1、GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 1 页 共 40 页前 言GMS（Groundwater Modeling System）是种综合性的图形界面软件，是一个各种软件于一体的，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件。不仅具有地下水模拟、地下水溶质运移模拟的功能，其在实现地质结构可视化方面功能亦同样突出。经过 10 多年的发展，GMS 软件的功能越来越完善，并在各个领域中取得广泛应用。本文重点介绍了 GSM 软件在工程地质方面的应用情况，与其他三维地质建模软件对比。对比显示 GMS 软件在当前广泛应用的三维建模软件软件中，如：GIS
2、、FEFLOW、M OFDFLOW、 FFMWATER、 MT3DMS、 RT3D、 SEAM3D、 MODPATH、 SFFP2D，以其强大的功能明显优于其他三维地质建模软件。在本文最后的工程实例中对3D GMS 软件在三维地质建模中的应用有更详尽的阐述。GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 2 页 共 40 页1 三维地质建模基本问题概述1.1 三维地质建模概述三 维 地 质 建 模 技 术 在 上 世 纪 60 年 代 被 国 外 学 者 提 出 ， 在 国 外 ， 地 质 建 模 已 经 发 展 了几 十 年 ， 中 国 自 上 世 纪 80 年 代 末 开 始
3、引 入 EsrthVision 以 来 ， 也 已 经 发 展 了 快 二 十 年 。近 10 年 来 ， 地 学 领 域 将 其 理 解 为 地 理 Geography、 地 质 Geology、 地 球 物 理Geophysics 和 大 地 测 量 Geodesy 等 地 学 相 关 学 科 的 统 称 ,因 其 英 文 名 称 之 前 缀 均 （ Geo-)关 于 三 维 空 间 信 息 的 研 究 与 日 俱 增 ,形 成 了 两 大 并 行 发 展 的 支 流 :一 是 三 维 地 理 信 息 系 统(3D GIS),二 是 三 维 地 学 模 拟 系 统 (3D Geoscien
4、ces Modeling System,3D GMS)。 真 3D地 学 模 拟 、 地 面 与 地 下 空 间 的 统 一 表 达 、 陆 地 海 洋 的 统 一 建 模 、 三 维 拓 扑 描 述 、 三 维 空 间 分析 、 三 维 动 态 地 学 过 程 模 拟 等 问 题 ,已 成 为 地 学 与 信 息 科 学 的 交 叉 技 术 前 沿 和 攻 关 热 点 。三 维 地 质 建 模 (3D Geological Modeling)又 称 为 三 维 地 学 建 模 (3D Geoscience Modeling)、 三 维 地 质 数 字 化 建 模 等 ， 一 般 对 其 过
5、程 进 行 了 概 括 ： 三 维 地 质 建 模 是 指 在 原 始的 地 质 勘 探 数 据 基 础 上 ， 在 地 质 工 程 师 的 专 家 知 识 和 经 验 指 导 下 经 过 一 系 列 的 解 译 、 修 改 后 ，以 适 当 的 数 据 结 构 建 立 地 质 特 征 的 数 学 模 型 ， 通 过 对 实 际 地 质 实 体 对 象 的 几 何 形 态 、 拓 扑 信息 (地 质 对 象 间 的 关 系 )和 物 性 三 个 方 面 的 计 算 机 模 拟 ， 由 这 些 对 象 的 各 种 信 息 综 合 形 成 的一 个 复 杂 整 体 三 维 模 型 的 过 程 1。
6、1.2 三位地质建模的研究目的和意义近十几年来，中国经济的高速发展，极大地带动了土木建设领域的发展，大型工程活动数量之多、规模之大、速度之快，举世瞩目，如南水北调、青藏铁路、三峡工程、西气东输、龙滩水电工程、小湾水电工程、锦屏水电工程等。这些巨大型工程所处地区大多地质构造复杂、地质信息众多，给工程场址选择、枢纽布置、地下工程设计与施工，以及灾害防治等方面带来了极大的困难，这些问题的解决必须建立在对有关地质信息全面分析和把握的基础之上。工程勘察部门提交的遥感数据、地形测量数据、现场踏勘资料、地球物理勘探资料、钻孔资料、探GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 3 页 共 40
