三维地质建模若干基本问题探讨

基金项目:国家自然科学基金项目(40002024);教育部科学技术重点项目(99003);国家863高技术研究发展计划(2001AA135180);北

京市多参数立体地质调查项目(200313000045);中国博士后科学基金项目(20060400348)

作者简介:潘懋(1954-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为三维GIS 、信息地质及其应用。E-mail:panmao@pku.edu.cn

三维地质建模若干基本问题探讨

潘 懋,方 裕,屈红刚

(北京大学地球与空间科学学院,北京100871)

摘要:由于地质数据及其应用本身所具有的复杂性、不确定性、信息不完备等特点,使得三维地质建模成为制约三维GIS 研究及其应用的主要瓶颈之一。讨论三维空间数据模型的设计,提出/多元数据)多方法集成)多层次干预0的/三多0建模思路;从建模尺度、数据源、建模工具等方面对建模方法进行分类;分析三维地质建模的关键技术,包括三维地质模型构建、海量模型数据操作和多元数据一体化耦合显示;针对三维地质建模系统的开发提出6项建议,分析近期三维地质建模的研究热点。关键词:三维G IS;三维地质建模;基本问题

中图分类号:P208;T P311 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2007)03-0001-05

随着传统二维GIS 应用领域的拓宽,其在能源、矿产资源和环境等领域中的缺陷日渐突出。另一方面,二维GIS 发展比较成熟,积累了丰富的理论、方法和应用经验,而且计算机硬件、科学可视化、虚拟现实等技术的迅速发展,为三维GIS 的发展奠定了技术基础[1]

。正是应用需求的拉动和技术手段的推动,使得人们对三维GIS 、GIS [2-4]和地学GIS [5,6]的需求日益强烈,三维GIS 的研发和应用成为GIS 领域的一个热点。

三维地质建模是三维GIS 在地学领域的具体应用。广义的三维地质建模包括三维地质模型的生成、可视化、空间分析和应用等,狭义的三维地质建模主要指三维地质模型的生成。本文的三维地质建模主要指广义的三维地质建模。由于地质问题本身的复杂性(几何形态和拓扑复杂性、不确定性、模糊性、非线性等)、采样有限性、应用目的各异等特点[5-9]

,使得三维地质建模成为制约三维GIS 发展的瓶颈之一。分析三维地质建模研究现状并结合笔者多年的研究,对三维地质建模的一些基本问题(空间数据模型、建模思路、关键技术、建模方法、软件开发和近期研究热点等)进行探讨。

1 三维地质建模的空间数据模型

空间数据模型是三维地质模型构建和空间分析

的基础。国内外在三维GIS 空间数据模型方面做了很多研究,提出几十种三维数据模型和建模方法[10-13]

。吴立新和史文中将这些模型分为3类:面

模型、体模型和混合模型[10,11];龚健雅等将这些模型分为基于表面、基于体和混合模型[13]。这两种分法基本一致。吴立新等[12]

认为以上分法存在两点

不足:1)混合模型的定义不够清晰,难以界定和区分一些文献中提到的混合模型、集成模型等概念;2)没有从一般GIS 意义上的矢量数据结构与栅格数据结构方面进行区分。因此,建议按单一3D 模型、混合3D 模型和集成3D 模型进行新的分类。

笔者认为在空间数据模型研究和设计时,需要重点考虑以下内容:1)不同模型的适应性各不相同,要根据具体的三维建模目的来选择合适的三维空间模型[12]。2)在具体的模型选择和设计中,首先应考虑模型能否表达复杂地质现象,如逆断层、倒转褶皱;其次考虑模型是否适合于可视化、空间分析和专业应用等;再次要考虑模型是否具有可扩展性。在考虑以上问题时,又可从3个层次去把握,即能否完成该功能、执行效率和存储量。由于地学现象的复杂性,所以/能否完成该功能0是地质建模系统模型选择的一个重点。至于效率和存储量,二者往往不可兼得。在计算机硬件迅速发展、软件更加注重服务的前提下,通常遵循效率优先的原则,即通过大的空间开销提高算法的执行效率。3)从一个完整的三维地质建模系统看,矢量模型(结构模型)和栅格模型(属性模型)都需要。前者是反映地下地质界面和地质体的空间位置、空间形态和空间关系的三维几何模型,侧重于地质体三维结构的表达;后者侧重于某一属性在三维空间分布特征的表达。至于具体的实现策略,一种

第23卷 第3期

2007年5月

地理与地理信息科学

Geography and Geo-Information Science

Vol.23 No.3M ay 2007

2三维地质建模的思路

在三维地质建模中,需要重点注意以下问题:

