三维地质建模技术在本科生区域地质调查实习中的应用

吴志春，郭福生，薛林福，王国灿，周万蓬

1.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；2.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；3.中国地质大学（武汉） 地球科学学院，湖北 武汉 430074

区域地质调查程度很大程度上反映了一个国家的地质研究程度和地质科技水平，世界各国都非常重视区域地质调查工作，且一直在探索区域地质调查的新技术、新方法和成果表达的新方式[1-8]。从第一幅地质图诞生至今，人们对区域地质调查成果的三维可视化表达的探索从未间断。随着计算机技术、计算机辅助制图技术、GIS技术及3D地质建模技术的发展，区域地质调查成果的表达实现了3次重大突破：第一次是纸质地质图到数字地质图；第二次是数字地质图到数字地质图+基于GIS的空间数据库；第三次是数字地质图+基于GIS的空间数据库到全属性的3D地质模型。

20世纪80～90年代，地学计算机制图的普及应用，我国区域地质调查成果的表达实现了第一次转变。第二次突破是以2004年的数字地质填图系统的全面推广应用为标志，我国区域地质调查从此进入数字化时代[9-10]。2012—2014年，中国地质调查局启动了三维地质调查试点项目，东华理工大学、吉林大学、中国地质大学（武汉）分别承担了其中一个工作项目，试点工作取得很好成效，分别获得中国地质调查局地质科技一等奖（2017年度）和二等奖（2016年度）。随着社会的发展，基础地质调查需“从传统走向现代、从单一走向综合、从二维走向三维”，三维地质建模是未来地学领域重要的发展方向之一。

区域地质调查实习是地质类专业学生重要的实践教学环节，该过程不仅要培养学生的综合运用知识的能力、实践动手能力和独立完成工作的能力，而且还要培养学生运用新技术、新方法、创新性开展工作的能力。项目组将三维地质建模试点项目成果应用于本科生区域地质调查实习[11]，并取得了良好的教学效果。本文以东华理工大学资源勘查工程专业的区域地质调查实习为例，详细介绍了实习的目的和任务、实习的阶段划分及各阶段的实习内容、期间野外填图数据的采集、室内资料整理、三维地质建模等实习内容。

一、区域地质调查实习中三维地质建模的目标和任务

江山区域地质调查实习的要求和工作方法总体上是按照1∶5万区域地质调查规范进行的，应用数字地质填图和三维地质建模新技术。学生以小组为单位独立完成约10km2范围的地质填图。整个过程包括室内路线设计、实测地质剖面、地质路线填图、填图数据库构建、三维地质建模、实习报告编写等内容。三维地质建模是在数字地质填图的基础之上，运用填图数据库中的实测地质剖面、地质填图路线和地形图直接构建深度为500m的三维地质模型，笔者等将该建模技术称之为“数字地质填图建模技术”[12-14]。

地质填图路线是野外地质填图过程中获取的第一手资料，后期的一切数据处理及图件编制都以该数据为基础。数字地质填图建模技术，是利用数字地质填图技术获取的野外地质填图路线和实测地质剖面，在专业三维地质建模软件平台上直接构建浅表层三维地质模型的技术。数字地质填图技术通常指的是“二维”地质填图技术，数字地质填图建模是运用“二维”填图数据构建浅表层三维地质模型的过程。构建的三维地质模型不仅可以对填图区一定深度的地质情况进行三维可视化，而且具有任意方向切制剖面图输出、动态更新、三维空间计算与分析、深部成矿预测等功能。构建的浅表层三维地质模型可以作为区调成果的一种新型表达方式。因此，数字地质填图建模技术是数字地质填图技术的继承与发展。

