陳明娥，涂江濤

(深圳市中地軟件工程有限公司，廣東 深圳 518057)

基于規(guī)則庫(kù)的三維地質(zhì)自動(dòng)建模技術(shù)研究

陳明娥，涂江濤

(深圳市中地軟件工程有限公司，廣東 深圳 518057)

利用規(guī)則統(tǒng)一三維實(shí)體間的語(yǔ)義形式化表達(dá)，為建模提供統(tǒng)一的方法。利用三維矢量數(shù)據(jù)模型的框架，對(duì)直鉆孔、斜孔、剖面、等值線、斷層、褶皺等數(shù)據(jù)源，分別按規(guī)則制定一種數(shù)據(jù)格式，對(duì)多源地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和信息融合，經(jīng)過(guò)地質(zhì)面和地質(zhì)體的快速構(gòu)建，提出了建立基于規(guī)則庫(kù)的三維矢量數(shù)據(jù)模型。同時(shí)研究了適合各類地質(zhì)特點(diǎn)的三維模型自動(dòng)構(gòu)建方法，包含多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體自動(dòng)建模技術(shù)、基于剖面單元格劃分的分區(qū)—拼接自動(dòng)建模技術(shù)、多約束下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)快速建模技術(shù)、空間約束條件下三維地質(zhì)屬性建模技術(shù)等。在確保模型精度的前提下，盡量減少人工交互建模的工作量，提高了建模效率。

規(guī)則庫(kù)；三維地質(zhì)；建模技術(shù)

Abstract： In this paper,we use the rule to unify the semantic representation of 3D entities to provide a unified approach of modeling.Using the framework of 3D vector data model,respectively,according to rules to develop a data format,such as straight hole,oblique hole,profile,contour,fault,fold and other data sources,standardization and information fusion of multi-source geological data,through the rapid construction of geological surface and geological body,a 3D vector data model based on rule base is established.And the automatic construction method of three-dimensional model suitable for all kinds of geological features is studied,including multi-source data coupling automatic modeling technique for layered. Automatic modeling of partitioning-splicing based on section cell partitioning,rapid modeling technology of complex geological structures under multi-constraints and 3D geo-attribute modeling technology with spatial constraints and so on.In ensuring the accuracy of the model under the premise,minimize the amount of human interaction modeling effort for improving modeling efficiency.

Keywords： rule base;three-dimensional geology;modeling technology

在重大工程建設(shè)及城市規(guī)劃建設(shè)中，復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題常使項(xiàng)目建設(shè)受到困擾，因此迫切需要研究復(fù)雜地質(zhì)體的快速模擬構(gòu)建。地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性、不確定性和信息不完備等特點(diǎn)使得三維地質(zhì)建模成為制約三維GIS研究及其應(yīng)用的主要瓶頸之一。目前研究大多集中在某一種或幾種數(shù)據(jù)的處理上，對(duì)數(shù)據(jù)的限制很大。如基于剖面數(shù)據(jù)通常采用斷面構(gòu)模法，但要求剖面數(shù)據(jù)不交叉，這樣對(duì)網(wǎng)格狀分布的剖面數(shù)據(jù)就不適用，建模的效率和精度很難保證。

基于此，本文研究利用鉆孔、地質(zhì)剖面、地層等值線、斷層線和物探解譯成果等多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建高精度的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為城市規(guī)劃、國(guó)土資源管理、地質(zhì)勘查、城市應(yīng)急響應(yīng)等各行業(yè)的應(yīng)用提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐，有效提升各行業(yè)的信息化共享能力，為社會(huì)的信息化、智能化和政府決策提供技術(shù)支撐。