7、 页槽和探洞资料等勘察成果，种类繁多，内容翔实，但这些资料多以表格、文字、图表、图纸等格式保存，严重存在数据管理分散，共享率低，更新速度慢等问题；而且，这些数据资料 80都牵涉到相关的空间属性，即信息依存于地理位置，因此大多数的科学研究都需要我们进行相关的空间分析。面对如此海量的空间数据，一般的数据库管理系统显得无能为力，而以空间数据管理为核心的 GIS 技术的快速发展，以及“数字地球”理念的形成为这些问题的解决提供了无限契机。岩土工程学者第一时间将 GIS 技术应用于工程地质资料的管理和分析当中，为多源数据的集成管理、地质资料可视化与分析、专题地图的输出、虚拟工程，以及地质资料的共享提供了良
8、好的平台，极大的促进了岩土工程信息化建设的步伐。多年以来，对于地学信息的表示和处理都是基于二维的，通常将垂直方向的信息抽象成一个属性值，其实质就是将三维地质环境中的地质现象投影到某一平面（XY 平面、XZ 平面或 YZ平面）上进行表达，称为 2.5 维或假三维，它描述空间地质构造的起伏变化直观性差，往往不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，越来越不能满足工程设计和分析的需求，因此，真三维处理显得愈来愈迫切。与此同时，众多新型勘探手段的应用，诸如地震勘探、探地雷达、遥感，以及地球化学勘探等，致使各种地质资料急速膨胀，迫使地质工作者采用新的手段来综合利用
9、这些信息。一般来说，勘探资料都是一些离散的数据，地质工作者很难直接利用它们分析其在地质体中的分布规律。面对这些实测信息，人们必然会提出这样的问题：如何利用实测资料来推断其在区域内的分布规律；即使能够预测各种信息在所研究地质区域中的分布值，面对大量的输出数据，地质工作者仍然会感到很难分析，而且他们往往习惯于用图件来反映地质信息，自然希望能利用计算机自动显示这些信息在地质体内的分布规律。三维地质建模的主要目的是地质信息的三维表达和数据管理，同时也应为岩土工程稳定性分析提供计算模型，这都取决于一个健壮的三维数据模型。因此，空间三维地质建模技术的研究是计算机在工程地质领域应用的一个必然趋势，并且已经成
10、为岩土工程、工程地质学、数学地质学，以及计算机科学等多学科交叉领域研究的前沿和热点问题。1.3 三维地质建模软件在国内外发展现状20 世纪 80 年代以来，三维地学可视化系统应用于地质建模在国外已经变得非常普遍，以美国、法国、加拿大、澳大利亚、英国为代表的西方主要国家相继推出了多种代表性的地学可视GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 4 页 共 40 页化建模软件。法国 Earth Decision Sciences(EDS)推出的 GoCAD 是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，达到了半智能化建模的最高水平，具有功能强，界面友好，并能在几乎所有硬件平(Sun,SGI
11、,PC-Linux,PC-Windows)运行的特点 2。自 1990 年 GoCAD 诞生后，地质建模技术取得了飞速的发展，目前已经发展到 2.1.6 版本。从最初的简单构造建模，发展到今天复杂构造建模、复杂三维模型网格生成、储层岩石物理属性模型、岩相模型等，可以说以 Gocad 为代表的先进地质建模软件大大提高了地质建模的效率和精度，可以满足对复杂地质区域的建模要求。美国 Dynamic Graphics 公司(DGI)研制开发的 EarthVision 空间地质建模软件，在建立复杂地质构造的三实体地质模型方面颇有独到之处，可用于识别目的层，描述储油层特征，优化油田开发，计算石油储量；将其
12、用于油田的地质分析，可节省 75%的钻井费用(软件广告声称)。该软件用于建立油田的三维地质构造模型和属性模型，绘制精确描述层位面与断层几何形态的构造图，绘制与三维空间一致的剖面图，精确计算油田石油储量，准确认识油田的储油层特征，调整井位的最佳布置，获得最佳布置效果。世界许多石油公司采用 Earth Vision 软件建立的油藏模型能清楚地反映地层与地质结构的空间分布及其相互关系，对于项目的管理起到综合各学科的综合作用 3。澳大利亚 Surpac11 国际软件公司开发的一套基于 Windows 操作系统的大型矿山工程软件 Surpac Vision，在勘探、地质建模、采矿设计、钻孔编录、生产计划
