、樣品高程等級報告等文件。模型建立流程如圖1所示。

圖1 污染場地三維地質建模流程圖

1）石油類污染場地土層苯濃度及二氯甲烷濃度三維實體模型。

圖2為河北保定地區(qū)某一土壤與地下水污染場地的苯濃度三維模型平面示意圖。圖中，在5個鉆孔的不同深度位置已經分別顯示了通過調查取樣后得到的污染物苯的濃度值，其他位置污染物苯的濃度值均是通過距離冪次反比法對場地模型進行空間插值后得出的，數值的各區(qū)間范圍以不同的顏色表示。在截圖上僅能看到模型部分表面的污染物分布情況，而在Surpac軟件平臺中，模型內部的污染物濃度分布情況可通過任意角度切割或參數定位切割平面（剖面）的方式查看，模型表面的污染物濃度分布情況可通過手動旋轉或自動旋轉塊體模型來查看。由此可見，在Surpac平臺上利用地下空間三維實體建模技術，建立了典型地區(qū)土壤與地下水污染場地三維模型，表征了污染物的濃度分布情況，分析了土壤與地下水污染現狀與趨向，為地質環(huán)境保護和利用提供了決策依據。

圖2 石油類污染場地土層苯濃度三維模型示意圖

圖3 為河北保定地區(qū)某一污染場地的二氯甲烷濃度三維模型平面示意圖，其原理與圖2類似。

圖3 石油類污染場地土層二氯甲烷濃度三維模型示意圖

2）石油類污染場地水文地質結構實體模型。此類模型建立的流程與前類中的有所不同，其主要目的是為了顯示地下不同巖性的分布情況，因此不需進行數學插值運算，也不需建立塊體模型，在鉆孔剖面解譯完后直接創(chuàng)建實體模型即可。相應的實體模型如圖4所示。

圖4為河北保定地區(qū)某一污染場地的水文地質結構實體模型示意圖。圖中可直觀顯示5個鉆孔的空間分布情況以及各鉆孔在不同深度范圍的巖性分布情況，巖性的類別區(qū)分以顏色為標志。在Surpac平臺中，實體模型可通過手動旋轉或自動旋轉查看不同位置的地層巖性。

圖4 石油類污染場地水文地質結構實體模型示意圖

3 結 語

通過對地下空間三維實體建模關鍵技術的綜合研究，建模技術應用過程的實現以及相關建模實例的分析，表明在地下空間領域三維實體建模已經具備較為完整的技術體系和廣闊的應用前景，能夠充分地利用地球信息科學、地質統(tǒng)計學、計算機科學等交叉學科，高效、準確地實現地層構造及地下環(huán)境信息的虛擬表達，科學提供成果轉化和管理決策依據。

三維實體建模也存在一些不足，現有的技術和手段對依靠部分樣品點數據擬合一個復雜地質實體的精度有待提高，尤其是在數據插值推理過程中對客觀存在的異常值無法有效判斷；另外在建模軟件平臺中，單機處理的三維地質建模工具已具備相當的應用水準，而可網絡共享的三維地質模型信息系統(tǒng)雖有一定的研究但不夠深入。

三維實體建模是信息技術高度發(fā)展的必然產物，因此利用面向對象編程技術、GIS技術、虛擬現實技術等，開發(fā)能實現地下空間三維數據存儲、管理、轉化、分析和表達集成化、一體化的模型系統(tǒng)，實現地下空間三維地質體動態(tài)生成、實時顯示、動畫仿真，是地下空間三維實體建模技術應用的一個新的發(fā)展方向。

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