1 三維地質(zhì)建模技術(shù)的思考

面對(duì)現(xiàn)有的地質(zhì)問(wèn)題，尤其是城市的發(fā)展帶來(lái)的地面沉降、崩滑流等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，礦山資源枯竭引出的危機(jī)、礦山深部找礦問(wèn)題，導(dǎo)致我們不得不考慮復(fù)雜地質(zhì)體的快速模擬問(wèn)題。在同一個(gè)地區(qū)描述復(fù)雜地質(zhì)體的數(shù)據(jù)源是多種多樣的。鉆孔(包括斜孔)、剖面、地層埋深等值線、地質(zhì)圖、斷層、物探解釋剖面等數(shù)據(jù)的特點(diǎn)均不相同。單一的地質(zhì)數(shù)據(jù)源只能從某方面反映地下地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)特征。為了更加精確地確定復(fù)雜地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，應(yīng)采用多種地質(zhì)數(shù)據(jù)約束建模，避免建模中產(chǎn)生的多解性問(wèn)題。

目前三維地質(zhì)建模的方法有很多，但對(duì)數(shù)據(jù)的限制很大，如果能綜合運(yùn)用各類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，則可以很大程度上降低模型的多解性。一個(gè)比較實(shí)際的思路就是結(jié)合多源地質(zhì)數(shù)據(jù)、結(jié)合多種方法進(jìn)行地質(zhì)模型的自動(dòng)構(gòu)建。

2 多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的融合

2.1 多約束地質(zhì)數(shù)據(jù)源特點(diǎn)

地質(zhì)數(shù)據(jù)多種多樣，通過(guò)三維建模技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)某些地質(zhì)數(shù)據(jù)所反映的信息，如地表地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、礦井坑道數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平面圖和地球物理(化學(xué))地質(zhì)解釋剖面等，不僅描述了三維地理空間信息，更表征了每個(gè)三維空間點(diǎn)/面上相關(guān)的地質(zhì)屬性或地質(zhì)構(gòu)造情況。

2.1.1 地質(zhì)點(diǎn)數(shù)據(jù)

該類數(shù)據(jù)主要包括鉆孔、探槽、坑道、平銅、測(cè)井和一些野外地質(zhì)點(diǎn)數(shù)據(jù)。地質(zhì)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要包括點(diǎn)位的基本信息(位置、高程、孔深等)、地層或巖層描述劃分信息、地層中的取樣和實(shí)驗(yàn)信息。進(jìn)行三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模時(shí)，地質(zhì)點(diǎn)的基本信息和分層信息是必需的數(shù)據(jù)。

2.1.2 剖面數(shù)據(jù)

剖面數(shù)據(jù)來(lái)源較多，主要有鉆孔地層連接而成的剖面圖、野外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查繪制的剖面圖、中段圖和物探解釋后的地質(zhì)剖面圖等。剖面圖反映了建模區(qū)域在沿該線路的地下地層的分布和地層框架結(jié)構(gòu)。

2.1.3 平面圖數(shù)據(jù)

該類數(shù)據(jù)反映了地下地層及各種構(gòu)造在一個(gè)區(qū)域上的分布和交錯(cuò)關(guān)系。這類數(shù)據(jù)同樣不包含屬性數(shù)據(jù)，只包含地層與地質(zhì)構(gòu)造之間在二維平面上的展布關(guān)系。這種平面地質(zhì)圖一般是某一地層的等值線圖或構(gòu)造分布圖。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)地層的參數(shù)化表達(dá)

標(biāo)準(zhǔn)地層的劃分方法有很多種，包括按照地質(zhì)年代劃分、按照巖性劃分，以及按照水文地質(zhì)的透水性進(jìn)行劃分等。將地層的各種屬性以數(shù)學(xué)參數(shù)的方式表達(dá)出來(lái)，可為多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化提供參照。

標(biāo)準(zhǔn)地層表劃分出來(lái)后，其基本信息包括每一地層的名稱、編碼、時(shí)代、巖性、地層描述、地層的顏色、圖案等。考慮到標(biāo)準(zhǔn)地層的層次關(guān)系，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地層表可以轉(zhuǎn)化成一棵標(biāo)準(zhǔn)地層樹結(jié)構(gòu)，每一個(gè)地層即一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)地層的參數(shù)化就可以轉(zhuǎn)化為地層樹結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息參數(shù)化。

