韓 灑

（東華理工大學(xué)，江西 南昌 330000）

隨著全球經(jīng)濟不斷發(fā)展和各國對礦產(chǎn)資源的利用程度日益增加，資源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為現(xiàn)如今全世界的重要問題，尋找隱伏礦，深部礦成為三維地質(zhì)建模的發(fā)展趨勢和必然。國際學(xué)者依次提出了“數(shù)字礦山”和“玻璃地球”的概念。“數(shù)字礦山”是通過海量數(shù)據(jù)和多種數(shù)據(jù)的融合形成數(shù)字化，網(wǎng)格化，智能化和可視化的技術(shù)系統(tǒng)。澳大利亞學(xué)者還提出了“玻璃地球”計劃，是在現(xiàn)有的三維地質(zhì)建模軟件和技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地球物理，地質(zhì)和三維可視化，讓地球深部“透明化”。隨后其他歐美國家也提出了類似計劃并提高目標。與此同時在尋找深部礦和隱伏礦方面以及城市地下管理，三維地質(zhì)建模技術(shù)在實現(xiàn)的基礎(chǔ)上獲得了突飛猛進的發(fā)展，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 三維地質(zhì)建模國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模的概念最早是1993年由加拿大Simon W.Houlding提出的，并在1994年出版了圖書《3D Geoscience Modeling》中從計算機技術(shù)及地質(zhì)應(yīng)用等詳細描述了三維地質(zhì)建模，之后各國學(xué)者進行了深入研究和探討，在基于不同的建模方法及不同方向的應(yīng)用上取得了豐富的成果，歐美國家相繼提出了地殼探測計劃和一系列深部地質(zhì)調(diào)查計劃，極大地促進了三維地質(zhì)建模技術(shù)和軟件的發(fā)展。如法國J.L.Mallet教授提出了離散光滑插值（DSI）算法，并基于該算法開發(fā)了GOCAD軟件。三維地質(zhì)建模技術(shù)最先在礦產(chǎn)方面得到應(yīng)用，然后發(fā)展到其他有關(guān)領(lǐng)域，如水文地質(zhì)、城市地質(zhì)勘探等。研究者們同時也對三維可視化等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法進行了大量的研究，在提高建模效率和精度，以及更真實的描述地下空間取得了很大進展。我國對三維地質(zhì)建模相關(guān)研究起步較晚始于20世紀80年代末，標志為EarthVision軟件的引入，普及度不高，主要涉及的領(lǐng)域包括：地礦，石油，冶金等。近年來我國研究學(xué)者為了能夠更加真實的反映地質(zhì)構(gòu)造，對建模數(shù)據(jù)融合以及在相對復(fù)雜的模型剖面、邊緣的拓撲結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化。除了在建模技術(shù)上的研究發(fā)展，三維地質(zhì)建模的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從傳統(tǒng)的地質(zhì)礦產(chǎn)到“數(shù)字城市”等，充分利用城市地下空間，為政府管理提供決策依據(jù)?，F(xiàn)在三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

2 三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者通過研究已經(jīng)提出了多種數(shù)據(jù)模型，根據(jù)不同的空間情況，側(cè)重點不同，在功能方面也有很大差異。近年來大量學(xué)者對三維空間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，可分為以下三種模型。

面模型結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但算法精度誤差，時間復(fù)雜度較高。

面模型不能表達地質(zhì)體內(nèi)部信息，模型邊緣難以準確描述，對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維曲面的描述較為困難。主要包括格網(wǎng)模型（Grid）、不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）、邊界表示模型（B—Rep）、線框模型（Wire Frame）、參數(shù)化曲面模型、斷面（Section）、和多層DEMs等。

薄楊[1]對三角剖分和模型優(yōu)化進行分析，開發(fā)了三維曲面構(gòu)造軟件對地質(zhì)體的邊緣部分進行了模型構(gòu)造和優(yōu)化，通過限制構(gòu)圖邊界的方法提升構(gòu)造速度可用于復(fù)雜三維面模型構(gòu)造。劉順昌[2]等學(xué)者利用不規(guī)則三角網(wǎng)表達地層面模型時雖然可以消除數(shù)據(jù)冗余，但網(wǎng)格大小影響建模效率和精度，過大的網(wǎng)格單元可能忽略其中存在的特殊地質(zhì)構(gòu)造，使得模型不精確，而過小的網(wǎng)格單元會加大工作量使得建模效率低下。地質(zhì)體模型的切割分析需要顧及各種復(fù)雜的模型要素形態(tài)。

