張寶一，吳湘濱，王麗芳，劉修國(guó)，吳信才

（1.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

隨著“數(shù)字礦山”“數(shù)字油田”“數(shù)字城市”等概念的日趨成熟，二維空間信息表達(dá)方式的局限性愈來(lái)愈明顯，眾多地學(xué)研究領(lǐng)域都迫切需要從真三維空間角度來(lái)分析和解決問(wèn)題，從而將三維地質(zhì)建模研究推向了前所未有的戰(zhàn)略高度。所謂三維地質(zhì)建模，是指運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論和技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)與各要素之間的關(guān)系及其物理、化學(xué)屬性的空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，對(duì)地質(zhì)空間及相關(guān)的人類(lèi)工程活動(dòng)進(jìn)行真三維再現(xiàn)和分析的科學(xué)與技術(shù)［1］。

Houlding最早詳細(xì)地闡述了實(shí)現(xiàn)地下三維可視化技術(shù)的一些基本方法，涵蓋了空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、三角網(wǎng)的生成方法、三角網(wǎng)面模型的構(gòu)建方法、地質(zhì)邊界的圈定和連接、儲(chǔ)量計(jì)算方法、采礦設(shè)計(jì)等諸多地下三維可視化技術(shù)的核心理論，Lynx軟件系統(tǒng)就是基于該理論體系實(shí)現(xiàn)的［1］。Mallet基于一系列互聯(lián)的曲面提出一種新的地質(zhì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，以適應(yīng)地質(zhì)、地球物理和油藏工程中三維實(shí)體與屬性建模的需要，該方法體系是GoCAD軟件系統(tǒng)的主要技術(shù)支撐［2］。吳立新等將三維地質(zhì)建模的應(yīng)用分為三維可視化、三維查詢(xún)、三維分析、工程應(yīng)用4個(gè)目標(biāo)層次，城市、礦山與巖土工程領(lǐng)域信息化的快速發(fā)展促進(jìn)了高層次3D地學(xué)空間建模與應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)［3］。潘懋等概括了“多源數(shù)據(jù)－多方法集成－多層次干預(yù)”的三維地學(xué)模擬“三多”建模思路［4］。三維地質(zhì)建模的迅速興起正逐漸改變著傳統(tǒng)的地質(zhì)工作方式，不同期次、來(lái)源、類(lèi)型的數(shù)據(jù)得以在統(tǒng)一的平臺(tái)下進(jìn)行整合，從而使經(jīng)年積累的地質(zhì)資料得到充分有效的開(kāi)發(fā)和利用。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，地質(zhì)資料電子成果將不再以報(bào)告、圖表等方式提交，取而代之的將是三維數(shù)據(jù)集（其中包括三維地質(zhì)模型和相關(guān)原始數(shù)據(jù)等）；三維地質(zhì)建模也為后續(xù)的三維可視化的數(shù)值分析提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，可以在構(gòu)造模擬、工程勘察、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、油氣藏勘探和地下水模擬等領(lǐng)域開(kāi)展更深入的研究。三維地質(zhì)建模將是不同專(zhuān)業(yè)、期次、來(lái)源、類(lèi)型的數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的環(huán)境下進(jìn)行集成、建設(shè)多源地學(xué)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的有效途徑［5］。

1 三維空間數(shù)據(jù)模型

三維地質(zhì)建模所研究對(duì)象的特殊性對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型提出了更高的要求，不僅要表達(dá)地學(xué)對(duì)象本身及其之間的拓?fù)潢P(guān)系，而且還要能夠存儲(chǔ)和管理地學(xué)對(duì)象的屬性信息。三維空間數(shù)據(jù)模型按照其組織形式可分為基于實(shí)體（要素）的模型、場(chǎng)模型和混合數(shù)據(jù)模型3類(lèi)。

1.1 實(shí)體（要素）模型

實(shí)體（要素）的模型將三維地質(zhì)空間表示為點(diǎn)、線(xiàn)、面、體4類(lèi)幾何實(shí)體的組合，側(cè)重于表達(dá)地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和各要素之間的關(guān)系。由于地質(zhì)界面之間以及地質(zhì)體與地質(zhì)界面之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)合理的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以表達(dá)地質(zhì)體各構(gòu)造元素之間的拓?fù)潢P(guān)系是十分必要的。三維實(shí)體模型按照其拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)方式，可分為多層DEM模型、邊界表示模型、線(xiàn)框模型、斷面模型等幾種。