利用面向語(yǔ)義的矢量數(shù)據(jù)模型，可以將地層的信息用圖案的顏色和花紋來(lái)表示。根據(jù)每一個(gè)地層的編碼和地層樹節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系，編制地層級(jí)別編碼，界定地層的級(jí)別，即標(biāo)準(zhǔn)地層中的大層、亞層、次亞層等級(jí)別地層。一般情況下，大層按照時(shí)代劃分，亞層和次亞層按照巖性來(lái)劃分，標(biāo)準(zhǔn)地層是一個(gè)自上而下的有嚴(yán)格層次關(guān)系的地層級(jí)別樹。鉆孔、地質(zhì)剖面或地層頂?shù)装宓戎稻€中數(shù)據(jù)的地層可以引用標(biāo)準(zhǔn)地層中的地層信息。對(duì)于簡(jiǎn)單層狀體地質(zhì)體，地層的上下關(guān)系、層次關(guān)系會(huì)嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)地層的要求；對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)體，如基巖出露區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)域等，則僅能夠參照標(biāo)準(zhǔn)地層的參數(shù)信息，而地層的上下鄰接關(guān)系不能完全符合標(biāo)準(zhǔn)地層的要求。

2.3 多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的融合

先將鉆孔點(diǎn)數(shù)據(jù)、剖面圖數(shù)據(jù)、平面地質(zhì)圖數(shù)據(jù)和中段圖數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)要素：鉆孔要素、剖面要素、平面地質(zhì)圖要素和中段圖要素等。然后對(duì)三維地質(zhì)要素進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成新的三維數(shù)據(jù)要素：地質(zhì)點(diǎn)要素、地質(zhì)線要素。進(jìn)行地質(zhì)快速建模時(shí)，需要根據(jù)屬性條件和空間條件快速搜索地質(zhì)點(diǎn)和地質(zhì)線要素，然后進(jìn)行多約束的地質(zhì)面建模。

2.4 多源數(shù)據(jù)一致性處理

鉆孔數(shù)據(jù)、等值線數(shù)據(jù)和交叉地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)的時(shí)期、地質(zhì)特點(diǎn)和精度均不一樣，因此，將這些數(shù)據(jù)融合在一起，難免出現(xiàn)不一致性的問(wèn)題。多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的不一致性主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)表示的地層精細(xì)程度不一樣。

本項(xiàng)目中只討論地層頂板等值線，因?yàn)殂@孔數(shù)據(jù)是相對(duì)比較可信的數(shù)據(jù)，地層不一致性調(diào)整的原則是：以鉆孔和剖面數(shù)據(jù)為基本控制框架，調(diào)整其他的數(shù)據(jù)源。

3 面向語(yǔ)義的三維矢量數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

三維空間對(duì)象本身具有形式復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，對(duì)象之間關(guān)系的表達(dá)難以達(dá)成共識(shí)，特別是對(duì)象之間的空間及非空間關(guān)系等語(yǔ)義信息更是難以統(tǒng)一完整表達(dá)。依據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)用情況，通過(guò)對(duì)三維時(shí)空語(yǔ)義的研究，以形式化的語(yǔ)言對(duì)其表述，建立規(guī)則、關(guān)系模型，構(gòu)建一種面向語(yǔ)義的三維空間矢量數(shù)據(jù)模型——基于規(guī)則庫(kù)的三維空間數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。

