基于地质特征驱动的三维地质建模技术

基于地质特征驱动的三维地质建模技术

陈立龙

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摘要：三维地质建模(3DGeoscienceModeling)就是利用地质勘探成果，在三维可视化的环境下，利用空间信息管理、地质解译、空间分析与预测、地学统计分析等技术，综合对地质勘探成果进行三维重建的过程。基于此，以下对基于地质特征驱动的三维地质建模技术进行了探讨，以供参考。

关键词：地质特征驱动；三维地质；建模技术

引言

城市区域的三维地质结构建模是对城市区域的地质界面和地质体的空间位置、形态和拓扑关系进行三维立体的可视化表达，为人们深入研究地质体、全面分析地质现象、科学利用地质资源、有效防治地质环境问题等工作提供直观的、虚拟的地质空间。因此三维地质结构建模的目标就是客观真实的刻画和模拟地质体。但是，由于地质结构的复杂性、地质现象的不确定性、地质信息获取的有限性和地质数据的多源异构性，导致地质体三维模型的构建、表达和更新十分困难，而且存在着自动化程度低、建设标准不统一、集成格式不一致、地上地下分离等诸多问题。

1存在的主要问题

目前三维地质建模尚存在一些问题亟待解决。诸如：岩土尚无统一的标准化命名规则，已有的钻孔资料岩土命名标准在各专业领域也不统一，易造成地层分层信息的缺失；钻孔概化、剖面绘制过于依赖于专家经验，此现象增加了模型建设的主观性和不确定性，地质体分层易受到专家业务水平、思维方式的限制；建模程序复杂，难以为基层的地质作图人员所掌握，目前无论是国外的还是国产的三维地质建模软件，其操作流程仍过于复杂，须经严格培训才能掌握；约束条件要求严格，实物工作量大，这主要由于三维地质建模的过程本身是一个复杂的过程，涉及到用于建模的源数据经多次的编辑和确认，会导致很多在二维环境可以敷衍、忽略的微小瑕疵，在三维建模中变得很“敏感”；无统一的建模标准，目前从行业层面缺乏三维地质模型的建模标准，不同软件构建的三维地质模型难以共享；无法实现结构模型和力学模型的统一，目前建立的三维地质结构模型仅限于空间分析、钻孔提取、开挖分析等功能，而无法实现与力学、热学模型进行集成；模型精度较低，受到地下信息获取难度的限制，模型建设精度无法与地表建筑模型相类比，因此无法实现地上地下一体化模型的集成；模型的局部更新困难，目前的建模软件大多不支持模型的局部更新，对于与人类活动接触频繁的地下空间地层模型来说，其时效性受到了较大的限制。

2基于地质特征驱动的三维地质建模技术

2.1几何形体是表达地质特征的载体

三维地质几何模型是对地质构造现象或地质概念的抽象表达，几何模型必须与地质特征、地质构造的接触关系和拓扑结构等保持一致．由于地质体及其包含的地质构造都具有明确的地质事件和地质关系等地质特征，用于表达地质体的几何对象必须采用地质特征作为几何对象数据管理的依据．一个地质特征，包括了多种几何数据类型（点、线、面、体和向量等）及其相互接触关系．几何模型是对地质体的三维直观表达．建模三维地质模型时，首先要完成地质体几何形态的构建，而几何形态表达了各种地质特征的图形数据以及图形元素之间的拓扑关系．对于表达地质体的几何形体，目前最完备的方法是边界表示（boundaryrepresentation），即采用点、线、面和体4层结构定义地质体．几何形体是确定信息表示方法和操作方式的抽象构架．在传统的计算机辅助系统中，线、面和体等几何形体都是采用函数化的方法进行表达和操作的．由于采用函数表达的线、面和体不适用于以地质体表达，必须采用离散化的线、面和体来表达．对于地质边界的线应采用多点连接的线表达；对于地质边界的面应采用离散化的三角网表达；对于地质实体应采用离散化的四面体或地质网格表达．

2.2矿体解译

1）单工程圈定根据样品分析结果，使用矿化域边界品位，单工程中进行铜钼铅锌共生元素混圈，只要有一种主金属大于或等于矿化域边界品位的样品全部圈入矿化域内。2）剖面和三维空间圈定根据矿体产出地质特征，剖面之间对应位置连为同一矿体，矿体一律按直线连接。当出现分支矿体时，推断的矿体厚度不应大于两个工程的实际见矿厚度。3）建立矿化域实体模型通过创建勘探线剖面矿化域解译线，进行三维空间的三角网连接，最终形成矿化域实体模型。实体形成后，进行有效性验证，系统检查各实体是否存在重复三角形、无效边三角形、自相交三角形、开放边三角形等问题，同时对不同实体之间是否存在相交进行检查，避免重复算量问题。

2.3在建模空间中构建地层面

利用地质特征驱动的几何数据，在内外边界划分的建模空间中构建地层面．地层面在建模边界和内部边界上采用DSI技术，以保证接触关系的拓扑一致性．通过地层面的构建，把建模空间划分为有明确地质属性的封闭块体．如果存在侵入体等结构，应先依据侵入体的几何数据，采用DSI方法构建出侵入体的空间边界曲面，然后把侵入体的空间边界，曲面作为内部边界对地层曲面建模的建模空间进行重构．

2.4三级矿量管理

根据测量扫描工作提供的露天采场、井巷工程，及时完成露天采场和井下各工程现状三维模型更新。利用各工程现状三维模型关系，及时对矿块属性进行赋值，并结合生产探矿结果对资源模型进行局部更新。三级矿量直接影响矿山整体经济效益。过多则积压流动资金，降低资金周转率，提高采矿成本。过少则使生产调节余地减少，生产组织难度加大，造成产量起伏不定。生产计划是保证矿山实现均衡连续生产的重要手段，要合理配置资源，确保采场有序衔接。为了使矿山生产处于良性循环中，配合矿山生产需要，根据生产探矿数据二次圈定矿体，月度更新矿体模型局部，及时提交三级矿量，为月度生产计划提供依据，矿山三级矿量根据实际情况进行有效管理。

2.5双模板缓冲技术

由于三维模型经过裁剪后，被保留的填充部分会变成不封闭的的六面体，即缺少剖面的六面体，因此，我们需要对这一面进行重新绘制。由于图像的本质为像素的集合体，因此，我们只需要将这一面所覆盖的像素挑选出来进行重绘。在GPU图形渲染的最后一个测试与混合(Tests and Blending)阶段允许我们为每一个屏幕像素进行正确的配色。其中的模板测试(Stencil Test)是依据设定好的模板缓冲(Stencil Buffer)对片段进行丢弃或者保留操作，而我们的双模板缓冲将利用模板测试进行填充面像素区域的保留。

结束语

地质工程师需要依据离散、有限的数据进行推测和分析，同时引入辅助地质解释的数据以及专家经验，这就导致了现有的地质建模局限于几何空间建模．属性只能用文字的形式进行标签化，无法将属性信息融合到几何信息中进行综合建模，构建的模型容易失真．针对三维地质建模中几何数据与属性数据的融合问题，本研究提出一种基于地质特征驱动的三维地质建模技术，可构建准确完整的几何模型，并能直观建立不同地质特征的属性模型．

参考文献

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