GIS在三维地学建模中的应用现状及思考

总结，提出在三维地学建模中应突破传统建模方法局限、引入数学函数模拟、加强空间分析等，使三维地学模型更接近工程应用。

关键词：三维地学建模 建模方法 空间模型 GIS应用

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）10-0000-00

1 引言

自从1963年加拿大学者F.R.Tomlinson首先提出地理信息系统这一概念，并开发出世界上第一个地理信息系统（CGIS）后，地理信息系统（GIS）在全球范围内得到了广泛的发展。目前，GIS在环境、城市、气象、海洋、地质、矿山等诸多领域已经有了较为深入的开发和应用，特别是在地质矿山开采、储量评价方面，三维GIS的空间信息管理、数据查询、三维模型构建、可视化以及三维空间分析等强大的功能，极大地改进了传统的研究方法。

三维地学建模即GIS在地质研究中的一项应用。它由加拿大Simon W. Houlding于1993年首先提出。其含义是运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行真三维再现和可视化交互的科学与技术（Houlding，1994）。国外在这方面的研究开展较早，较为深入，国内研究才刚刚起步。

三维地学建模不仅仅是一个实体造型的模型，与CAD建模存在较大区别。三维地学建模除了要模拟地物的空间形态和属性，还要描述多个地物之间的三维拓扑关系。

Houlding提出的三维地学建模的一般过程见图1。

2 研究现状

三维地学建模方法研究是目前3D GIS领域研究的热点问题。许多专家学者在此领域做了有益的探索。过去十来年中，提出了20 余种模型。若不区分准3D 和真3D ，则构模方法可以归纳为面元模型（Facial Model） 、体元模型（Volumetric Model） 和混合元模型（Mixed Model） 的3 大类构模体系（吴立新，2004），如表1 所示。

从实际应用效果来看，基于体元的数据模型比较适合于空间操作和空间分析，但数据量大，运算速度慢，在处理海量数据方面效率较低；基于边界的面元模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但在空间分析方面有很大局限性。混合数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。由于三维几何和拓扑的复杂性，很难用一个统一的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，采用混合数据模型不失为一种可行的方法。例如：TIN+CSG的集成模型比较适用于城市三维景观的建模，而Octree+TEN则被认为适合于地质、海洋等领域的三维建模（朱良峰，2004）。

3 常用建模方法

目前对于三维地学建模的研究越来越多，概括起来，其建模方法主要有以下几种：块段建模法、线框建模法、实体建模法、表面建模法、断面建模法、钻孔-剖面建模法等。

3.1 块段（Block）建模法

根据数据存储方式， 块段建模又可分为三维栅格模型（3D Grid Model） 和八叉树模型（Octree Model）。三维栅格模型是未经压缩的标准体元，以长方体、正六面体等作为基本体元，但是最简单并最常用的是等边长的正方体体元。八叉树模型是对三维栅格模型改进，是二维平面上的四叉树在三维空间中的扩展。块段建模法优点在于，在编制程序时可以采用内在的定位技术，以节省存储空间和运算时间。但缺点在于不能精确模拟地质体边界（齐安文，2001）。

3.2 线框（Wire Frame）建模法

线框建模技术是一种表面建模技术，就是把面上的点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网络来模拟地质边界或开采边界（齐安文，2001）。

3.3 实体（Solid）建模法

实体构模技术以LYNX系统中提供的3 维元件构模（3D component modeling） 为代表。该构模方法以真实的地质或开采形体的几何形态为基础，以中平面的前后扩展为构模原理，交互式逐个生成由地质分表面（ subsurface） 和开采边界面所构成的各地质元件（component） 。元件是三维地质建模的基本单元，不仅表示一个形体，也表示封闭的体积以及形体中的地质特征（品位或质量等） 分布（齐安文，2001）。

3.4 表面（Surface）建模法

也即数字高程模型（DEM），也利用三角网、四边形网格等来模拟表现地形、层状地层面等的起伏形态，目前在三维地形模拟、军事仿真，测绘等领域应用较为广泛和成熟。目前，一般是通过离散点的高程数据，通过插值，建立某区域的数字高程模型。也可以通过遥感影像来建立大区域的数字高程模型。

3.5 断面（section）建模法

断面构模技术是再现传统的手绘建模方法的计算机化矿床构模技术，即通过一系列平面图或剖面图来描述矿床，并记录信息。其特点是将3维问题2维化，便于地质描述，大大简化了模型的设计和程序的编制；但它在矿床的表达上是不完整的，往往需要与其他构模方法配合使用（齐安文，2001）。