模型的空間幾何信息仍采用拓?fù)涿嫦驅(qū)嶓w的三維矢量數(shù)據(jù)模型的幾何表達(dá)方法，而在空間對(duì)象的語(yǔ)義表達(dá)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間對(duì)象語(yǔ)義信息和幾何構(gòu)成的統(tǒng)一、完整的表達(dá)。在實(shí)際建模過(guò)程中，將各種對(duì)象語(yǔ)義信息利用已有的規(guī)則進(jìn)行分析，利用Relation=〈OID，OP，M〉的形式描述需要表達(dá)的關(guān)系集合，其中Relation代表對(duì)象之間的關(guān)系；OID代表對(duì)象的組合；OP代表關(guān)系之間的算法；M代表關(guān)系度量。通過(guò)統(tǒng)一語(yǔ)義的表達(dá)，使語(yǔ)義形式更加簡(jiǎn)練和規(guī)范。

圖1 面向語(yǔ)義的三維空間矢量數(shù)據(jù)模型

三維空間對(duì)象的關(guān)系表達(dá)形式具有多樣性，其規(guī)則也有不同種類，為實(shí)現(xiàn)不同規(guī)則的統(tǒng)一管理，模型中引入規(guī)則庫(kù)的概念。規(guī)則庫(kù)即存儲(chǔ)規(guī)則集合的庫(kù)，它提供對(duì)規(guī)則的定義、判斷和存儲(chǔ)等管理功能，如圖2所示。

圖2 規(guī)則庫(kù)制定流程

三維空間對(duì)象語(yǔ)義規(guī)則定義則從分析數(shù)據(jù)源的質(zhì)量入手，確定數(shù)據(jù)的質(zhì)量元素，逐個(gè)制定質(zhì)量控制的約束規(guī)則，從而形成統(tǒng)一的規(guī)則庫(kù)，并通過(guò)實(shí)際的規(guī)則檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)則庫(kù)的優(yōu)化和有效管理，進(jìn)而來(lái)定義并擴(kuò)展對(duì)象和關(guān)系的種類。這樣，在面向應(yīng)用的建模過(guò)程中，可以對(duì)新認(rèn)知的數(shù)據(jù)對(duì)象和關(guān)系按照對(duì)規(guī)則定義的方式進(jìn)行有效的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)模型就能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行擴(kuò)展。

4 基于約束規(guī)則的三維模型自動(dòng)構(gòu)建方法研究

4.1 具有標(biāo)準(zhǔn)分層的多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體自動(dòng)建模

具有標(biāo)準(zhǔn)分層的多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體自動(dòng)建模技術(shù)的主要思想為：集鉆孔、剖面、平面圖等各種多源數(shù)據(jù)于一體，充分利用一切已知的數(shù)據(jù)源，結(jié)合地質(zhì)學(xué)的規(guī)律和數(shù)學(xué)算法，模擬未知區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而建立整個(gè)區(qū)域的地質(zhì)模型。

整個(gè)自動(dòng)建模采用主TIN(primary TIN)的思想，即所有層面的三角網(wǎng)在平面上的投影都是同一模板，這樣可沿地層深度自上而下推延至建模區(qū)域的全部地層，可以保證各個(gè)地層面具有確定的、上下一致的拓?fù)潢P(guān)系，能夠極大地簡(jiǎn)化后續(xù)處理的復(fù)雜度，增強(qiáng)算法的穩(wěn)健性。

基于各個(gè)地層的建模數(shù)據(jù)通過(guò)插值算法，結(jié)合一些尖滅、缺失信息，即可構(gòu)建出各個(gè)地層面。地層面之間若有交錯(cuò)，則可根據(jù)交錯(cuò)關(guān)系進(jìn)行相交處理，將所有交點(diǎn)更新至主TIN模板中，從而可將交錯(cuò)面分離成若干子面，保證各個(gè)子面之間的拓?fù)湟恢玛P(guān)系。

4.2 基于剖面單元格劃分的分區(qū)-拼接自動(dòng)建模

基于剖面的建模方法是對(duì)用戶提供的交叉剖面數(shù)據(jù)采用分而治之的方法，將建?？臻g分割為多個(gè)單元格，然后分別對(duì)每個(gè)單元格進(jìn)行構(gòu)模。每個(gè)單元格內(nèi)的模型構(gòu)建完畢后，再將所有的單元格模型合并在一起，便得到整個(gè)建模區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)模型。