（1）多層DEM模型：適合在地質(zhì)領(lǐng)域描述層狀分布的巖（土）層，該模型以若干DEM分別模擬各個(gè)地質(zhì)分界面，再進(jìn)行縫合處理以達(dá)到對(duì)層狀地質(zhì)體建模［6］。

（2）邊界表示（B－rep）模型：通過(guò)構(gòu)造地質(zhì)體的外表面來(lái)表達(dá)三維地質(zhì)體，將空間對(duì)象分解為7類(lèi)基本元素的組合，即域（region）、殼（shell）、體（volume）、面（face）、環(huán)（loop）、邊（edge）、點(diǎn)（vertex），各類(lèi)元素由幾何數(shù)據(jù)、類(lèi)型標(biāo)識(shí)碼以及其他類(lèi)元素的關(guān)系組成［7－8］。

（3）線(xiàn)框（wire frame）模型：建立實(shí)體棱邊起點(diǎn)至終點(diǎn)坐標(biāo)的線(xiàn)段表，形成一系列空間多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)多邊形網(wǎng)格作為三維實(shí)體的外形線(xiàn)。

（4）斷面（section）模型：通過(guò)一系列平面圖或剖面圖來(lái)描述地質(zhì)體的空間形態(tài)，記錄地質(zhì)信息，適合在地質(zhì)領(lǐng)域描述特定剖面上的礦床或構(gòu)造形態(tài)。

1.2 場(chǎng)模型

場(chǎng)模型是將三維地學(xué)空間剖分為規(guī)則或不規(guī)則體元構(gòu)成的連續(xù)場(chǎng)，側(cè)重于表達(dá)三維地質(zhì)空間內(nèi)物理、化學(xué)屬性的空間分布特征。規(guī)則體元一般用于地球物理場(chǎng)和地球化學(xué)場(chǎng)建模，如三維柵格結(jié)構(gòu)和八叉樹(shù)模型是一種無(wú)采樣約束的面向場(chǎng)物質(zhì)（如重力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、礦體品位）的連續(xù)空間的標(biāo)準(zhǔn)分割方法；不規(guī)則體元是一種可用于描述有采樣約束的地質(zhì)地層界面、地質(zhì)構(gòu)造的面向?qū)嶓w的三維數(shù)據(jù)模型，如四面體格網(wǎng)和三棱柱模型可以精確描述地質(zhì)體的表面形態(tài)，并可以像實(shí)體模型一樣具備拓?fù)潢P(guān)系。

（1）三維柵格（3Draster）結(jié)構(gòu)：以一組規(guī)則尺寸的三維柵格來(lái)剖分所要模擬的空間，并建立與屬性的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，它是二維柵格在三維中的拓展。

（2）八叉樹(shù)（octree）模型：用層次式的三維空間子區(qū)域來(lái)代替大小相等、規(guī)則排列的三維柵格，實(shí)質(zhì)上是對(duì)三維柵格結(jié)構(gòu)的壓縮改進(jìn)，它是二維四叉樹(shù)在三維空間中的擴(kuò)展。

（3）四面體格網(wǎng)（TEN）模型：其實(shí)質(zhì)是2DTIN結(jié)構(gòu)的3D擴(kuò)展，基本思路是用三維Delaunay四面體化算法將三維空間中無(wú)重復(fù)的散亂點(diǎn)集剖分構(gòu)成四面體格網(wǎng)。

（4）三棱柱（TP）模型：以三棱柱體作為基本體元，三棱柱體包含的幾何元素有點(diǎn)、三角形邊、三角形面、四邊形面，針對(duì)地質(zhì)體尖滅、錯(cuò)斷等復(fù)雜地質(zhì)體建模，三棱柱體元又演變?yōu)轭?lèi)三棱柱（ATP）［9］、似三棱柱體（QTPV）［10］及廣義三棱柱（GTP）［11－12］等形式。