通过对填图区三维地质模型的构建，学生能够更清晰地理解地质体的三维立体概念并初步学会模拟表达，对填图区的地质界面向地下延伸情况、断层效应、褶皱构造的三维形态等有深入的了解。同时，通过运用三维地质界面与DEM面的交线在水平面的投影线与地质图中的地质界线进行比较，分析两者之间存在的差异原因，深刻理解“V”字形法则。实习过程需要用到的软件主要有 Mapgis、DGSInfo、GOCAD等软件。Mapgis软件主要用于图件的矢量化，如地质图、地形图等的矢量化；DGSInfo软件主要用于构建地质填图数据库，同时也包括安卓版的地质采集系统，主要用于地质剖面测量和地质路线填图过程中的地质数据的采集；GOCAD软件用于三维地质模型的构建。学生实习结束之后，不仅要上交纸质版的实际材料图、地质图、实习报告等，而且要上交数字地质填图数据库和三维地质模型。

二、实习阶段划分及实习内容

区域地质调查野外实习时间共36天（八周，除去周末和节假日的时间），其中室内准备阶段2天，基本方法训练阶段17天，独立填图阶段8天，室内资料整理9天[15]。室内准备阶段，主要是教师对填图区岩石地层、构造、地貌等信息进行室内讲解，让学生对实习区地质情况和实习内容有较为全面的了解。同时，对学生进行分组，按5～6人为一个小组，并选出小组长。整个实习的过程都以小组为单位，组内合理分工、团结合作。小组长负责本小组资料的收集与汇总，组内资料的质量检查。基本方法训练阶段，每位教师带领2～3个小组，选择10条基岩出露好、地质现象明显、岩性构造界线清楚的路线进行野外现场教学。该阶段主要是训练学生对主要地质现象的识别能力，学会地质现象的文、图表示方法及其编录要求，掌握地质资料收集的内容与方法及野外数据采集系统的正确使用方法。回到室内后，教师集中讲解数字地质填图系统（桌面）的使用，同时让学生在计算机中整理、完善当天所采集的野外地质填图路线数据。独立填图阶段，以小组为单位进行野外独立填图，填图面积约10 km2，填图路线线距250 m，地质点点距150～200 m。该阶段主要是熟悉掌上机及数字地质填图系统的使用，掌握地质点（P）、分段路线（R）、点间界线（B）、产状、素描、样品等地质要素的采集和记录方法。回到室内及时整理完成当天的填图路线数据及路线小结，完成自检、互检、教师检三级质量检查工作。室内资料整理阶段，主要完成实测地质剖面的绘制、填图路线的整理与入库、实际材料图制作、样品数据库的完善、地质连图、成果数据库的构建、三维地质建模、绘制专题图件、编写实习报告等工作。

三、野外地质填图路线数据获取

根据室内设计的填图路线，以小组为单位按规定进行野外地质数据采集。野外地质填图路线所需获取的地质内容主要有：地质点（点号、点位、坐标、露头情况、微地貌、岩性及地质描述等）、分段路线（沿途地质变化描述）、点间界线（界线类型、接触关系、岩性等）、产状（产状数值、产状类型等）、照片、素描、样品（岩性、类别等）、化石（类别、采样层位等）等[16]。为了后期能够准确地质连图和构建三维地质模型，每个点间界线尽可能地准确获取相应的产状数据。为了提高所建模型的可靠性和精度，在地质复杂区还应适当加密填图路线，并对地质界线进行一定距离的追索，准确测量界线产状。

四、室内资料整理

室内资料的整理包括单条填图路线数据的整理、单条路线的入库及构建图幅PRB库、实际材料图库的构建、样品数据库的构建、编稿原图库的构建、成果数据库的构建等内容。

1． 单条填图路线整理

单条填图路线的整理在独立填图阶段完成。在当天完成野外路线采集之后，回到室内就及时进行整理完善。内容包括填图路线中地质点、分段路线、点间界线、产状、照片、素描、样品、化石等地质要素的检查与内容的完善，填图路线小结的撰写，路线剖面的绘制，通过系统数据质量检查。对各小组完成的填图路线数据进行小组内部、小组之间、教师检查三级质量检查。

2． 构建图幅PRB库和实际材料图库

将整理好的单条填图路线进行入库，生成图幅PRB库。所有路线入库之后，对PRB库进行系统质量检查，检查路线中各地质要素是否齐全、编号是否有重号等。分类统一修改PRB库中的地质点、产状、照片、素描、样品、化石等的子图号、颜色、大小等参数，增加路线号、地质点编号、产状倾角数值、样品编号等注释信息，并修改这些注释信息的颜色、大小、位置等，调整分段路线、点间界线、注释线等线的线型、粗细、颜色等信息。通过上述修改，图面更加美观、整洁。