13、和开采进度计划等方面功能突出，其界面采用 Java 语言开发，便于与 Internet 有很好的兼容性 4。加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件 MicroLYNX，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型，确定矿藏分布和等级变化并计算矿藏储量 5。加拿大 Gemcom Software International Inc.公司开发的 Gemcom 软件通过钻孔、点、多边形等数据，利用实用的图形编辑和生成工具，显示钻孔孔位分布，运用不规则三角网建立表面和实体模型，运用多义线圈闭岩层和矿体边界进行储量和品位分析，提供交互操作功能并允许用户根据自己的
14、经验和专家知识勾画地质模型，实现任意剖面切割、任意角度观察和实体与实体或实体与表面的交切与布尔运算等 6。我国对三维地学可视化研究起步较晚，但也做了大量有益的探索。近年来国家自然科学基金委大力支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研究” 、 “油储地球物理理论与三维地质图像成图方法” 、 “地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”等项目 7。天津大学钟登华教授 8采用 NURBS 曲面构模技术来拟合构造复杂的地质曲面，开发研制了水利水电工程地质建模与分析系统(VisualGeo)，并将其应用于龙滩、锦屏、溪洛渡、白鹤滩GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学
15、院 第 5 页 共 40 页等大型水利水电地质工程及洞室的三维建模与分析中。水电工程三维地质系统 GeoEngine 2006是中国水电顾问集团公司华东勘测设计研究院联合中国地质大学地学信息研究所以及武汉地大坤迪科技有限公司基于自主知识产权的 GeoVIiew3D 平台开发完成的专业地质建模软件，目前已经应用于多个国内大工程 6。1996 年中国科学院地球物理研究所与胜利油田管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪 GoCAD。长春科技大学在阿波罗公司 Titan GIS上开发了 GeoTrans GIS 三维 GIS 软件系统，主要用于建立中国乃至全球岩石圈构造模型的三维信
16、息。石油大学开发的 RDMS、南京大学与胜利油田合作开发的 SLGRAPH 都是用于三维石油勘探数据可视化。中国地质大学开发的三维可视化地质学信息系统(GeoView)可实现真三维地学信息管理、计算分析与评价决策支持。在“八五”期间，我国研制和开发了储层三维地质建模软件，但与国外同类软件相比存在较大差距。在国内石油公司、地球物理公司等单位普遍使用的地震软件都是从国外引进的并以 LandMark 公司和 GeoQuest 公司的解译系统居多。总起来看，国内三维地质软件开发与国外存在较大差距，像 GoCAD、Earth Vision、SurPac Vision 等一样的大型商业软件还没有出世，所开
17、发的软件系统还仅仅局限于科研院所的研究之用。2 三维地质建模方法在过去十余年中，地学领域（地理 Geography、地质 Geology、地球物理 Geophysics 和大地测量 Geodesy 等相关学科）许多专家学者对三维空间信息进行了大量有益的探索，形成了两大并行发展的支流：三维地理信息系统 3DGIS；三维地学模拟系统(3DGeosciences Modeling System,3DGMS)。两大支流都以 3D 空间构模方法为核心研究内容，提出了 20 余种空间构模方法，吴立新、史文中将其划分为三大类构模体系：基于面模型(Facial Model)；基于体模型(Volumetric
18、Model)；基于混合模型(Mixed Model)，详见表 2-1 所示。可以看出，这些构模方法的根本区别在于采用的 3 维数据模型，也就是说三维数据模型直接决定着 3D 空间构模方法。从第三章的分析可知，边界表达法仍然是三维建模的主流技术，具备能够显式的表达目标体的点、边、面等几何元素，使得绘制 BRep 表示形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的联结关系，这些特点对于工程地质信息可视化具备重要的意义，也有利于借助单元剖分程序建立数值计算模型 【9】 。此外，尽管边界表达法不利于空间分析，但是从实际需求的角度出发，工程地质三维建模GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院