(1)多元数据的使用。三维地质建模可利用的数据源非常有限,而且这些数据也涉及多种来源、多种类型、多种数据格式等多元数据的特点。因此,在三维地质建模过程中,一个关键问题就是如何有效的集成并使用好这些多元数据,充分利用诸如钻孔资料、地质图、地质剖面图、地形图、遥感数据、物化探数据、DEM等可利用的数据和资料。

(2)建模数据源分类。三维地质建模涉及多元数据,而且由不同方法获得的数据可靠性不同,其在建模过程中的作用也不同。以钻孔和地震数据为例,钻孔数据是对地下地质情况的直接观测,比地震数据可信度更高,所以在建模过程中的约束级别应更高。因此,一是可以利用可信度较高的数据对可信度较低的数据进行校正和约束;二是规定在建模过程中不能对可信度高的数据进行修改;三是优先考虑生成控制程度高的地质界面或地质体,从而对后期生成的地质现象起到一定的约束作用。

(3)原始数据和辅助数据。在三维建模过程中,应尽可能使用原始数据,如由钻孔生成的折剖面数据,而不是经过处理后的平剖面数据;另外,对于工程控制较低的地方,也可考虑参考其他资料(如物探资料)增加适当的虚拟钻孔或虚拟剖面,使得三维建模过程能顺利进行,生成的三维模型质量更高。

(4)多方法集成。由于地质情况的复杂性等特点,寄希望于寻求一种普适的方法解决所有地质模型的构建是不现实的,更现实的方法是针对不同的地质复杂程度、不同的工作阶段、不同的资料丰富程度等,提出多方法集成的综合解决方案。

(5)多层次的用户干预机制。由于地质现象的多解性等特点,寄希望于计算机自动建立一切地质模型是不现实的,方便的交互式工具和专家经验在三维建模中显得尤为重要,甚至是必须的。换言之,这种人工干预在建模的各个阶段都需要,是一种多层次的干预。例如,在基于剖面的三维地质建模中。首先,地质人员可以对由钻孔生成的剖面或已有的二维剖面进行编辑修改,加入地质专家的经验和知识,以确保建模资料的可信度;其次,由剖面上的地质界线连接成地质界面,进而连接成体时,对于一些复杂的情况,还需提供用户干预的方式和工具,如用户可以指定地质界线之间的对应关系;最后,提供三维环境下对已经生成的三维模型作进一步的编辑,使其更加准确可靠。

以上可以进一步概括为/多元数据)多方法集成)多层次干预0的/三多0建模思路。其中/多元数据0就是在建模过程中,尽量收集、使用更多的可利用数据,而且尽量使用原始数据;同时根据原始数据的可靠度分别处理,当原始数据较少时,可考虑添加辅助数据。/多方法集成0即在三维地质建模过程中,针对问题的复杂程度等,提供多种建模方法。/多层次干预0即要处理好自动建模和交互式建模的关系。一方面,在保证建模精度的前提下,尽可能提高建模的自动化程度,这是三维建模的努力方向;另一方面,应提供用户多层次干预的手段和工具,以加入专家的知识和经验,提高建模结果的可靠性。

3三维地质建模的方法

数据是信息系统发挥作用的先决条件。传统的二维GIS中数据来源很广,可以通过测量、遥感等手段直接获取;而三维地质模型数据,尤其是地下三维地质模型,无法或很难直接获取,所以三维地质建模方法显得尤为重要[14]。

自20世纪70年代以来,国内外提出许多三维地质建模方法,简要分类如下:1)从尺度方面,可分为宏观建模和微观建模。宏观建模[11,13-24]主要关注地质现象的区域特征,数据来源主要是地质露头、钻孔、地质解释资料等;微观建模[25,26]主要关注岩石、矿物等的微观特征,数据来源可以是岩石切片、照片和通过仪器直接得到的三维点云等。通常的地质建模多指宏观建模。2)从对地质体内部属性的处理分析,可分为结构建模和属性建模。结构建模侧重于对地质体空间位置、几何形态和空间关系的表达,认为地质体内部属性是均一的[27];属性建模则通过地质统计学等方法实现地质体内部属性非均一性的表达[28]。3)根据建模所使用的数据源,可分为基于野外数据[29,30]、基于剖面[14-16,19,20,27,31-33]、基于离散点[33-35]、基于钻井数据[20,21]、基于多源数据[24]等。