将整理后的PRB库路线数据自动更新到实际材料图库，根据填图路线数据进行地质连图，同时对地质图中的点、线、面赋予相应的属性。根据填图路线和实测地质剖面中的样品信息，更新、完善样品数据库。

3． 成果数据库构建

编稿原图库是实际材料图库和成果数据库之间的过渡性数据库。在1∶5万填图数据库构建的过程中，编稿原图库的构建过程是将4幅1∶2.5万比例尺的实际材料图合并成1幅1∶5万图幅。在实习过程中，学生填绘的面积较小，不涉及多个图幅的合并和比例尺的变化，可以直接跳过编稿原图库构建的过程。

补充、完善地质图图面内容，如综合柱状图、图切剖面图、图例等信息。对地质图进行区拓扑检查、线弧一致性检查等，消除一切逻辑错误。完善成果数据库中的基本要素类、综合要素类信息。基本要素类包括地质体面实体、地质界线、脉岩（点）、蚀变（点）、矿产地、产状、样品、照片、素描、化石、同位素年龄、火山口、钻孔、泉、河、湖、海、水库岸线等要素，综合要素类信息包括构造变形带、蚀变带（面）、变质相带、混合岩化带、矿化带、火山岩相带、大型滑坡（崩塌）体、标准图框（内图框）等[17]。之后，进行地质体面实体的地质代号与图形参数匹配检查、判断地质界线代码与线型一致性、要素类与对象类一致性逻辑检查、产状类型名称与符号一致性检查、地质体面实体代号与注释一致性检查等检查，确保成果数据库中各属性及地质参数无错误。

五、三维地质模型构建

在室内资料整理完成之后，在GOCAD 2.5.2软件平台中，运用地质填图获取的路线数据构建填图区的三维地质模型。模型的构建有建模数据的导入、地质界面的构建、模型的组合等关键步骤。

1． 建模数据的导入

将地质填图路线、地质图、地形图等建模数据源的比例尺投影变换成1∶1000，并在数字地质填图系统中分图层、按类型分别转换成DXF格式的数据。运用等高线数据生成DEM（Digital Elevation Model）面。加密填图路线和地质图中线的节点，将线和点垂直投影到DEM面，使这些线和点能够与DEM面完全重合。

2． 地质界面的构建

通过点间界线和对应的产状生成分段地质界面，运用同一个界面所对应的分段地质界面进行约束—插值处理，生成更大的地质界面[18-19]。地质界面的构建应遵循先构建时代新的地质界面，后构建时代老的地质界面的原则，构建的地质界面尽可能比实际情况稍大些。在地质界面的构建过程中，充分利用节点连接、控制节点、点对线约束、点（线）对面约束、面的边界约束、面的端点约束、地层厚度约束等约束—插值方法，减少人机交互频率，提高建模效率和精度[20]。

3． 模型的组合

将构建好的模型边界面、DEM面、断层面、地层面等面按地质体年代先新后老的顺序依次对地质体模型进行组合。为了确保地质体模型的密闭性和完整性，每个地质体模型生成一个Model 3D模型。如果模型不能够完全密闭，则无法生成Model 3D。最后，将生成的所有地质体模型进行组合生成填图区的三维地质模型，并根据面模型生成实体模型。

4． 模型的应用及功能

构建好的三维地质模型具有强大的三维可视化、空间计算等功能。模型不仅可以进行平移、缩放、旋转，从不同方位、不同角度、不同距离观看三维地质模型，而且可以隐藏、透明某个地质体，查看地质体之间的接触关系，还可以任意切割、动态切片显示；模型还可以计算任意两点的空间距离和地质体的表面积、体积、重量等，且能够自动绘制地质界面深度等值线图、地层厚度等值线图等。