交叉剖面數(shù)據(jù)的單元格自動(dòng)劃分思想為：每一條剖面數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著一條勘探線，其投影到二維平面就是一條折線，多條相交的折線將二維空間劃分為多個(gè)封閉的區(qū)域，每一個(gè)封閉的區(qū)域稱為一個(gè)單元格，用表征每條勘探線的二維折線進(jìn)行拓?fù)湓靺^(qū)，每條二維折線在相交處被剪斷，形成了一個(gè)個(gè)封閉的區(qū)域。其中，每一個(gè)封閉的區(qū)域形成一個(gè)區(qū)要素類，由于勘探線上均附有屬性信息，記錄了其屬于哪條剖面數(shù)據(jù)，則通過(guò)區(qū)要素類中的每條線段可得到其所表征的單元格是由哪幾條剖面數(shù)據(jù)所形成的，使用該方法便能夠進(jìn)行交叉剖面數(shù)據(jù)的單元格自動(dòng)劃分。

建模區(qū)域的單元格劃分包括手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分兩種方式，本文研究的建模算法以自動(dòng)單元格劃分為主。劃分單元格后，經(jīng)過(guò)歸并和融合的建模數(shù)據(jù)源被分割到各個(gè)建模單元格中，所有的地層分界弧段均被剪斷。這樣在建立每一個(gè)地層的地質(zhì)面模型前，可以從每一個(gè)單元格中搜索所有的點(diǎn)和弧段，并提供給用戶進(jìn)行選擇和篩查的工具，得到本地層的建模數(shù)據(jù)源。對(duì)于不封閉的建模區(qū)域，將邊界進(jìn)行延伸，形成封閉的網(wǎng)格，然后按照封閉網(wǎng)格規(guī)則進(jìn)行處理。

除剖面數(shù)據(jù)外，在單元格內(nèi)的空白區(qū)域，如果有鉆孔、等值線數(shù)據(jù)能夠揭示地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造的信息，也可將這些信息在構(gòu)面過(guò)程中加以利用，以提高模型精度。

4.3 基于多約束的復(fù)雜地質(zhì)體交互建模

整個(gè)多約束下的復(fù)雜地質(zhì)體交互建模技術(shù)思想圍繞著兩個(gè)基本點(diǎn)：快速構(gòu)建和定量分析。

圍繞這兩點(diǎn)，文中研發(fā)該技術(shù)的整體思想如下：

(1) 以交叉地質(zhì)剖面為主體建模數(shù)據(jù)，控制建模區(qū)域的框架結(jié)構(gòu)。

(2) 使用鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地層頂板等值線圖、平面地質(zhì)圖等數(shù)據(jù)源，獲取其中的點(diǎn)、線數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)源融合，處理不同數(shù)據(jù)源之間和數(shù)據(jù)源內(nèi)部的不一致性特征，融合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源模型。

(3) 根據(jù)交叉剖面網(wǎng)格的特征，自動(dòng)將建模區(qū)域劃分為多個(gè)小單元。在每一個(gè)單元內(nèi)，自動(dòng)搜索每一個(gè)地層的建模數(shù)據(jù)源：點(diǎn)和弧段線數(shù)據(jù)，并支持地質(zhì)專業(yè)人員實(shí)時(shí)添加尖滅線、輔助線，增加新的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行單元格區(qū)域間的數(shù)據(jù)源融合合并，構(gòu)建每一個(gè)單元格內(nèi)的地質(zhì)面，如圖3所示。

圖3 交叉剖面數(shù)據(jù)的單元格劃分

(4) 根據(jù)地層的屬性和拓?fù)潢P(guān)系，將所有單元格內(nèi)的地質(zhì)面進(jìn)行歸并，自動(dòng)構(gòu)建整個(gè)區(qū)域的每個(gè)地層的地質(zhì)面模型，并提供三維曲面光滑算法，建立光滑的地質(zhì)面模型。