圖1 三維曲面構(gòu)造軟件構(gòu)建地質(zhì)體邊緣模型圖

體模型包括規(guī)則體元和不規(guī)則體元，規(guī)則體元中包括體素模型、實體幾何模型等。非規(guī)則體元中包括四面體格網(wǎng)模型、廣義三棱柱模型等。

齊安文[3]等學(xué)者提出了基于偏斜地質(zhì)鉆孔建模的類三棱柱（ATP）模型，后發(fā)展為廣義三棱柱模型（GTP）。體模型相對于面模型來說可以通過構(gòu)建體元進行三維建?？梢詼蚀_表達地質(zhì)體內(nèi)部信息，同時具備空間分析能力，其中非規(guī)則三棱柱體元和四面體體元能夠較好地描述出地質(zhì)體表面和內(nèi)部的特征，由于四面體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，對于尖滅、斷層、褶皺等特殊地質(zhì)構(gòu)造模擬程度較好。但當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時，運算耗時效率低。

混合模型是指兩個或多個個體模型或面模型，以對同一對象進行三維建模的方式，更適合實際運用。常見的混合模 型 有Octree—TEN、B—Rep與TIN—Section、Wire Frame-Block、B-Rep、與TEN、TIN+Grid模型。為了滿足不同地質(zhì)構(gòu)造模型精度的要求，研究人員也提出了新的方法。如尚福華[4]等學(xué)者提出了一種新的基于TIN-Octree混合模型的精細三維地質(zhì)體構(gòu)建方法，解決了模型不能有效分析地層與斷層之間的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。鄒皓[5]基于GRID和TIN的優(yōu)缺點，以時間復(fù)雜度和內(nèi)存開銷為指標提出了GRID和TIN的混合建模模型。

2.2 建模方法

根據(jù)建模數(shù)據(jù)來源可分為以下四種類型，對于各建模方法存在的問題，研究人員也針對這些問題提出了相應(yīng)的方法。

鉆孔數(shù)據(jù)建模是由Lemonand Jones提出的，對于鉆孔數(shù)據(jù)的增加存在問題建模過程復(fù)雜繁瑣，不能將建模成果及時地展示出來的問題，張建芳[6]等學(xué)者利用鉆孔數(shù)據(jù)以及三維可視化技術(shù)提供了一個成果展示平臺。

對于鉆孔數(shù)據(jù)適用于層狀地質(zhì)體的建模，在地質(zhì)體復(fù)雜區(qū)建模困難。李璐[7]等學(xué)者針對鉆孔數(shù)據(jù)層序不一致影響地層間的拓撲關(guān)系，首次引用了鉆孔遞歸思想，逐層構(gòu)建三維地層模型，使得數(shù)據(jù)不丟失并優(yōu)化地層尖滅等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造。李文雅[8]等學(xué)者針對邊緣和局部變化大的地質(zhì)區(qū)域模型和實測誤差大的問題，利用鉆孔數(shù)據(jù)合理搭建了更為精細的地質(zhì)模型。

對于鉆孔數(shù)據(jù)建模的構(gòu)造信息不足，或缺少構(gòu)造信息，無法有效構(gòu)建模型的問題。余杰[9]等學(xué)者開展了提高鉆孔利用率，在技術(shù)，經(jīng)濟，社會以及其他方面都得到了較大改善。除此之外，還有很多學(xué)者利用鉆孔數(shù)據(jù)取得了不同方向的研究成果。

綜合地質(zhì)剖面是三維地質(zhì)建模重要的數(shù)據(jù)源，基于地質(zhì)剖面的建模方法適用于復(fù)雜地質(zhì)體模型的創(chuàng)建，但建模效率較低且對研究者專業(yè)知識有一定要求。張明明[10]等學(xué)者結(jié)合地質(zhì)剖面和鉆孔數(shù)據(jù)，充分利用已有的專家知識，準確刻畫復(fù)雜地質(zhì)體在三維空間的展布情況，在提高建模精度的同時減少人為干預(yù)。吳志春[11]等學(xué)者著重解決了在模型邊界面，斷層面，地層界面，巖體界面等復(fù)雜構(gòu)造的模型建立，實現(xiàn)任意剖切，屬性值統(tǒng)計分析，深部成礦預(yù)測等功能。張寶一[12]等學(xué)者也在水運工程，利用無人機記錄艱險地帶以及復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用，以及延伸到國土資源應(yīng)用，城市規(guī)劃，建設(shè)等方面。