六、结论

1． 经验总结

三维地质建模技术在浙江江山区域地质调查实习中已有两年多的时间，在此期间取得了很好的实践教学效果，培养了学生的动手能力、实践能力和综合运用知识的能力，同时让学生掌握了先进技术和方法，为将来从事相关地质工作打下坚实的基础：（1）学生独立完成地质填图路线布置、野外地质数据采集、填图数据库构建、地质图连图、三维地质建模、成果报告编写等实习内容，让学生熟悉了区域地质调查的整个流程，掌握了野外地质数据采集的内容与方法、填图数据库和三维地质模型的构建，锻炼了学生自主学习与工作的能力。（2）数字地质填图技术和三维地质建模技术的学习，让学生掌握了先进技术和方法。运用三维地质建模技术以地质填图路线数据和地形图为数据源构建三维地质模型，让学生掌握了利用地质填图数据进行二次开发的新方法，也让其认识到未来三维地质模型可以作为区域地质调查成果的一种新的表达方式。（3）与地质图相比较，三维地质模型具有强大的三维可视化功能和全属性查询功能，可读性和可利用性更佳，三维地质模型能够容易呈现地质体深部展布特征和地质体之间的接触关系，对于地质初学者能够更容易快速理解填图内的地质体空间特征，如断层向地下延伸情况、断层效应、褶皱的三维立体形态等。同时，通过三维地质模型的构建，有利于培养学生的地质三维时空思维。（4）在地质连图过程中，学生对“V”字形法则的理解不够，根据产状连出的地质界线与实际情况偏差较大。运用产状和点间界线通过数据插值生成的地质界面准确性高，该界面与DEM面的交线在水平面上的投影线就是地质界线。通过三维地质建模生成的地表地质界线与学生实际地质连图生成的地质界线进行比较，分析两者之间的差异，能够让学生对“V”字形法则具有更深入的理解，同时也可以激发学生对（半）自动、（半）定量化地质连图的探索。

三维地质建模技术在区域地质调查实习中的应用优点众多，但也存在着一些不足：一是实习之前未开设三维地质建模相关课程，学生对该方面的知识掌握不足，且对建模软件熟悉程度不够，因此一定程度上增加了学生的实习难度和工作量。二是运用地表填图路线数据进行三维地质建模，需要填图路线获取足够多的有效产状数据，特别是地质复杂区需要增加填图路线，实习区内地层产状虽然稳定，但是植被较发育，局部浮土覆盖严重，部分地质界线难以获得有效产状，一定程度上影响了所构模型的精度。

2． 学生培养及推广应用

在区域地质调查实习过程中，增加学生运用数字地质填图技术采集的地质填图路线数据直接构建三维地质模型的实习内容，培养了学生的动手能力、实践能力、综合运用知识的能力和创新能力。笔者指导的资源勘查工程专业学生丁懿聪等组成的创新团队，将三维地质建模技术与AR技术相结合，开发基于AR技术的三维地质模型展示平台，近两年间荣获江西省大学生科技创新与职业技能竞赛本科组一等奖、江西省大学生计算机作品赛一等奖、首届“地质+”全国大学生创新创业大赛银奖、第一届中国地球科学大数据挖掘与人工智能挑战赛一等奖等奖项，并获得软件著作权一项。

三维地质模型与平面地质图相比，三维地质模型拥有强大的三维可视化（景观显示、针对性选择显示、透明显示、切割显示、动态切片显示、爆炸显示、漫游显示等）功能、可编辑（三维地质模型的删除、增加、编辑等）、可查看任意位置的属性信息等优势。将三维地质模型在课堂教学中应用，有利于教师讲授复杂、多变的三维空间地质现象，提高教学效率和效果。同时，模型具有动态显示、色调丰富、直观生动等优势，更容易吸引学生的注意力，激发学生对课堂的兴趣。现已经将部分常见、经典的三维地质模型进一步推广应用于“构造地质学”“普通地质学”“遥感地质学”等课程的教学，较大程度上提高了教学效果[21]，也很好地培养了学生的地质时空思维，为学生将来从事地质相关科研与工作奠定了基础。