摘要：地質(zhì)測(cè)繪非常復(fù)雜且困難，通常存在三維實(shí)體，由于科學(xué)研究的不斷深入，三維地質(zhì)模擬引起了全球科學(xué)界的高度關(guān)注，目前正在開發(fā)各種三維地質(zhì)模擬軟件已被廣泛使用。也應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)資源學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)等等。本文從地質(zhì)的結(jié)構(gòu)、類型、分布等方面對(duì)地質(zhì)的三維特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)了三維地質(zhì)模擬軟件在國(guó)內(nèi)外地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)工程、采礦勘查、物理學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模技術(shù);地質(zhì)測(cè)繪;應(yīng)用;
1 、三維地質(zhì)建模技術(shù)的理論基礎(chǔ)
地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形狀具有兩個(gè)基本表示形式：“數(shù)字”（結(jié)構(gòu)元素，例如發(fā)生和規(guī)模）和“形狀”（空間形式），復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)始終可以通過點(diǎn)、線和面來(lái)建模。三維地質(zhì)建模技術(shù)可以收集許多元素并進(jìn)行分析，尤其可以在空間坐標(biāo)系中執(zhí)行三維形態(tài)解釋和分析。作為管理三維地質(zhì)現(xiàn)象的GIS，應(yīng)將主要地質(zhì)現(xiàn)象考慮為地層、缺陷和礦體。地層是特定地質(zhì)時(shí)代中的地層或巖石，相互連接的地層位于界面之間，可以位于具有趨勢(shì)、坡度和深度數(shù)據(jù)的平坦樓梯前面。但是，結(jié)構(gòu)界面并不是真正的穩(wěn)定表面，而是由于趨勢(shì)和趨勢(shì)變化而形成不完整的表面。為了獲得梯度，通常使用井?dāng)?shù)據(jù)，井測(cè)量數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)確定波缺陷的表面積。缺陷類似于地層，將巖體分為上下壁，但通常具有特定的表面，特定的寬度和特定的角度，檢測(cè)和描述方法與地球表面一致。為了確定礦物質(zhì)的范圍，必須通過表面勘測(cè)、地下挖掘和地質(zhì)測(cè)深來(lái)確定。
通常通過鉆孔的測(cè)斜儀數(shù)據(jù)計(jì)算，按照一定的規(guī)則（根據(jù)垂直和水平截面）放置鉆孔，穿過鉆孔的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）以及礦體的頂部和底部。數(shù)字表面模型可以通過DM模型來(lái)描述。事實(shí)上，一些現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)軟件也使用這一計(jì)算方法。在地質(zhì)勘測(cè)中觀察到的數(shù)據(jù)，包括巖層和礦石，在空間分布方面非常不相同，在許多情況下只有幾個(gè)不同的點(diǎn)。由于情況復(fù)雜、遲覺運(yùn)動(dòng)畸變、損害和其他因素，如果存在諸如缺陷之類的不連續(xù)層，則數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性將受到損害，數(shù)據(jù)的原始分布有時(shí)會(huì)發(fā)生變化，然而，你無(wú)法在整個(gè)區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的探查，因?yàn)闋恳话l(fā)動(dòng)全身。例如，缺陷結(jié)構(gòu)的發(fā)展是規(guī)則的，例如平面和輪廓中的接頭和缺陷，缺陷結(jié)構(gòu)的發(fā)展通常具有方向性、帶狀、保形性和分區(qū)性規(guī)則。因此，在以空間的方式接近方向的表面時(shí)，必須在適當(dāng)考慮到地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的作用的前提下，遵循地質(zhì)規(guī)則。例如在缺陷情況下，缺陷對(duì)相關(guān)層脂質(zhì)的影響。
2、 對(duì)三維地質(zhì)建模的研究成果
在中國(guó)，三維地球科學(xué)成像的研究開始得晚，但已經(jīng)進(jìn)行了許多有益的探索。最近，中國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)大力支持對(duì)三維地質(zhì)建模的研究，包括支持“三維建模和繪圖研究等地質(zhì)機(jī)構(gòu)繼續(xù)提供復(fù)雜資金”和“石油儲(chǔ)存地球物理學(xué)”“三維地震制圖和圖像法”“地理空間時(shí)空空間信息、動(dòng)態(tài)和成像建模及其應(yīng)用”等項(xiàng)目。1996年，中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）和勝利油田開始對(duì)國(guó)家自然科學(xué)綜合計(jì)劃的主要項(xiàng)目“復(fù)雜的地質(zhì)機(jī)構(gòu)”進(jìn)行跟蹤。由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的Geview地理信息系統(tǒng)可促進(jìn)地球科學(xué)信息的管理、處理和計(jì)算分析，并支持三維決策。中國(guó)石油勘探和開發(fā)研究所研發(fā)了深海資源開發(fā)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以通過三維結(jié)構(gòu)的發(fā)展而恢復(fù)，在“八五計(jì)劃”期間，中國(guó)開發(fā)了三維地質(zhì)模型軟件，盡管與國(guó)外的類似軟件有很大不同。