4)从建模的动态性方面可分为静态建模和动态建模。静态建模是地质体在时间序列中某一时刻的切片特征,通常的三维地质建模多指静态建模;动态建模则是对连续变化地质现象的一种表达,如地下水污染、盆地模拟和滑坡模拟等[36]。5)从建模的方法思路方面可分为正演和反演。正演模拟地质体的变

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第地理与地理信息科学第23卷化过程;反演侧重于利用现有的结果反演其变化历程。6)从研究的工具分类,可分为基于系统集成[37,38]、基于数据库[39]等。

总之,目前在三维地质建模方法方面已有不少研究,但由于该问题本身的复杂性,难以提出一种适合所有情况的通用的建模方法,需要根据不同的应用需要提供多种处理手段,包括适当的人工干预。

4三维地质建模的关键技术

三维地质建模复杂度很高,需要许多关键技术,这也是其能否解决实际问题、满足应用需要的关键。

(1)三维地质模型构建。三维地质模型构建是三维地质建模系统的基础和关键,只有首先生成符合精度要求、尽可能反映实际地质情况的地质模型,才有可能进行可视化、空间分析和专业应用[27]。地质对象经过了长期而复杂的地质作用过程,形状复杂且差异性明显;地质对象深埋于地下,不能直接观察,同时受经济因素制约,导致三维地质建模可利用的数据源较少,无法满足真实再现三维地下实体的精度,无法准确预知研究对象的总体模式。因此,如何利用科学合理的数学方法和地质知识,通过对有限勘探资料进行插值,生成尽可能真实反映地质实体的三维数据是三维地质建模的关键问题之一。基于/多元数据)多方法集成)多层次干预0的/三多0建模方法是一种研究思路。

(2)海量模型数据操作。真三维地质应用系统必然涉及海量三维模型数据的问题。三维地质模型涉及地表遥感数据、地表三维模型、地层界面数据、断层数据、地质体数据、模型拓扑信息等,其数据量将达到GB级。所以,是否具有海量模型数据的组织管理和操作能力,是系统是否具有实际应用价值的决定因素之一。

针对大数据量结构模型的运行问题,需要在软件开发过程中解决计算机硬件设备的存储和速度等技术问题,如在PC环境下如何建立如此庞大的三维地质结构模型,海量模型如何组织与管理,海量模型如何调用(内存管理),如何有效解决运行速度问题。

针对常规方法处理海量模型数据时内存占用量大、CPU负载重、处理效率低的不足,可考虑基于/水平分块、垂向多分辨率(LOD模型),动态内存交换0策略实现海量模型的三维显示和空间分析[40-42]。另外,在存储结构、空间索引、多线程技术、硬件加速技术等方面[42,43],也可以提高海量模型数据的操作效率。

(3)多元数据的一体化耦合显示。三维地质建模还需要解决多元数据的一体化耦合显示问题。1)地上、地下一体化显示:将地表DEM模型、遥感影像、地理底图、地质图、地物模型、地下三维结构模型和地质物化属性模型等空间信息集成显示,构建整个区域的多层次立体三维模型,给用户一个统一的整体展示;2)三维地质模型与原始资料的耦合显示;

3)三维地质结构模型与属性模型的耦合显示:解决三维地质结构模型(工程地质模型、水文地质模型等)和属性模型(地下水污染模型、物探属性模型等)之间的耦合与一体化显示。

为了方便、高效地实现多元数据的一体化显示,可考虑采用基于数据引擎和三维可视化引擎的解决策略[27],其核心思想是实现可视化框架和数据的分离。另一方面,需要研究针对结构模型的面绘制和针对属性模型的体绘制之间的融合问题[44]。

5三维地质建模系统的开发

目前,国际上已有不少三维地质建模方面的软件,但大多面向不同的专业应用,如石油勘探、矿床模拟、开采评估、设计规划等。其中比较有影响的有:GOCAD、EarthVision、Lynx、Vulcan、Surpac、M-i cromine等。国内三维建模软件的研发起步较晚,产品也不成熟,尚处在探索阶段。现有的软件产品具备部分三维功能,主要集中在三维可视化等方面。肖乐斌等[45]将三维GIS的研究思路归纳为两种:以三维可视化作为切入点向三维GIS系统扩展;从数据库角度向三维GIS发展。