1.3 混合數(shù)據(jù)模型

從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，場(chǎng)模型適合于空間運(yùn)算與空間分析，但難以精確表達(dá)地質(zhì)體邊界且數(shù)據(jù)量大；實(shí)體模型數(shù)據(jù)量小，便于數(shù)據(jù)顯示與空間查詢(xún)，但不能表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)屬性變化，且難以組織有效的空間分析。由于三維形態(tài)和拓?fù)涞膹?fù)雜性，很難用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型對(duì)多變的三維空間信息進(jìn)行完整有效的描述，采用混合數(shù)據(jù)模型不失為一種可行的方法，一個(gè)好的混合模型應(yīng)該既具備邊界模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、精確的優(yōu)點(diǎn)，又擁有體元模型簡(jiǎn)單、通用的長(zhǎng)處。史文中提出了不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和八叉樹(shù)的混合數(shù)據(jù)模型［13－14］；李德仁和李清泉提出了適用于海洋、地質(zhì)領(lǐng)域的基于八叉樹(shù)和四面體的混合模型［15－16］；熊偉等提出了基于TIN的不規(guī)則五面體模型［17］；程朋根等提出適合地質(zhì)勘探領(lǐng)域的基于多層DEM與似三棱柱體元的混合三維數(shù)據(jù)模型［6］。

目前，三維地質(zhì)建模既沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，也沒(méi)有形成能為大多數(shù)人所接受的理論與模式，因而針對(duì)具體的地質(zhì)數(shù)據(jù)特征、地質(zhì)體形態(tài)和應(yīng)用目的，可能會(huì)選擇截然不同的數(shù)據(jù)模型。

2 三維地質(zhì)建模方法

2.1 三維地質(zhì)實(shí)體建模方法

基于實(shí)體的三維地質(zhì)建模方法，以物體邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體，以構(gòu)成地質(zhì)空間各要素（地質(zhì)面／地質(zhì)體）之間的拓?fù)潢P(guān)系作為約束條件，通過(guò)拼接、切割、指定等方式達(dá)到構(gòu)建整個(gè)地質(zhì)空間的目的，并給出完整和顯式界面描述。常見(jiàn)的基于實(shí)體的三維地質(zhì)建模方法有：

（1）多層DEM構(gòu)模法：首先按DEM的方法表達(dá)每個(gè)巖（土）層界面；然后根據(jù)巖（土）層的類(lèi)別對(duì)地質(zhì)空間進(jìn)行交叉劃分處理，形成三維地層模型的骨架結(jié)構(gòu)；再將多層DEM表面兩兩縫合成三維地層模型［18－19］。以鉆孔采樣點(diǎn)為主要數(shù)據(jù)源的三維地質(zhì)實(shí)體建模一般采用多層DEM法，但該方法難以處理非連續(xù)型地質(zhì)體（區(qū)域內(nèi)存在斷層情況）、地質(zhì)界面為多值曲面（褶皺型地質(zhì)體）、地層存在分支或倒轉(zhuǎn)等復(fù)雜的地質(zhì)情況［20］。

（2）邊界表示構(gòu)模法：用多個(gè)面（可以是斷層面、地層面、邊界面或其他地質(zhì)界面）圍成的封閉空間來(lái)表達(dá)地質(zhì)體，而不是僅僅用頂、底、側(cè)面，其基本思路是：首先將三維地質(zhì)空間按某種規(guī)則（如斷層格局、褶皺分段）劃分成不同的子空間；然后將各個(gè)子空間按一定的規(guī)則（如地層年代、巖性）分解成若干獨(dú)立的地質(zhì)體，每個(gè)地質(zhì)體又由地質(zhì)界面、斷層面與空間邊界面圍成；這些地質(zhì)體集成在一起就得到了一個(gè)完整的三維地質(zhì)模型［2，20－22］。

（3）線(xiàn)框構(gòu)模法：在人機(jī)交互干預(yù)下，把地質(zhì)界面面上的點(diǎn)用線(xiàn)段連接起來(lái)，形成一系列空間多邊形，再把這些多邊形面拼接起來(lái)形成一個(gè)空間多邊形網(wǎng)格（即線(xiàn)框模型）來(lái)模擬地質(zhì)邊界［23－26］。