(5) 利用相交等算法和人工干預(yù)等手段處理地質(zhì)面之間的相交矛盾，使所有的地質(zhì)面之間互不相交，保證拓?fù)渫耆_。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)地層屬性特征和地質(zhì)面幾何拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)建整個(gè)建模區(qū)域的每一個(gè)地層的所有地質(zhì)體，并賦予相關(guān)的地質(zhì)屬性到塊體模型上。

本文研究的多約束下復(fù)雜地質(zhì)模型快速構(gòu)建算法，在單元格內(nèi)利用地層屬性和空間條件進(jìn)行融合后的地質(zhì)點(diǎn)和地質(zhì)線的建模數(shù)據(jù)源的快速搜索，建立地質(zhì)面模型，再對(duì)不同單元格內(nèi)相同屬性的地質(zhì)面進(jìn)行合并，形成區(qū)域內(nèi)的不同地層的地質(zhì)面模型。

(1) 多約束下簡(jiǎn)單地質(zhì)面構(gòu)建：對(duì)于不含斷層、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象的地層，可直接利用檢索獲取的融合后的建模數(shù)據(jù)源——地質(zhì)點(diǎn)和地質(zhì)線，進(jìn)行耦合Delaunay三角剖分，建立地質(zhì)子面模型。

(2) 含斷層的多約束復(fù)雜地質(zhì)面構(gòu)建：采用面元模型中的多層DEM模型，首先基于各地層(尤其是控制性地層或關(guān)鍵地層)的界面點(diǎn)按DEM的方法對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行插值和擬合；然后以斷層為約束，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進(jìn)行劃分的三維地層模型的骨架結(jié)構(gòu)，繼而引入地下空間中的特殊地質(zhì)對(duì)象(如斷層等)，完成對(duì)三維地下空間的完整建模。

(3) 地質(zhì)塊體的初始構(gòu)建：在整個(gè)建模區(qū)域中，根據(jù)地質(zhì)點(diǎn)要素和地質(zhì)線要素構(gòu)建的地質(zhì)面上，記錄地質(zhì)面的上地層屬性和下地層編號(hào)。根據(jù)地層編號(hào)進(jìn)行拓?fù)渲亟ǖ刭|(zhì)體，如圖4所示。

圖4 根據(jù)地質(zhì)面拓?fù)淇焖贅?gòu)建地質(zhì)體模型

(4) 地質(zhì)體的冗余面去除：地質(zhì)體初始網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建之后，由于剖面區(qū)要素的存在和建模過(guò)程中產(chǎn)生的臨時(shí)曲面數(shù)據(jù)，地質(zhì)體內(nèi)部可能會(huì)有一定數(shù)量的子面。通過(guò)點(diǎn)與多面體的位置關(guān)系算法或通過(guò)子面的類型，找出冗余的需要被刪除的子面列表，即剖面區(qū)子面和臨時(shí)性子面，得到?jīng)]有冗余數(shù)據(jù)的含有完整封閉的外輪廓的復(fù)雜地質(zhì)體模型，將結(jié)果幾何地質(zhì)體加上屬性就形成了復(fù)雜地質(zhì)體模型。

(5) 地質(zhì)體的產(chǎn)狀表達(dá)：對(duì)于地層中的巖層和礦體，對(duì)于產(chǎn)狀比較簡(jiǎn)單的情況，需要在模型中進(jìn)行反映。產(chǎn)狀一般用三維圖形學(xué)中的紋理來(lái)表示地層的巖性花紋。紋理貼圖不能像普通的模式一樣進(jìn)行水平方向的平鋪或拉伸，而是先從水平方向沿著產(chǎn)狀的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行紋理的平鋪處理。