19、 第 6 页 共 40 页的重要目标有三个：一是实现将地质数据变为可见的地质信息，这与早期的二维 GIS 来源于计算机制图管理一样，利用计算机技术将三维地质信息可视化；另一是借助于数据库技术实现存储和管理大量的空间信息和属性信息；此外，实现单元剖分直接用于数值计算。这些要求，采用边界表达法结合良好的三维数据结构完全能够实现，而对于需要进行三维空间分析的地方，可以专门研究支持快速分析的数据结构与空间分析算法。表 2-1 3D 空间构模方法分类因此，基于边界表示法的建模体系，并对 3GMap 模型拓扑模型进行扩展，提出了一种适应于三维工程地质建模的数据结构3GGMap，该模型实现了拓扑结构和几何结
20、构的分离，可以支持任何类型的几何模型来构建三维拓扑实体；也可以同时兼顾微观拓扑结构和宏观拓扑结构，即不规则三角网内部拓扑结构和三维地质体拓扑结构 【10】 。三维模型的拓扑信息形成了目标体的“骨架” ，它定义了目标体的相对位置，而几何信息则是附着在“骨架”上的“肌肉” ，它定义了目标体在三维欧氏坐标参照系统中的绝对位置。基于边界表达的三维建模方法，除了依赖良好的三维数据结构，还要依赖模型几何结构的定义，即地质边界面的拟合、交叉判断、裁剪，以及工程开挖体的形成等等，本章围绕这些内容进行详细的探讨。体元模型（Volumetnic model）面模型（ Facial model）规则体元 非规则体元
21、混合模型（Mixed model）不规则三角网（TIN）格网（Grid）边界表示（BRep）线框或相连切片断面（Section ）断面-三角网(Section-TIN mixed）多层 DEMs结构实体几何（CSG）体素（Voxed）八叉树（Octree ）针体（Needle）规则块体（Regular Black）四面体格网（TEN）金字塔(Pyramid)三棱柱（TP）地质细胞(Geocellular)非规则块体（Irregular Block）实体（Solid）3D Voronoi 图广义三棱柱(GTP)TIN-CSG 混合TIN-Octree 混合或 Hybrid 模型WireFrame
22、-BlockOctree-TENGMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 7 页 共 40 页2.1 工程地质三维建模实现过程三维地质建模的实现框架如图 2-1 所示，整个模型的建立过程由 5 个子系统组成：数据管理子系统、地形模型子系统、地质结构面模型子系统、人工构筑物模型子系统以及地质体三维模型子系统。数据管理子系统主要是进行地质勘探数据、地质剖面数据、以及工程设计资料的管理和图 2-1 工程地质三维建模实现框架维护，本文基于 GIS 平台开发了工程地质资料管理信息系统，具备钻孔数据、地层信息、等高线、地质剖面图以及监测信息等属性资料及几何数据的录入、更新及查询等功能，为
23、三维地质模型的建立提供基础数据管理平台；地形模型子系统主要是利用地形等高线来构造精确的三维地表模型，这是整个三维地质模型形成的基础。地质结构面模型子系统则主要是根据钻孔及虚GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 8 页 共 40 页拟钻孔提供的地质结构面数据，通过 Delaunay 三角剖分算法来构造 TIN 模型来拟合各类地质对象的几何结构面，如地层分界面、断层面等；人工构筑物模型子系统主要是构造工程开挖面、地下工程、地表构筑物以及钻孔、抗滑桩等人工对象；地质体三维模型子系统将上述子系统产生的地表 TIN 模型、地质结构面 TIN 模型，以及工程开挖面等通过曲面裁剪算法及
24、 3GGMap 数据模型有机地整合起来，构建相应的工程地质三维模型，并采用纹理、颜色、光照及材质等技术进行渲染，最后通过对模型检查、检验及补充修改后，输出最终便于分析与应用的三维地质模型。2.2 基于钻孔数据的地层划分2.2.1 地层数据来源及特点工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔采样可以直接获取详细的岩层分布状况。钻孔岩心数据包含了地质工程、岩土工程中涉及到的绝大部分信息，如岩层岩性、断层特征、土质、空隙率、含水率、容重、抗压强度、抗剪强度、弹性模量、剪切模量、泊松比等。这些特征反映了岩层的原始状况，或者说天然状况，是进行岩层可视化、模拟分析的主要数据。因此，钻孔数据是进行