（4）斷面構(gòu)模法：將剖面圖（或斷面圖）作為主要的數(shù)據(jù)源，剖面圖勾勒出的是剖面與地質(zhì)體的交線(xiàn)，表現(xiàn)為長(zhǎng)短不一的輪廓線(xiàn)（開(kāi)放或閉合），通過(guò)在一系列平面圖或剖面圖上的二維輪廓線(xiàn)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將對(duì)應(yīng)的輪廓線(xiàn)拼接起來(lái)表示地下地質(zhì)界面［27－31］。

2.2 三維地質(zhì)場(chǎng)建模方法

基于場(chǎng)的三維地質(zhì)構(gòu)模方法將三維地質(zhì)空間抽象為三維體元的集合。常見(jiàn)的基于場(chǎng)的三維地學(xué)構(gòu)模方法有：

（1）八叉樹(shù)構(gòu)模法：將三維地質(zhì)空間逐級(jí)細(xì)分成8個(gè)卦限，均質(zhì)卦限采用較大的體元，非均質(zhì)卦限則繼續(xù)細(xì)分到均質(zhì)體元為止［32－33］。該方法由勘探網(wǎng)度調(diào)節(jié)體元的大小，具有可調(diào)節(jié)的分辨率，可對(duì)空間進(jìn)行逐次分解，用合適精度來(lái)表示地質(zhì)實(shí)體。

（2）四面體構(gòu)模法：是二維Delaunay三角剖分算法在三維中的推廣，即依據(jù)空間中的三維散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用三維Delaunay法則把空間剖分成一系列鄰接但不重疊的不規(guī)則四面體，該方法能夠表達(dá)不規(guī)則邊界的復(fù)雜地質(zhì)體的幾何形態(tài)，并可以通過(guò)四面體間的鄰接關(guān)系反映空間實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系［22，34－35］。

（3）三棱柱構(gòu)模法：用上下對(duì)應(yīng)三角形和豎直方向的3條棱構(gòu)成的三棱柱體元對(duì)三維空間進(jìn)行剖分，三棱柱體元形態(tài)拓展后3條棱邊可以不平行、頂?shù)酌嬉部梢圆黄叫?、棱邊長(zhǎng)度可以為零等［11，36－38］。

2.3 實(shí)體模型與場(chǎng)模型的相互轉(zhuǎn)換

場(chǎng)模型可以表達(dá)礦石品位、溫度、孔隙度、煤層、油藏等地質(zhì)屬性，是在三維空間中連續(xù)變化的場(chǎng)；實(shí)體模型是以TIN等網(wǎng)格表面圍成的空間閉合實(shí)體。由于三維地質(zhì)建模中實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，實(shí)體模型和場(chǎng)模型往往需要互相轉(zhuǎn)化［39］。場(chǎng)模型的構(gòu)建需要依賴(lài)實(shí)體建模得到的地質(zhì)體封閉表面（將表面封閉的地質(zhì)體轉(zhuǎn)換為三維體元的集合），因?yàn)閳?chǎng)的某些屬性值在地質(zhì)體內(nèi)是漸變的，而在地質(zhì)體邊界位置卻發(fā)生突變；對(duì)場(chǎng)的屬性值按照某種規(guī)則進(jìn)行分類(lèi)，可以得到各類(lèi)別的分界面，抑或提取某一屬性的等值面，其結(jié)果就是由三維分界面組成的地質(zhì)實(shí)體。

為什么會(huì)沉默時(shí)充實(shí)，開(kāi)口時(shí)空虛？因?yàn)橐坏╅_(kāi)口，就像戰(zhàn)士沖出了戰(zhàn)壕，將自己完全暴露于敵人的火力之下。為此，如果沒(méi)有直接傷害到個(gè)人利益，許多人都會(huì)選擇沉默。過(guò)去如此，現(xiàn)在也是如此。至于戰(zhàn)陣中伙伴的變化，也是經(jīng)常發(fā)生的事情，高升的不再下顧，退隱的不再出頭，所以那些站在前邊的改革者和吶喊著，會(huì)經(jīng)常地感覺(jué)到苦悶和孤獨(dú)。

