摘要：地質(zhì)測繪非常復(fù)雜且困難，通常存在三維實體，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、分布等方面對地質(zhì)的三維特征進行系統(tǒng)分析，總結(jié)了三維地質(zhì)模擬軟件在國內(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、線和面來建模。三維地質(zhì)建模技術(shù)可以收集許多元素并進行分析，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、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，而是由于趨勢和趨勢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)，井測量數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)來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、地下挖掘和地質(zhì)測深來確定。
通常通過鉆孔的測斜儀數(shù)據(jù)計算，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模型來描述。事實上，一些現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)軟件也使用這一計算方法。在地質(zhì)勘測中觀察到的數(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不同的點。由于情況復(fù)雜、遲覺運動畸變、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)的原始分布有時會發(fā)生變化，然而，你無法在整個區(qū)域進行持續(xù)的探查，因為牽一發(fā)動全身。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，必須在適當(dāng)考慮到地質(zhì)運動的作用的前提下，遵循地質(zhì)規(guī)則。例如在缺陷情況下，缺陷對相關(guān)層脂質(zhì)的影響。
2、 對三維地質(zhì)建模的研究成果
在中國，三維地球科學(xué)成像的研究開始得晚，但已經(jīng)進行了許多有益的探索。最近，中國自然科學(xué)基金會大力支持對三維地質(zhì)建模的研究，包括支持“三維建模和繪圖研究等地質(zhì)機構(gòu)繼續(xù)提供復(fù)雜資金”和“石油儲存地球物理學(xué)”“三維地震制圖和圖像法”“地理空間時空空間信息、動態(tài)和成像建模及其應(yīng)用”等項目。1996年，中國科學(xué)院地球物理研究所（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）和勝利油田開始對國家自然科學(xué)綜合計劃的主要項目“復(fù)雜的地質(zhì)機構(gòu)”進行跟蹤。由中國地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的Geview地理信息系統(tǒng)可促進地球科學(xué)信息的管理、處理和計算分析，并支持三維決策。中國石油勘探和開發(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“八五計劃”期間，中國開發(fā)了三維地質(zhì)模型軟件，盡管與國外的類似軟件有很大不同。
3、 目前暫時發(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)生其他無法預(yù)測的地圖。如果捕捉時間過早，則無法捕獲大規(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化的改進。如今在地質(zhì)研究比較先進的韓國，學(xué)者們尚未開發(fā)較低廉的三維地球模擬軟件，因為軟件將數(shù)據(jù)管理、信息介紹、互動過程和地質(zhì)分析結(jié)合起來，使得地球科學(xué)三維成像硬件費用昂貴。中國有數(shù)百個地質(zhì)勘探和研究部門，如果它們不開發(fā)擁有獨立版權(quán)的地理信息系統(tǒng)三維地質(zhì)軟件，那么對外國軟件的過分依賴是不現(xiàn)實的。我們需要工作人員開展合作研究，開發(fā)屬于本國的地質(zhì)科學(xué)三維成像軟件，同時開展國際研究，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、缺乏連續(xù)性、趨勢不同以及地質(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，這是一個簡單而易于分析的結(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，模型顯示了場地與空間實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、實體建模和界面視覺技術(shù)。截面法是一個三維問題，其缺點是不完整。表面方法在DTM模型（數(shù)字地形模型）中使用，其缺點是關(guān)于特性的信息不能在地面質(zhì)量內(nèi)表達。三維模型更好地平衡精確度和儲存信息，該線是表層和塊法的組合，其優(yōu)點是以任何方式描述礦物質(zhì)，其缺點是在控制點編碼改變地質(zhì)界面時，重新調(diào)整和劃分地表。輻射成像技術(shù)是根據(jù)計算的科學(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)的一個典型例子是法國NACY大學(xué)開發(fā)的gcad軟件以及美國的三維地質(zhì)模擬。包括我國探討了三維地質(zhì)測量模擬技術(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)建和測試虛擬世界（虛擬環(huán)境的通用名稱）的計算機系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(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)字資源的重要焦點和重要工具。而VR是人機交互的新革命，用戶直接與虛擬的自然環(huán)境互動。向用戶顯示的自動界面不再是二維平面形狀，而是動態(tài)的三維對象。虛擬地理和與地理相關(guān)的虛擬人體工程學(xué)活動。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(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。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存預(yù)測結(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)正在從一個固定的二維模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�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。通過數(shù)據(jù)庫建立三維地質(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)用于模擬儲層材料并定量解釋儲層參數(shù)的空間變化。使用大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)分析和地理統(tǒng)計，并描述空間中屬性的分布。使用定性和定量方法對地質(zhì)模型進行測試，計算和評估其儲量，最后對模型進行處理。
5 、結(jié)論
三維地質(zhì)建模技術(shù)在各個領(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，中國的三維地質(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。
參考文獻
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