3、 目前暫時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題
3.1、 硬件問題
三維地質(zhì)建模的硬件尚不成熟，但地質(zhì)軟件不能根據(jù)基于特定觀察點(diǎn)或地質(zhì)規(guī)律的表面模型建立復(fù)雜的地面，并可能產(chǎn)生其他無(wú)法預(yù)測(cè)的地圖。如果捕捉時(shí)間過早，則無(wú)法捕獲大規(guī)模的地質(zhì)和深海數(shù)據(jù)。建模質(zhì)量非常依賴地質(zhì)建模專家，這不僅影響軟件的有效性，而且限制了建模自動(dòng)化的改進(jìn)。如今在地質(zhì)研究比較先進(jìn)的韓國(guó)，學(xué)者們尚未開發(fā)較低廉的三維地球模擬軟件，因?yàn)檐浖䦟?shù)據(jù)管理、信息介紹、互動(dòng)過程和地質(zhì)分析結(jié)合起來(lái)，使得地球科學(xué)三維成像硬件費(fèi)用昂貴。中國(guó)有數(shù)百個(gè)地質(zhì)勘探和研究部門，如果它們不開發(fā)擁有獨(dú)立版權(quán)的地理信息系統(tǒng)三維地質(zhì)軟件，那么對(duì)外國(guó)軟件的過分依賴是不現(xiàn)實(shí)的。我們需要工作人員開展合作研究，開發(fā)屬于本國(guó)的地質(zhì)科學(xué)三維成像軟件，同時(shí)開展國(guó)際研究，以便盡快融入世界。
3.2 、三維地質(zhì)模擬的弊端
這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系因多點(diǎn)、缺乏連續(xù)性、趨勢(shì)不同以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜而有所不同。在地球科學(xué)領(lǐng)域，存在許多缺陷，地質(zhì)、水井、礦石、隧道等。不同的專家可以根據(jù)不同的地質(zhì)理論得出不同的結(jié)論。地質(zhì)數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)和非系統(tǒng)方面各不相同，主要包括重力數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)、大氣電子數(shù)據(jù)、地?zé)釘?shù)據(jù)、油井?dāng)?shù)據(jù)（地質(zhì)分類、地球物理信息）、地震數(shù)據(jù)和衛(wèi)星電影。地殼數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)（地質(zhì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)、巖石厚度數(shù)據(jù)、幻燈片數(shù)據(jù)等）和數(shù)字地圖的協(xié)調(diào)發(fā)展，使得數(shù)據(jù)的分類、解釋和處理更加困難。
4、 目前三維地質(zhì)建模技術(shù)的應(yīng)用
4.1 、三維空間數(shù)據(jù)模型
在對(duì)全球三維GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的深入研究中，主要三維GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維網(wǎng)格（A-ray）、實(shí)體結(jié)構(gòu)幾何（CSG）組成的。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（TEN）代表基于諸如網(wǎng)絡(luò)（TEN）的體積技術(shù)的三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確地表示空間實(shí)體并充分描述空間拓?fù)潢P(guān)系，但是TEN本身很難構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。Octree是一個(gè)以尺寸描述為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，是三維立體體模型的延伸，在這種模型中，質(zhì)子被用作描述空間物體的小單位，這是一個(gè)簡(jiǎn)單而易于分析的結(jié)構(gòu)模型。這一特性表明精確度較低，但精確度提高將導(dǎo)致數(shù)據(jù)數(shù)量大幅增加，處理速度下降，模型顯示了場(chǎng)地與空間實(shí)體陳述之間的明顯缺陷。在地球科學(xué)領(lǐng)域，空間物體非常復(fù)雜，在三維描繪和顯示方面非常不規(guī)則的缺陷，地質(zhì)、井眼、礦石、隧道等非常復(fù)雜，矢量結(jié)構(gòu)很難解決物體內(nèi)部的不均勻現(xiàn)象。