三维地质建模的软件开发涉及地质、计算机、科学可视化等多学科的交叉,是一项系统性的工作,需重点考虑以下方面:1)明确应用领域。三维地质建模与应用领域紧密相关。一方面,不同应用领域可利用的数据源不同,如工程地质应用中钻孔数据较常见,而油气勘探应用中地震数据所占比重较大,数据源不同直接导致建模方法的不同;另一方面,不同应用领域对空间分析和专业应用的要求相差也很大,导致系统功能的不同,进而导致数据模型的差异。所以,寄希望于开发类似于二维GIS那样普适的三维地质建模系统非常困难,现实的做法是以某一或几个相关应用领域为重点。2)重视关键技术的突破。由于三维地质建模的复杂性,所以应把关键技术的研究和攻关放在重要位置,如建模方法的研究、海量模型数据的管理、可视化与操作等。3)充分借鉴二维GIS及数字地形模型系统的研究成果。例

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第

第3期潘懋等:三维地质建模若干基本问题探讨如,在软件结构设计方面,可参考二维GIS的相关设计模式[46];三维地质结构模型的可视化可充分借鉴三维数字地形模型的研究成果,如水平方向的分块、垂向的LOD模型技术[40,41];空间分析中重点要解决三维拓扑关系的表达和应用,以及常规缓冲区、叠置分析等在三维空间中的实现等[43,47]。4)关注新技术的发展趋势。如随着GPU功能的增强,三维体可视化可考虑软硬件结合。5)重视开放源代码。国内外许多研究机构通过网站等方式提供了丰富的开放源代码,如三角剖分算法、曲面细分算法、常规几何操作算法、可视化引擎等。充分借鉴开发源代码,可缩短开发周期,加快开发速度。6)不可忽视二维模块。虽然三维地质建模具有显著的优越性,但目前二维模块仍然不可缺少,其既可作为模块使用,也是三维模块的有力支撑。

6近期三维地质建模的研究热点

目前,国外三维地质建模研究主要侧重于建模方法、三维可视化、三维空间数据库以及系统深入应用等方面。三维空间数据模型经过几十年的发展,要提出一种适合于所有应用的普适的数据模型几乎是不可能的,所以目前数据模型的研究相对平缓。随着全球经济的复苏与发展,对能源、矿产资源等的需求增加,导致其勘探开发的投入增加,应用的拉动必然导致三维地质建模研究和应用的进一步深入。

国内除以上研究外,还具有以下研究方向:1)针对城市三维地质信息系统的研究[14,45,48-50]。随着我国城市化进程的不断加速,地下空间开发利用成为城市规划建设的重要内容,地质环境和灾害问题、水资源等成为制约城市可持续发展的重要方面,迫切需要建立城市三维地质信息系统,对城市地下信息进行有效管理与高精度立体展示。国家从解决城市发展面临的地质问题和保障城市可持续发展的战略角度出发,做出了在全国逐步开展新一轮城市地质调查工作的重大决策,并优先启动了北京、上海、杭州、天津、南京和广州的地质调查试点项目。2)国内经济持续飞速发展,对能源(煤炭、油气等)、矿产资源的勘探开发需求迫切,国外三维软件系统存在操作复杂、价格昂贵且不适合中国复杂地质情况等问题,所以迫切需要加强适合于我国国情的具有自主版权软件的研发。3)在国家/以人为本0、/和谐社会0指引下,将进一步加强地质灾害的减灾防灾工作,三维地质建模在该领域必将做出新的贡献。

另外,二维GIS以及数字地形模型系统中的空间数据不确定性与质量控制已有大量研究[51-54],成为当前GIS研究热点之一。但目前三维地质建模不确定性分析与质量控制研究较少,仅有少量探索性研究[27],需引起注意。

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Discussion on Several Foundational Issues in Three -Dimensional Geological Modeling

PAN M ao ,FAN G Yu,Q U Hong-g ang

(College of Ear th and Sp ace Sciences,Peking Univ ersity ,Beij ing 100871,China)

Abstract:Geological complex ity,uncertainty,limited sample data,etc.,make T hree-Dimensional Geological M odeling (3DGM )a bot -tleneck for the development and applications of 3D G IS.T his paper firstly proposes three key points in designing 3D spatial data mod -els for 3DGM :differ ent models for different applications,rules for model design,integration o f v ector and raster models.Secondly ,the modeling ideas of multi-source data,multi-method integration and multi-level interactions are presented.T hirdly,cur rent methods for 3DGM are classed from several views of scales,source data,modeling tools,etc.And then t hree key technologies in 3DGM of com -plex geolog ical model building,massive model data processing and integrative v i sualization of multi-data are analy zed.At last,com -ments o n 3DGM software development and the latest research hot po ints ar e discussed.Key words:3D GIS;T hr ee-Dimensional G eolog ical Mo deling;foundational issues

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5第第3期 潘 懋等:三维地质建模若干基本问题探讨