由實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為場(chǎng)模型，就是將目標(biāo)的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體等要素用規(guī)則或不規(guī)則體元的有序集合表示。將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為由立方體或長(zhǎng)方體體元構(gòu)成的三維柵格結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程可看作是對(duì)空間多面體的三維柵格化，關(guān)鍵是要區(qū)分多面體內(nèi)和體外的點(diǎn)的屬性值，即判斷任意一點(diǎn)與多面體的位置關(guān)系，通常采用基于交點(diǎn)個(gè)數(shù)法或向量運(yùn)算法進(jìn)行判別［30］。由多層DEM法構(gòu)建的實(shí)體模型，地層面由鉆孔數(shù)據(jù)插值擬合而成，其上下對(duì)應(yīng)的不同層之間則是由規(guī)則格網(wǎng)分解而成的三角網(wǎng)，因此，上下對(duì)應(yīng)三角形和豎直方向的3條棱即構(gòu)成了三棱柱體元，對(duì)于棱邊有一或兩條長(zhǎng)度為零、三棱柱的側(cè)面不是平面、棱柱頂?shù)酌嬉膊黄叫械惹闆r可作為特殊三棱柱體元［1，10－12，40］。以實(shí)體模型中 的點(diǎn)、邊、面和 體 為約束的Delaunay四面體剖分可以將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為場(chǎng)模型，但僅限于空間實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劃分，難于表達(dá)三維面狀實(shí)體及線(xiàn)狀實(shí)體［41－42］。

3 三維地質(zhì)建模應(yīng)用實(shí)例

隨著現(xiàn)代地質(zhì)勘察與勘探技術(shù)的發(fā)展以及GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)的信息積累，越來(lái)越多的三維地質(zhì)建模軟件系統(tǒng)在為推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著作用。

3.1 礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

三維地質(zhì)建模軟件系統(tǒng)在礦產(chǎn)資源領(lǐng)域的應(yīng)用由來(lái)已久，比較有代表性的有Surpac，Micromine，Vulcan，Lynx，Gemcom，Datamine，MVS，Mine－Sight等［9，25，43］。利用地質(zhì)體三維可視化技術(shù)以直觀的方式展示地下三維空間的極其不規(guī)則的地質(zhì)構(gòu)造、礦體、勘探工程（槽探、井探、坑探、鉆探）、巷道等實(shí)體，能夠幫助地質(zhì)工作者有效地處理礦山勘查和開(kāi)采中獲取的大量野外測(cè)量和樣品分析數(shù)據(jù)，從而更好地指導(dǎo)礦業(yè)開(kāi)發(fā)，減少礦山開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)［30，44］。三維地質(zhì)建模在遼寧紅透山銅礦外圍及深邊部隱伏礦體成礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［45－46］，其基本思路為：

（1）構(gòu)建實(shí)體模型。二維輪廓線(xiàn)重構(gòu)三維表面技術(shù)是由剖面（斷面）上的地質(zhì)體截面形態(tài)來(lái)構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型的主要算法。將勘探區(qū)的所有勘探線(xiàn)剖面（或中段地質(zhì)平面圖）映射到三維空間，按照地質(zhì)體的趨勢(shì)，利用輪廓線(xiàn)重構(gòu)面技術(shù)在相鄰勘探線(xiàn)（或中段）之間用三角網(wǎng)連接三維地質(zhì)體表面，就構(gòu)成了地質(zhì)體的實(shí)體模型。圖1為紅透山銅礦從中段平面圖上提取的礦體輪廓線(xiàn)及建立的三維礦體模型。

（2）構(gòu)建場(chǎng)模型。實(shí)體模型是以TIN面表示的空間封閉實(shí)體的集合，一般用于三維可視化顯示；在進(jìn)行礦化分布、地質(zhì)控礦因素表達(dá)時(shí)則通常使用三維場(chǎng)模型，即將整個(gè)三維地質(zhì)空間剖分為連續(xù)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的三維可視化仿真環(huán)境中對(duì)地質(zhì)、物化探、勘探數(shù)據(jù)等多源地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的集成［46］。圖2為紅透山礦體中Cu，Zn，S，Au，Ag元素品位的三維場(chǎng)模型。

