三维地质建模综述

韩 洒

（东华理工大学，江西 南昌 330000）

随着全球经济不断发展和各国对矿产资源的利用程度日益增加，资源短缺和环境污染已经成为现如今全世界的重要问题，寻找隐伏矿，深部矿成为三维地质建模的发展趋势和必然。国际学者依次提出了“数字矿山”和“玻璃地球”的概念。“数字矿山”是通过海量数据和多种数据的融合形成数字化，网格化，智能化和可视化的技术系统。澳大利亚学者还提出了“玻璃地球”计划，是在现有的三维地质建模软件和技术的基础上，应用地球物理，地质和三维可视化，让地球深部“透明化”。随后其他欧美国家也提出了类似计划并提高目标。与此同时在寻找深部矿和隐伏矿方面以及城市地下管理，三维地质建模技术在实现的基础上获得了突飞猛进的发展，得到了越来越广泛的应用。

1 三维地质建模国内外的研究现状

三维地质建模的概念最早是1993年由加拿大Simon W.Houlding提出的，并在1994年出版了图书《3D Geoscience Modeling》中从计算机技术及地质应用等详细描述了三维地质建模，之后各国学者进行了深入研究和探讨，在基于不同的建模方法及不同方向的应用上取得了丰富的成果，欧美国家相继提出了地壳探测计划和一系列深部地质调查计划，极大地促进了三维地质建模技术和软件的发展。如法国J.L.Mallet教授提出了离散光滑插值（DSI）算法，并基于该算法开发了GOCAD软件。三维地质建模技术最先在矿产方面得到应用，然后发展到其他有关领域，如水文地质、城市地质勘探等。研究者们同时也对三维可视化等数据结构和方法进行了大量的研究，在提高建模效率和精度，以及更真实的描述地下空间取得了很大进展。我国对三维地质建模相关研究起步较晚始于20世纪80年代末，标志为EarthVision软件的引入，普及度不高，主要涉及的领域包括：地矿，石油，冶金等。近年来我国研究学者为了能够更加真实的反映地质构造，对建模数据融合以及在相对复杂的模型剖面、边缘的拓扑结构等进行优化。除了在建模技术上的研究发展，三维地质建模的应用领域也逐渐从传统的地质矿产到“数字城市”等，充分利用城市地下空间，为政府管理提供决策依据。现在三维地质建模技术已经逐渐成熟，应用领域广泛。

2 三维地质建模技术发展现状

2.1 数据结构

国内外学者通过研究已经提出了多种数据模型，根据不同的空间情况，侧重点不同，在功能方面也有很大差异。近年来大量学者对三维空间数据和数据结构进行了深入的研究，可分为以下三种模型。

面模型结构简单，易于实现，但算法精度误差，时间复杂度较高。

面模型不能表达地质体内部信息，模型边缘难以准确描述，对于地质结构复杂的三维曲面的描述较为困难。主要包括格网模型（Grid）、不规则三角网模型（TIN）、边界表示模型（B—Rep）、线框模型（Wire Frame）、参数化曲面模型、断面（Section）、和多层DEMs等。

薄杨[1]对三角剖分和模型优化进行分析，开发了三维曲面构造软件对地质体的边缘部分进行了模型构造和优化，通过限制构图边界的方法提升构造速度可用于复杂三维面模型构造。刘顺昌[2]等学者利用不规则三角网表达地层面模型时虽然可以消除数据冗余，但网格大小影响建模效率和精度，过大的网格单元可能忽略其中存在的特殊地质构造，使得模型不精确，而过小的网格单元会加大工作量使得建模效率低下。地质体模型的切割分析需要顾及各种复杂的模型要素形态。

图1 三维曲面构造软件构建地质体边缘模型图

体模型包括规则体元和不规则体元，规则体元中包括体素模型、实体几何模型等。非规则体元中包括四面体格网模型、广义三棱柱模型等。

齐安文[3]等学者提出了基于偏斜地质钻孔建模的类三棱柱（ATP）模型，后发展为广义三棱柱模型（GTP）。体模型相对于面模型来说可以通过构建体元进行三维建模可以准确表达地质体内部信息，同时具备空间分析能力，其中非规则三棱柱体元和四面体体元能够较好地描述出地质体表面和内部的特征，由于四面体结构的不规则性，对于尖灭、断层、褶皱等特殊地质构造模拟程度较好。但当数据量很大时，运算耗时效率低。

混合模型是指两个或多个个体模型或面模型，以对同一对象进行三维建模的方式，更适合实际运用。常见的混合模 型 有Octree—TEN、B—Rep与TIN—Section、Wire Frame-Block、B-Rep、与TEN、TIN+Grid模型。为了满足不同地质构造模型精度的要求，研究人员也提出了新的方法。如尚福华[4]等学者提出了一种新的基于TIN-Octree混合模型的精细三维地质体构建方法，解决了模型不能有效分析地层与断层之间的形态和结构。邹皓[5]基于GRID和TIN的优缺点，以时间复杂度和内存开销为指标提出了GRID和TIN的混合建模模型。