25、三维地质建模的主要数据来源，前人在这方面进行了较为深入的探讨和研究 11-15。但是获取钻孔数据的成本较高，在一定的研究区域内往往只能获得有限数目的钻孔资料，这就需要最大限度地利用这些数据所蕴涵的信息量，尽可能多地加入专家的经验和解释，构建相对精确的地层模型。另外，从钻孔资料揭示出来的地层分层参数只在该钻孔的有限范围内（孔直径）内有效，各个钻孔之间并无相应的关联参数，但可以利用多种方法计算、估计各个钻孔之间的参数。例如，工程地质剖面图是各类工程勘察实验和专家经验解释结果的综合，能够较好的反映研究区域典型的和特殊的地质现象，直观地表现地层分布和构造特征，如果能够将已有的工程地质剖面图蕴涵的信息加
26、入三维地层模型中，或者能够在建模过程中根据相邻钻孔绘制一系列新的剖面图，然后将这些剖面图与钻孔数据结合在一起进行建模，必将大大提高三维地层模型的精度与表现能力。其中最直接的方法就是根据工程地质剖面图提取虚拟钻孔，建立虚拟钻孔数据库。地学对象极为复杂，没有较为固定、准确的印象模式，地学数据的获取由于种种原因而变GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 9 页 共 40 页得甚为困难，KELK 曾指出地学数据“一般情况下只有很不完整的，有时是相互冲突的信息可获取” ，地学数据存在许多不确定性，而“经济条件不容许为解决不确定而进行充足采样” 。因而地学数据一般具有有限、离散、稀疏、
27、空间分布不均匀等特点。2.2.2 地质现象的空间特征自然地质现象及其复杂，从外形上看差异较大且不规则，描述较为复杂，虽然地壳中的地质体的形态结构差别较大，但地质上的三维不均一性，主要包括两种类型：即实体的几何形态及其内部参数变化。地质实体根据形态特征可分为层状实体和非层状实体，层状实体占据地球表面的大部分，包括沉积岩及部分变质岩。地质体根据几何学的特征又可以分为面状结构、线状结构和体状结构 【16】 。面状构造主要有层理（地层） 、节理面和断层（断裂） 、工程开挖面、风化面。线状构造在空间上则为各种二维面体的组合，包括呈线状分布的构造以及各种面状构造的交线。面状构造在平、剖面图上都可以表现为各
28、种线符及其组合体，如褶皱的枢纽和线理等。线符可以分为直线型和曲线型两大类，其中曲线型又可分为单值曲线型和多值曲线型，这些线符在空间域内分别对应为平面、单值曲面和多值曲面面型，它们都可以通过多种途径来表达。体状构造主要指矿体，矿体则是富集某些矿物成分的岩石体。根据矿体的成因、环境和条件不同，矿体的形状有层状、脉状和团状之分。地质结构的形态学具有“数” （产状、规模等构造要素）和“形” （空间形态）两种基本表达形式，任何复杂的地质结构总是可以抽象为点、线、面、体等几何元素的集合，这使得我们可以在空间坐标系中对其进行三维形态描述和数学分析。三维地质建模主要考虑的地质现象应为地层、断裂和矿体。地层是在
29、一定地质时期所形成的层状堆积物或岩石，不仅包括沉积岩层，而且应该包括由火成岩、变质岩所组成的岩层。不过，作为赋有相对年代次序的地层来说，沉积岩是主要的。沉积岩在地表分布最广，约占地表面积的75，它是岩土工程最常碰到的一类岩石。经归纳抽象地层具有如下特征 【17】 ：地层按一定层理特征在空间连续分布，同一地层具有相同的地质年代、地质成因、岩性特征等关键特性；不同地层按一定层序在垂直方向上叠加，水平分布受地质构造和外力影响也呈一定规律。地层的这些特征是进行分层判别与层序鉴定的依据，也是地质三维建模和可视化的逻辑基础。在复杂的地质作用下，地层形态各异。有的地层完整连续，其上、下层面通常是平行或近乎平
30、行的，具有水平或倾斜的状态，形态较为规则；有的地层形态复杂，如尖灭、透镜体等以及受地质构造的作用，产生诸如褶皱、断层等地质构造，或受岩浆侵入或盐丘挤入而产生的具有不规GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 10 页 共 40 页则形态的地层。相邻地层之间由地层界面加以区别，对于平面状的地层界面来讲，可以用其走向、倾向和倾角产状数据来表示，但实际上地层界面往往不是稳定的平直面，而是顺走向和倾向都会发生变化而形成的曲面，为得到该曲面，通常采用钻孔资料、测井资料和地震资料结合的方法来测定该曲面离散点的空间位置。2.2.3 地层的划分由于岩土介质空间分布的不连续性、不均匀性和不确定