4.4 空間約束條件下三維地質(zhì)屬性自動(dòng)建模

針對(duì)具用空間約束和屬性信息的三維地質(zhì)自動(dòng)建模，空間模型(結(jié)構(gòu)模型)主要用于表現(xiàn)空間對(duì)象的三維形態(tài)，而屬性模型(體模型)則是反映三維空間的屬性(參量)信息。空間約束條件下三維地質(zhì)屬性自動(dòng)建模，在模型構(gòu)建過(guò)程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型與體模型的融合。本文從兩個(gè)方面解決了結(jié)構(gòu)模型與體模型的融合構(gòu)建技術(shù)問(wèn)題：

(1) 結(jié)構(gòu)模型作為參數(shù)構(gòu)建體模型：進(jìn)行樣本插值的過(guò)程中，除采用傳統(tǒng)的搜索橢球進(jìn)行約束外，還將結(jié)構(gòu)模型的信息加載進(jìn)來(lái)，采用結(jié)構(gòu)模型的細(xì)層結(jié)構(gòu)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，保證插值結(jié)果與空間實(shí)體真實(shí)特征或性質(zhì)相吻合。以礦體屬性建模為例，不同礦體樣本之間的相關(guān)性存在很大不同，在進(jìn)行礦體品位插值過(guò)程中，可以采用礦體邊界結(jié)構(gòu)模型對(duì)樣本采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，用礦體邊界約束內(nèi)的樣本進(jìn)行插值計(jì)算，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) 結(jié)構(gòu)模型作為外邊界對(duì)體模型進(jìn)行約束：該方法需要對(duì)邊界區(qū)域進(jìn)行局部單元細(xì)化。其關(guān)鍵是要進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型與體模型的碰撞檢測(cè)，判斷多面體與多面體的相交情況及多面體與點(diǎn)的位置關(guān)系等。由于空間實(shí)體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和體模型結(jié)構(gòu)的精細(xì)要求，必然會(huì)產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量，需要提高碰撞檢測(cè)效率，因此本文基于OBB樹技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效的撞檢測(cè)的算法。以礦體邊界約束為例，根據(jù)樣本品位建立的礦體品位模型，需要用礦體外邊界結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行約束處理，以此來(lái)控制礦體內(nèi)的儲(chǔ)量。如圖5所示，圖5(a)為用線框模型構(gòu)建的礦體結(jié)構(gòu)模型效果圖，圖5(b)為用結(jié)構(gòu)模型對(duì)體模型進(jìn)行約束細(xì)分后的效果圖。

圖5 結(jié)構(gòu)模型與體模型的融合構(gòu)建

4.5 多約束下三維地質(zhì)模型的誤差修正

三維地質(zhì)模型建模方法對(duì)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度的影響主要體現(xiàn)在對(duì)一般地層分界面的內(nèi)插、特殊地質(zhì)體的推斷過(guò)程中產(chǎn)生的誤差及誤差積累傳播。利用地質(zhì)剖面圖對(duì)三維地層模型進(jìn)行修正、基于虛擬鉆孔的誤差修正技術(shù)是兩種常用的地質(zhì)數(shù)據(jù)誤差修正方法。

地質(zhì)剖面圖是地質(zhì)專業(yè)中最常用的一類圖件，不僅能夠直觀地表達(dá)地層的垂向分布形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造特征，也很好地反映了研究區(qū)典型、特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。因此，如果將已有的地質(zhì)成果剖面圖數(shù)據(jù)加入到三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過(guò)程中，或先根據(jù)研究區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)繪制一系列剖面圖并進(jìn)行適當(dāng)人為修正，再將得到的這些剖面圖與原始鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行建模，得到的三維地層模型精度則會(huì)有很大的提高。