2.2 建模方法

根据建模数据来源可分为以下四种类型，对于各建模方法存在的问题，研究人员也针对这些问题提出了相应的方法。

钻孔数据建模是由Lemonand Jones提出的，对于钻孔数据的增加存在问题建模过程复杂繁琐，不能将建模成果及时地展示出来的问题，张建芳[6]等学者利用钻孔数据以及三维可视化技术提供了一个成果展示平台。

对于钻孔数据适用于层状地质体的建模，在地质体复杂区建模困难。李璐[7]等学者针对钻孔数据层序不一致影响地层间的拓扑关系，首次引用了钻孔递归思想，逐层构建三维地层模型，使得数据不丢失并优化地层尖灭等复杂地质构造。李文雅[8]等学者针对边缘和局部变化大的地质区域模型和实测误差大的问题，利用钻孔数据合理搭建了更为精细的地质模型。

对于钻孔数据建模的构造信息不足，或缺少构造信息，无法有效构建模型的问题。余杰[9]等学者开展了提高钻孔利用率，在技术，经济，社会以及其他方面都得到了较大改善。除此之外，还有很多学者利用钻孔数据取得了不同方向的研究成果。

综合地质剖面是三维地质建模重要的数据源，基于地质剖面的建模方法适用于复杂地质体模型的创建，但建模效率较低且对研究者专业知识有一定要求。张明明[10]等学者结合地质剖面和钻孔数据，充分利用已有的专家知识，准确刻画复杂地质体在三维空间的展布情况，在提高建模精度的同时减少人为干预。吴志春[11]等学者着重解决了在模型边界面，断层面，地层界面，岩体界面等复杂构造的模型建立，实现任意剖切，属性值统计分析，深部成矿预测等功能。张宝一[12]等学者也在水运工程，利用无人机记录艰险地带以及复杂地质条件下的应用，以及延伸到国土资源应用，城市规划，建设等方面。

多源混合数据建模精度高，能真实反映复杂地质体在地下三维空间的展布特征。但是多源数据融合建模难度大。多源数据建模的关键是如何将这些数据进行有机融合提高建模精度和可靠性。吴志春[13]等学者根据建模数据的精度，深度，分布范围的不同采用了多种建模方法分层次，分阶段建模有效解决了多源数据融合难的问题，提高了建模效率和精度。另一方面建模数据获取难，成本，数量有限，但又得不到充分利用。ZHANG QI[14]等学者提出了一种利用多源地质数据和插值理论在不同阶段和不同地点进行地质体建模的协同分析方法。用于构建可视化和分析三维地质模型的地质算法。

物探数据建模通常有生成面模型和实体模型两种方法，实体模型在三维计算和数字模拟方面的优势明显。葛藤菲[15]等学者提出了一种基于重磁反演数据融合的地下深部岩性智能识别及建模方法，对于深部地质构造的分析和矿产发现有很好的应用潜力。张海翔[16]在油田开发和锰矿深部勘查方面，分别利用基于物探数据的反演来构造三维地质模型，来实现矿产资源进一步的开发和预测。但是在反演过程中会对建模精度产生一定的影响，并且网格大小对数据处理量和建模精度有很大的影响。

3 三维建模存在的问题

3.1 构模软件有待更新和开发

三维地质建模软件还存在一定的局限性，建模流程也各有不同，专业性较强，数据的更新较为困难，各项数据的计算和数据之间的衔接都不够精确，可视化以及数据转换建模数据的共享和交换是关键的技术问题。同时目前我国建模研究更多使用的是国外的建模软件，我国软件的应用和开发还需完善。

3.2 理论技术还需完善

三维地质建模的理论技术方法仍不完善，缺乏统一流程，高质量建模需要各方面技术人员的经验水平以及互相沟通。

三维地质建模数据较难获取，建模数据结构及建模方法有限以及地质构造复杂程度等因素的限制，很多研究还处于探索和尝试阶段，目前对于结构复杂，属性分布不均匀的复杂地质体的三维可视化建模研究还不够深入，因此，为了更好地拟合真实地质构造，还需发现更好的三维地质建模技术和理论。

3.3 模型应用还需探索

随着我国找矿战略的改变，深部地质透明化，可视化以及定量化的大数据集成运算和信息提取是未来深部矿产勘查的主要发展趋势。

同时城市地下作为一种潜在的土地资源，构建城市地下三维地质模型是未来发展的一个重要方向。但目前，缺乏对城市地下地质结构的全面认知，城市精细化管理还存在效率低，成本高，数据获取及处理等问题，“智慧城市“还有很长的路要走。

4 发展预测

随着全球信息技术的研究发展及对矿产资源的需求，三维地质建模的发展和广泛应用可以说是未来地质发展的必然趋势。

目前三维地质建模在软件，技术理论等方面仍然存在不足，之后需要深入探讨建模共性，开发出更加简单通用的建模软件，才能够提高三维地质建模技术的总体水平，进一步促进三维地质建模方法的更大发展以及三维建模软件的实用性。

对于深部矿，隐伏矿的预测和模型构建将会更加精确高效，复杂矿体模型的构建精度的要求等日益提高，对三维地质建模技术的进一步发展提出了新的挑战。城市地下空间开发管理也将取得重大进展，为城市水利，交通和能源等方面提供指导性建议，提高城市治理能力以及最终实现“智慧城市”提供重要帮助。