（3）估算資源量。由于計(jì)算體積方法的不同和劃分計(jì)算單元方法的差異，形成了各種不同的資源量估算方法，常用的有地質(zhì)塊段法和斷面法（包括垂直剖面法和水平斷面法）等。在礦體三維實(shí)體模型建立后，可以根據(jù)地質(zhì)人員的指令來(lái)交互式地劃分塊段，塊段體積和資源量可以根據(jù)實(shí)體模型計(jì)算得到。若建立了礦體的三維場(chǎng)模型后，也可以根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法進(jìn)行礦體的品位估計(jì)和資源量估算。在資源量估算的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)任意塊段和礦區(qū)資源量進(jìn)行分類(lèi)管理和品位噸位曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)。

3.2 城市地質(zhì)中的應(yīng)用

為保障城市的可持續(xù)發(fā)展，協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展與地質(zhì)環(huán)境間的關(guān)系，對(duì)區(qū)域地下空間信息（特別是地下地質(zhì)信息）進(jìn)行全面詳細(xì)的調(diào)查與研究，預(yù)測(cè)城市發(fā)展引起的地質(zhì)環(huán)境變化，就要將區(qū)域地下空間信息化建設(shè)納入“數(shù)字城市”系統(tǒng)工程的框架之中。

圖1 遼寧紅透山銅礦三維礦體輪廓線(xiàn)（a）及實(shí)體模型（b）Fig.1 3Dore－bodies contours（a）and entity model（b）of Hongtoushan copper mine，Liaoning

圖2 紅透山礦體Cu，Zn，S，Au，Ag元素品位場(chǎng)模型Fig.2 Copper，zinc，sulfur，gold，and silvergrade field models of ore－body in Hongtoushan copper mine

2004年以來(lái)，我國(guó)先后啟動(dòng)了環(huán)渤海、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等三大都市圈中心城市的多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查工作，即圍繞制約城市可持續(xù)發(fā)展的資源、環(huán)境等綜合因素，在城市行政區(qū)綜合考慮各種地質(zhì)因素，采用地質(zhì)、測(cè)繪、遙感、物探、化探、鉆探、監(jiān)測(cè)、測(cè)試和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代綜合方法和手段，以已有地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，開(kāi)展多學(xué)科、多目標(biāo)、多用途的綜合城市三維地質(zhì)調(diào)查，為三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)［8，47－48］。三維地質(zhì)建模技術(shù)通過(guò)對(duì)城市地質(zhì)體在地下空間的相對(duì)位置、形態(tài)、物化特征等三維可視化表達(dá)，應(yīng)用于城市巖土工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程，有助于制訂出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計(jì)與施工方案。以“上海市三維可視化城市地學(xué)信息咨詢(xún)與服務(wù)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)為例［28，49－50］，三維地質(zhì)建模在城市地質(zhì)中的典型應(yīng)用包括：

（1）工程地質(zhì)三維建模。工程（水文）地質(zhì)三維建模的研究對(duì)象多呈層狀或似層狀，即巖（土）層的界面多為單值曲面，故宜采用多層DEM構(gòu)模法來(lái)建立三維地質(zhì)實(shí)體模型，建模的數(shù)據(jù)源包括鉆孔、剖面圖、等值線(xiàn)數(shù)據(jù)。建模的基本思路為：利用各鉆孔、剖面或其他能揭示巖層分界點(diǎn)、巖體工程特性分界點(diǎn)、巖體構(gòu)造的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照DEM的方法對(duì)各個(gè)層面進(jìn)行插值和擬合運(yùn)算，并在同一坐標(biāo)系中表示出來(lái)，每一巖層就能形成相對(duì)應(yīng)的DEM；再將多層DEM表面模型邊界兩兩縫合形成空間中嚴(yán)格按照地層屬性為要素劃分的三維巖（土）層模型。圖3為上海市臨港新城的工程地質(zhì)層三維模型。

（2）三維模型可視化交互分析。在三維環(huán)境下可以對(duì)地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行縮放、平移、剝離、疊加、拾取、紋理、透明及飛行模擬、虛擬漫游、屬性查詢(xún)等操作，從不同角度和方位觀察模型。也可對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行任意切割分析，利用平面斜切、水平剖切、折線(xiàn)垂直剖切、組合剖切等操作模擬立體柵狀圖、模擬基坑開(kāi)挖效果，如圖4所示。