3.6 钻井-剖面（borehole -cross section）建模法

钻井-剖面建模法主要是利用钻井数据和地质、地震解释等剖面数据来建立三维地质体模型的方法。这类方法是现在较多的三维地质建模方法。具体又可以分为以下两种：

钻井为主，剖面为辅。Lemon等指出，现有建模方法大多存在以下不足：1）建模过程复杂烦琐，建模时需要用户较多的干预，其中有些干预是完全不必要的； 2）不能将建模者掌握的除钻孔资料之外的其它信息以及专家知识经验融入建模的工作流程，导致建模结果与实际差别较大且难以修正；3）没有考虑断层、褶皱等复杂地质构造的加入对三维地层模型的影响，适用范围有限。Lemon利用水平层面法（Horizon Method）（Lemon， 2003）直接从钻井数据生成三维地质模型，生成过程可以不需要人工的干预。如果用户对生成的结果不满意，还可以自己定义和绘制通过钻井的剖面，从而使得生成的三维模型更加接近真实。

剖面为主。基于剖面的三维地质建模大多采用轮廓线算法。该方法最先从医学领域得到快速发展，后来迅速扩展到其他领域。在医学领域里，通过CAT或者MRI等技术，可以获得一系列相互平行的人体切片图像，通过提取对象的边界，基于轮廓线算法，生成三维人体模型。这种基于切面的三维建模方法同样适用于地学应用。一个典型应用就是在古生物领域。

4 其他建模方法和技术

武强等指出，现有三维地学建模系统严重依赖于钻井和剖面数据，在缺乏这些资料的地区，很难建立起较为精确的三维模型（Wu Qiang， 2005）。为此，他们提出将现有二维GIS数据库、地质界线、DEM数据、钻井、剖面以及遥感影像等数据加以整合，利用多源数据来进行三维地学建模。

在三维地学建模中，还需要对特殊的地质现象进行专门的建模方法的研究，如断层、褶皱等的构建。目前已经有很多关于断层三维可视化建模方面的研究（Wu Qiang， 2003），但是他们的方法通常需要足够的断层属性和数据，在利用有限断层数据进行断层三维建模的研究开展较少。

5 关于三维地学建模方法的思考

GIS引入地质研究中，极大地促进了计算机技术和空间信息技术在地质中的应用，对地质学的研究开辟了新的领域，客观上带动了地质学信息化的发展。但和GIS中的数据获取不同，地质构造本身的复杂性，加上经济因素造成的可利用数据的稀少和离散，客观上给三维地学建模造成了很大的困难。怎样从缺乏的地质勘查数据建立合理的三维地质模型，是三维地学建模必须解决的问题。在这个过程中，利用空间插值技术可以一定程度上满足建模的数据要求，但必须从应用的模型实际情况来选用合适的插值方法，因为插值技术有多种，包括反距离加权平均法、曲面样条函数法、趋势面法、克立金插值法等。

单纯从三维地学建模的方法来看，需要发展传统的从钻井和剖面数据建立三维模型的方法，不应只局限于平行剖面轮廓线的体生成，还应该实现从交叉的剖面来建立三维地质模型。很多情况下，交叉平面在地学勘查和研究中更常见。其次，也可以突破传统利用钻井剖面建模方法，从其他方面研究新的建模方法，例如，用数学函数拟合等方法来定量表现地质界线等边界的形态，部分替代传统方法基于结点、弧段、多边形的特点。在建模过程中，还应该考虑怎样加入地学工作者的经验知识，使三维地学模型更加具有真实性。

三维地学建模不仅仅是一个三维实体的造型，不光要考虑如何真实地构建三维地质体的空间形态，还应该要发挥GIS强大的功能，支持三维的属性查询和三维空间分析，正确地建立和处理三维地质体之间的拓扑关系。建立三维地学模型的目的不仅仅限于可视化，更高目标还在于三维的空间分析和模型最终的工程应用。要达到这个目标，三维地学建模还有很长的发展道路。目前就三维地学建模方法本身，也还有很多需要研究和完善的问题。

参考文献

[1] Houlding S.W.， 1994， 3D Geoscience Modeling： Computer Techniques for Geological Characterization. London： Springer Verlag.

[2] Lemon， A.M.， Jones， N.L.， （2003）， “Building solid models from boreholes and user-defined cross-sections”， Computers & Geosciences 29 （5）， 547–555.

[3]Wu Qiang， Xu Hua， 2003， “An approach to computer modeling and visualization of geological faults in 3D”， Computers & Geosciences， 29 （4）， 503-509.

[4]Wu Qiang， Xu Hua， 2005，“A three-dimensional model and its potential application to spring protection”， Environmental Geology， 48， 551-558.

[5]齐安文，吴立新，候恩科等.“三维地学模拟述评及其矿山应用关键问题”.《中国矿业》，2001，10（5），61-64.

[6]吴立新.“真3维地学构模的若干问题”.《地理信息世界》，2004，2（3），13-18.

[7]武强，徐华.“三维地质建模与可视化方法研究”.《中国科学 D辑》，2004，34（1），54-60.

[8]朱良峰，吴信才，刘修国.“3D GIS支持下的城市三维地质信息系统研究”.《岩土力学》，2004，25（6），882-886.

收稿日期：2015-09-14

作者简介：明镜（1982—），男，汉族，重庆北碚人，博士，正高级工程师，2005年毕业于北京大学，研究方向：3S技术在测绘及城市建设、三维地质建模等领域的应用。

推荐访问:地学 建模 现状及 思考 GIS