虛擬孔是指在構(gòu)建三維地層結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程中，根據(jù)專業(yè)需要在特定位置添加的一個(gè)或多個(gè)鉆孔點(diǎn)，它是相對(duì)于實(shí)際鉆孔而言的，具有假象性質(zhì)，這些鉆孔能夠反映當(dāng)前位置地層的分層信息，是由地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)假象推斷的結(jié)果，并且一般具有控制性的約束，能夠反映典型地質(zhì)現(xiàn)象。相對(duì)于地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的約束修正來(lái)說(shuō)，具有更強(qiáng)的約束力和針對(duì)性。虛擬鉆孔在參與三維模型的構(gòu)建過(guò)程中，與實(shí)際鉆孔處于同等地位，甚至具有更高的精度，生成的地層形態(tài)能夠嚴(yán)格與虛擬鉆孔保持一致，能夠極為有效地控制模型中的地層尖滅、缺失、斷層、夾層、透鏡體等特殊地質(zhì)體形態(tài)。

根據(jù)導(dǎo)致地質(zhì)模型誤差的原因，可以從以下的幾個(gè)方面進(jìn)行地質(zhì)模型誤差的修正：①迭代式的模型構(gòu)建，通過(guò)迭代式的地質(zhì)模型構(gòu)建，可極大程度減少模型的誤差，如當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)加入進(jìn)來(lái)時(shí)，用戶可以將該新的數(shù)據(jù)約束在最終的地質(zhì)模型當(dāng)中，然后重新進(jìn)行模型的構(gòu)建，從而更進(jìn)一步提高模型的精度；②建模過(guò)程中盡可能使用更多的地質(zhì)數(shù)據(jù)，由于不同類型的數(shù)據(jù)反映了地質(zhì)體的不同方位的幾何或?qū)傩蕴卣?，綜合這些地質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)更能全面反映實(shí)際的地質(zhì)情況，如朱良峰提出的虛擬孔修正技術(shù)及綜合地質(zhì)剖面及鉆孔的建模方法；③根據(jù)數(shù)據(jù)的復(fù)雜情況及分布特征選用合適的插值算法，不同的插值算法適用的數(shù)量大小、數(shù)據(jù)的分布特征是不相同的，用戶需要根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行具體的分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以分析不同地質(zhì)數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)為切入點(diǎn)，整合地質(zhì)數(shù)據(jù)源的異同，通過(guò)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)，將不同數(shù)據(jù)整合為統(tǒng)一平臺(tái)的數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)源的空間、屬性和要素關(guān)系進(jìn)行一致性處理，使數(shù)據(jù)規(guī)范化。在此基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一語(yǔ)義的三維矢量數(shù)據(jù)模型，以質(zhì)量控制制定約束規(guī)則，從而建立規(guī)則庫(kù)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)源，并探討在不同地質(zhì)特點(diǎn)的情況下，三維地質(zhì)如何快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模。

基于規(guī)則庫(kù)的三維地質(zhì)自動(dòng)建模技術(shù)研究很好地契合了當(dāng)今社會(huì)數(shù)據(jù)建模技術(shù)的發(fā)展要求，為礦山開采、油田開發(fā)、城市規(guī)劃等工程在建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)方面提供了新思路。利用鉆孔、地質(zhì)剖面幾地層等值線、斷層線和物探解譯成果，耦合起來(lái)快速建立高精度的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為城市規(guī)劃、國(guó)土資源管理、地質(zhì)勘查、城市應(yīng)急響應(yīng)等各行業(yè)的應(yīng)用提供了及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐，有效提升了各行業(yè)的信息化共享能力，為社會(huì)的信息化、智能化和政府決策提供了技術(shù)支撐。

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ResearchonAutomatic3DGeologicalModelingBasedonRuleBase

CHEN Ming’e，TU Jiangtao

(Shenzhen Zondy Soft Engineering Co. Ltd., Shenzhen 518057,China)

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A

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陳明娥，涂江濤.基于規(guī)則庫(kù)的三維地質(zhì)自動(dòng)建模技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(9)：120-125.

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2017-01-23

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)(深發(fā)改〔2015〕863號(hào))

陳明娥(1968—)，女，碩士，高級(jí)工程師，從事GIS及數(shù)字城市技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用工作。E-mail:393965701@qq.com