圖3 上海市臨港新城工程地質(zhì)層三維模型Fig.3 3Dmodel of engineering geological layers in Lingang New City，Shanghai

圖4 三維地質(zhì)模型的剖切Fig.4 Cutting of 3Dgeological model a.組合剖切；b.立體柵狀圖；c.基坑開(kāi)挖

（3）虛擬鉆探分析。虛擬鉆探是指在三維地質(zhì)模型建立后，由給定待鉆探位置坐標(biāo)及鉆探深度后，分析鉆孔遇到的地層屬性及結(jié)構(gòu)狀況，并結(jié)合周?chē)阎@孔資料，獲取像鉆探一樣得到“巖心結(jié)構(gòu)”。

3.3 地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

地下水資源信息表達(dá)不僅是量上的概念，更重要的是其在空間上的分布，進(jìn)行地下水資源的計(jì)算，需要表達(dá)與之相關(guān)聯(lián)［51］。運(yùn)用三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)，可直觀地表達(dá)地下水水文地質(zhì)層的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部物理、化學(xué)屬性（即地下水的賦存環(huán)境），地下水水位、水質(zhì)等的時(shí)空分布及地下水流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，地下水降落漏斗的形成與發(fā)展過(guò)程以及地下水污染物的運(yùn)移規(guī)律，從而輔助決策地下水 資 源 的 開(kāi) 采［52－56］。GMS，Visual Mod－Flow，Visual Groundwater，PHREEQC，HST－3D，TNT－mips等地下水三維模擬軟件已在國(guó)內(nèi)外地下水資源評(píng)價(jià)領(lǐng)域中廣泛使用。以華北平原含水層組三維模型的構(gòu)建為例［28］，其建模步驟如下：

（1）水文地質(zhì)剖面處理。為構(gòu)建華北平原含水層組三維模型，共搜集了水文鉆孔1 620個(gè)，依照鉆孔信息繪制了華北平原水文地質(zhì)剖面圖31幅（圖5）。為反映含水層組宏觀上的地質(zhì)概況，以含水層巖性為基礎(chǔ)，以水文地質(zhì)條件為依據(jù)，結(jié)合中層咸水的分布和地下水開(kāi)發(fā)利用狀況，對(duì)水文地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行概化，將埋深400m以上的含水層劃分為4個(gè)含水層組：Ⅰ含水層組，基本以第四系上更新統(tǒng)底界面為下限；Ⅱ含水層組，基本以第四系中更新統(tǒng)底界面為下限，主要對(duì)應(yīng)于第四系中更新統(tǒng)地層；Ⅲ含水層組，基本以第四系下更新統(tǒng)底界面為下限，主要對(duì)應(yīng)于第四系下更新統(tǒng)地層；Ⅳ含水層組，屬于新近系明化鎮(zhèn)組上段地層。

（2）水文地質(zhì)剖面處理。以水文地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)為主，以水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)、含水層組底界埋深等值線(xiàn)數(shù)據(jù)、地表高程等值線(xiàn)數(shù)據(jù)等作為約束條件，建立了華北平原含水層組三維模型（圖6）。模型構(gòu)建之后可采用四面體等體元模型對(duì)其進(jìn)行剖分，用于復(fù)雜地下水流場(chǎng)問(wèn)題的有限元分析。

圖5 華北平原水文地質(zhì)剖面（局部）Fig.5 Local hydrogeological cross－sections of North China Plain

圖6 華北平原含水層組三維模型Fig.6 3Dmodel of aquifers in North China Plain

4 結(jié)語(yǔ)

由于地質(zhì)體本身的不規(guī)則性（表現(xiàn)出自然形和任意形）、采樣有限性（大多數(shù)是稀疏的、隨機(jī)的、不充足的）、地質(zhì)重構(gòu)的特殊性（地質(zhì)界面必須精確通過(guò)采樣點(diǎn)，與機(jī)械設(shè)計(jì)中的自由曲線(xiàn)曲面造型技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別）、應(yīng)用目的差異性等特點(diǎn)，還未能形成為大多數(shù)人所接受的三維地質(zhì)建模模式，因此三維地質(zhì)建模仍將是3DGIS、地球科學(xué)、三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

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