4.2、 三維地質(zhì)模擬技術(shù)方法
目前，三維測(cè)量模擬技術(shù)概括如下：剖面建模、表面建模、天體質(zhì)量建模、框架建模、實(shí)體建模和界面視覺技術(shù)。截面法是一個(gè)三維問題，其缺點(diǎn)是不完整。表面方法在DTM模型（數(shù)字地形模型）中使用，其缺點(diǎn)是關(guān)于特性的信息不能在地面質(zhì)量?jī)?nèi)表達(dá)。三維模型更好地平衡精確度和儲(chǔ)存信息，該線是表層和塊法的組合，其優(yōu)點(diǎn)是以任何方式描述礦物質(zhì)，其缺點(diǎn)是在控制點(diǎn)編碼改變地質(zhì)界面時(shí)，重新調(diào)整和劃分地表。輻射成像技術(shù)是根據(jù)計(jì)算的科學(xué)設(shè)想而發(fā)展的技術(shù)。在三維地面模擬中應(yīng)用外部成像技術(shù)的一個(gè)典型例子是法國(guó)NACY大學(xué)開發(fā)的gcad軟件以及美國(guó)的三維地質(zhì)模擬。包括我國(guó)探討了三維地質(zhì)測(cè)量模擬技術(shù)的應(yīng)用，多數(shù)學(xué)者提出了三維地質(zhì)模擬技術(shù)和物理成像的挑戰(zhàn)，并研究了生物成像方法、算法展示和光學(xué)模型等關(guān)鍵技術(shù)。
最近出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)象是一種可以創(chuàng)建和測(cè)試虛擬世界（虛擬環(huán)境的通用名稱）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有視覺和目標(biāo)定向的特征，并使用三維立體圖像顯示數(shù)學(xué)知識(shí)和圖表，這些圖表不僅復(fù)雜，而且信息共享之間也可以交互。這是空間數(shù)據(jù)成像的一個(gè)有希望的新領(lǐng)域，并且已經(jīng)成為研究和利用地球數(shù)字資源的重要焦點(diǎn)和重要工具。而VR是人機(jī)交互的新革命，用戶直接與虛擬的自然環(huán)境互動(dòng)。向用戶顯示的自動(dòng)界面不再是二維平面形狀，而是動(dòng)態(tài)的三維對(duì)象。虛擬地理和與地理相關(guān)的虛擬人體工程學(xué)活動(dòng)。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于3D地質(zhì)模擬是3D地質(zhì)模擬技術(shù)的重要趨勢(shì)。用于處理二維度數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)技術(shù)非常方便，在二維度垂直投射的傳統(tǒng)五維度的單維或二維度儲(chǔ)存預(yù)測(cè)結(jié)果的幾何及其相互關(guān)系的位置，盡管有許多問題可以在地質(zhì)領(lǐng)域解決，但由于三維地質(zhì)模擬技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)確實(shí)是有巨大發(fā)展前景的，也是更科學(xué)的。地理信息系統(tǒng)正在從一個(gè)固定的二維模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)三維模型，利用三維地理信息系統(tǒng)將單維或二維地球塊置于三維空間，因此，三維地理信息系統(tǒng)的開發(fā)將為三維地質(zhì)建模提供重要的技術(shù)支持。
三維地質(zhì)建模軟件首先從油田收集各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，例如地層信息和側(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，然后建立數(shù)據(jù)庫(kù)。通過數(shù)據(jù)庫(kù)建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置三維網(wǎng)格的精度。然后，可以建立相關(guān)的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模型，其中應(yīng)包含分層模型和缺陷模型。大量的橫向井?dāng)?shù)據(jù)和鉆探數(shù)據(jù)用于模擬儲(chǔ)層材料并定量解釋儲(chǔ)層參數(shù)的空間變化。使用大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和地理統(tǒng)計(jì)，并描述空間中屬性的分布。使用定性和定量方法對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算和評(píng)估其儲(chǔ)量，最后對(duì)模型進(jìn)行處理。
5 、結(jié)論
三維地質(zhì)建模技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有效地提高了工作效率和工程質(zhì)量。近年來(lái)，中國(guó)的三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展迅速，功能日趨完善，但是該軟件的應(yīng)用和開發(fā)仍存在許多弊端，需要軟件開發(fā)商更好地利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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