31、性，地层之间相互交叉侵蚀，地质实体之间的关系错综复杂。在三维地层信息系统中，如何对地层进行划分是涉及到三维地层建模的一个关键问题。在三维地质建模中，我们假定自然界的地层与沉积岩地层一样具有空间层状展布特点，但是，地质建模中地层的层序关系与地质学中的地层层序关系的概念有所不同。地质学中地层的层序关系是根据地层形成时间的先后次序而划分的；而在三维地质建模中，地层层序关系根据钻孔上所记录地层（以岩性为区分标准）的上下关系来划分。当地层未发生倒转时，两者是一致的；发生倒转时，两者相反。地层划分应当建立在适当的地质解释方法理论之上。迄今为止，国内外在这方面尚未取得突破性的成果，一般都是由有经验的地质工程
32、师根据钻孔资料、测井资料和地震资料相结合，通过人为地解释推断来确定地层的空间分布，而且大部分的工作都是在二维平面图上进行的。基于钻孔及虚拟钻孔进行地层划分是一种最常用、最基本的方法，武汉岩土所的陈健博士、夏艳华博士、李邵军博士，以及中国地质大学的朱良峰博士等进行了较为深入的探讨，其基本过程为：(1)构建区域地层层序表根据钻孔研究区钻孔所揭示的全部地层按照地层沉积顺序进行编号，生成一个涵盖建模区域全部地层的区域地层层序表，以备后续建模使用，进行地层编号的规则是“从新到老，逐层递增” ，即最新的地层编号为 1，然后按照年代逐渐递增。采用的方法是首先遍历研究区域内的所有钻孔，包括虚拟钻孔，提取钻孔揭
33、示的地层信息，选择记录地层信息最多的钻孔作为初始区域地层层序表。然后以初始划分的地层层序为基础，将此地层层序与剩余钻孔地层层序逐一比较，如果地层层序一致，则忽略之，再取下一个钻孔比较；若不一致（有新的地层出现或虽然地层属性（岩性）一致，但层序发生颠倒） ，则更新初始地层层序，更新后再取下一个钻孔比较，如此循环，遍历所有钻孔得到整个建模区域的地层层序关系。更新方法如下：如果出现新地层，根据新地层在钻孔层序中的位置，将新地层插入初始地层层序中；如果发生地层颠倒，将颠倒后下面的地层作为新地层按前述方法处理。如图 4-2 所示的地质剖面，可以看出 ZK4 揭GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长
34、春工程学院 第 11 页 共 40 页示的地层信息最多，据此可以建立初始地层层序表，如图 4-3(a)所示，从新到老一次为1，2，3,6，分别对应地层 G，F ，E，C ，B，A。依此为初始区域地层层序表，再与其余钻孔进行对比，图 2-3(b)即为 ZK1 揭示的地层层序，可见与初始地层层序一致，没有新的地层出现，则不做更新，而图 2-3(c)即 ZK3 揭示的地层层序，与初始地层层序 2-3(a)比较出现了新的地层D，这时就应将新地层插入相应位置，并更新初始地层层序表，图 2-3(d)即为与钻孔 ZK3 对比并更新后的地层层序，再依次为基础与其余钻孔进行比对，遍历所有钻孔后即可得到涵盖建模区
35、域全部地层的区域地层层序表，对于图 2-2 所示的地质结构体来说，地层层序即为图 2-3(d)所示的结果。图 2-2 地层剖面及钻孔示意图图 2-3 区域地层层序表建立过程(2)钻孔地层层面编号GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 12 页 共 40 页区域地层层序表建立后，需要对钻孔揭露的地层层面进行编号，为地质层面的产生提供基础。将研究区钻孔中的各个地层与“区域地层层序表”相对照，确定钻孔中各个地层层面编号，忽略该钻孔中不存在的地层。编号规则是：自上之下，从 0 开始，即钻孔最顶端地层面（地表面）的序号为 0，用钻孔中每个地层在“区域地层层序表”中对应的编号来指定钻孔
36、中该地层下底面的地层层面的编号。另外，对最终建模结果没有影响的、无意义的小层，在钻孔地层层面编号时可用-1 表示，实际建模过程中将不予考虑。经过上面的步骤，即可完成对区域地层的划分，以及地质层面的编号，这为地层分界面的拟合提供了钻孔控制点数据，如图 2-4 所示即为区域地层划分结果，图中的曲线表示各个地层分界面。图 2-4 地层面划分结果2.3 三维地质建模可视化2.3.1 三维地质可视化概述三 维 可 视 化 是 用 于 显 示 描 述 和 理 解 地 下 及 地 面 诸 多 地 质 现 象 特 征 的 一 种 工 具 ， 广 泛 应 用于 地 质 和 地 球 物 理 学 的 所 有 领 域