多源混合數(shù)據(jù)建模精度高，能真實反映復(fù)雜地質(zhì)體在地下三維空間的展布特征。但是多源數(shù)據(jù)融合建模難度大。多源數(shù)據(jù)建模的關(guān)鍵是如何將這些數(shù)據(jù)進行有機融合提高建模精度和可靠性。吳志春[13]等學(xué)者根據(jù)建模數(shù)據(jù)的精度，深度，分布范圍的不同采用了多種建模方法分層次，分階段建模有效解決了多源數(shù)據(jù)融合難的問題，提高了建模效率和精度。另一方面建模數(shù)據(jù)獲取難，成本，數(shù)量有限，但又得不到充分利用。ZHANG QI[14]等學(xué)者提出了一種利用多源地質(zhì)數(shù)據(jù)和插值理論在不同階段和不同地點進行地質(zhì)體建模的協(xié)同分析方法。用于構(gòu)建可視化和分析三維地質(zhì)模型的地質(zhì)算法。

物探數(shù)據(jù)建模通常有生成面模型和實體模型兩種方法，實體模型在三維計算和數(shù)字模擬方面的優(yōu)勢明顯。葛藤菲[15]等學(xué)者提出了一種基于重磁反演數(shù)據(jù)融合的地下深部巖性智能識別及建模方法，對于深部地質(zhì)構(gòu)造的分析和礦產(chǎn)發(fā)現(xiàn)有很好的應(yīng)用潛力。張海翔[16]在油田開發(fā)和錳礦深部勘查方面，分別利用基于物探數(shù)據(jù)的反演來構(gòu)造三維地質(zhì)模型，來實現(xiàn)礦產(chǎn)資源進一步的開發(fā)和預(yù)測。但是在反演過程中會對建模精度產(chǎn)生一定的影響，并且網(wǎng)格大小對數(shù)據(jù)處理量和建模精度有很大的影響。

3 三維建模存在的問題

3.1 構(gòu)模軟件有待更新和開發(fā)

三維地質(zhì)建模軟件還存在一定的局限性，建模流程也各有不同，專業(yè)性較強，數(shù)據(jù)的更新較為困難，各項數(shù)據(jù)的計算和數(shù)據(jù)之間的銜接都不夠精確，可視化以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換建模數(shù)據(jù)的共享和交換是關(guān)鍵的技術(shù)問題。同時目前我國建模研究更多使用的是國外的建模軟件，我國軟件的應(yīng)用和開發(fā)還需完善。

3.2 理論技術(shù)還需完善

三維地質(zhì)建模的理論技術(shù)方法仍不完善，缺乏統(tǒng)一流程，高質(zhì)量建模需要各方面技術(shù)人員的經(jīng)驗水平以及互相溝通。

三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)較難獲取，建模數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法有限以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等因素的限制，很多研究還處于探索和嘗試階段，目前對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬性分布不均勻的復(fù)雜地質(zhì)體的三維可視化建模研究還不夠深入，因此，為了更好地擬合真實地質(zhì)構(gòu)造，還需發(fā)現(xiàn)更好的三維地質(zhì)建模技術(shù)和理論。

3.3 模型應(yīng)用還需探索

隨著我國找礦戰(zhàn)略的改變，深部地質(zhì)透明化，可視化以及定量化的大數(shù)據(jù)集成運算和信息提取是未來深部礦產(chǎn)勘查的主要發(fā)展趨勢。

同時城市地下作為一種潛在的土地資源，構(gòu)建城市地下三維地質(zhì)模型是未來發(fā)展的一個重要方向。但目前，缺乏對城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的全面認知，城市精細化管理還存在效率低，成本高，數(shù)據(jù)獲取及處理等問題，“智慧城市“還有很長的路要走。

4 發(fā)展預(yù)測

隨著全球信息技術(shù)的研究發(fā)展及對礦產(chǎn)資源的需求，三維地質(zhì)建模的發(fā)展和廣泛應(yīng)用可以說是未來地質(zhì)發(fā)展的必然趨勢。

目前三維地質(zhì)建模在軟件，技術(shù)理論等方面仍然存在不足，之后需要深入探討建模共性，開發(fā)出更加簡單通用的建模軟件，才能夠提高三維地質(zhì)建模技術(shù)的總體水平，進一步促進三維地質(zhì)建模方法的更大發(fā)展以及三維建模軟件的實用性。

對于深部礦，隱伏礦的預(yù)測和模型構(gòu)建將會更加精確高效，復(fù)雜礦體模型的構(gòu)建精度的要求等日益提高，對三維地質(zhì)建模技術(shù)的進一步發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。城市地下空間開發(fā)管理也將取得重大進展，為城市水利，交通和能源等方面提供指導(dǎo)性建議，提高城市治理能力以及最終實現(xiàn)“智慧城市”提供重要幫助。