37、 。 三 维 可 视 是 描 绘 和 理 解 模 型 的 一 种 手 段 ， 是 数 据 体 的 一 种表 征 形 式 ， 并 非 模 拟 技 术 。 它 能 够 利 用 大 量 数 据 ， 检 查 资 料 的 连 续 性 ， 辨 认 资 料 真 伪 ， 发 现和 提 出 有 用 异 常 ， 为 分 析 、 理 解 及 重 复 数 据 提 供 了 有 用 工 具 ， 对 多 学 科 的 交 流 协 作 起 到 桥 梁作 用 。 GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 13 页 共 40 页三 维 可 视 化 既 是 一 种 解 释 工 具 ， 也 是 一 种 成 果 表 达
38、 工 具 。 与 传 统 剖 面 解 释 方 法 完 全 不 同， 常 规 的 三 维 解 释 是 通 过 对 每 一 条 地 震 剖 面 上 的 每 个 层 位 、 每 条 断 层 拾 取 后 ， 再 通 过 三 维 空间 的 组 合 来 完 成 的 。 三 维 体 可 视 化 解 释 是 通 过 对 来 自 于 地 下 界 面 的 地 震 反 射 率 数 据 体 采 用 各种 不 同 的 透 明 度 参 数 在 三 维 空 间 内 直 接 解 释 地 层 的 构 造 、 岩 性 及 沉 积 特 点 。 这 种 三 维 立 体 扫描 和 追 踪 技 术 可 使 解 释 人 员 快 速 选 定
39、 目 标 ， 结 合 精 细 的 钻 井 标 定 ， 可 帮 助 解 释 人 员 准 确 快 速的 描 述 各 种 复 杂 的 地 质 现 象 。 三 维 可 视 化 是 根 据 数 据 体 的 透 明 度 属 性 ,假 定 地 下 界 面 的 反 射 率 是 地 下 界 面 的 原 始 、 真正 的 三 维 模 型 ， 本 质 上 讲 ， 它 是 由 三 维 空 间 中 的 构 造 、 地 层 及 振 幅 属 性 综 合 组 成 的 。 无 论 是做 三 维 区 域 分 析 ， 还 是 做 特 定 前 景 目 标 评 价 （ 包 括 流 体 界 面 识 别 ） ， 都 可 以 通 过 这 种
40、 进 去看 的 方 式 来 快 速 完 成 。 在 基 于 三 维 象 素 的 立 体 可 视 化 中 ， 每 个 数 据 样 点 都 被 转 换 成 为 一 个 三维 象 素 （ 其 大 小 近 似 面 元 间 距 和 采 样 间 隔 的 三 维 象 素 ） 。 每 一 个 三 维 象 素 具 有 与 原 三 维 数 据母 体 相 对 应 的 数 值 ， 一 个 三 色 （ 红 、 绿 、 蓝 ） 值 以 及 一 个 暗 度 变 量 ， 该 变 量 用 来 调 整 数 据 体的 透 明 度 。 这 样 ， 每 一 个 地 震 道 被 转 换 成 为 一 个 三 维 象 素 柱 。 利用三维可
41、视化软件进行地层解释的基本步骤，包括： (1).三 维 数 据 体 浏 览 ； (2).选 择 目 标 区 （ 将 主 要 目 标 区 之 外 的 数 据 体 去 掉 ） ； (3).对 目 标 区 进 行 透 明 化 显 示 ； (4).对 显 示 结 果 进 行 地 震 相 分 析 ； (5).结 合 钻 井 地 质 分 析 绘 制 沉 积 相 平 面 图 。2.3.2 可视化技术在地质结构研究领域中的现状地质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，采用计算机技术将数学描述以 3真实感图像的形式予以表现。利用三维可视化可以描述复杂的地质构造情况，它不仅仅是描述和表达已知
42、地质现象及其特征的工具，更为重要的是，地质体的三维可视化模型可用于提取有意义的地学信息，从而实现对某种地学机理的深入认识 7。地质结构的三维可视化在地质研究中具有十分重要的意义，建立研究区域简明直观的地质结构三维模型，能为地区规划、建设项目的立项、选址、可行性论证等提供决策依据和咨询意见，并可对盆地水文地质、地震、勘探等进行综合分析。曹代勇、柴贺军、张菊明等对地质体的三GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 14 页 共 40 页维可视化进行了深入的探讨 18。三维可视化在地质领域的应用已涉及的研究领域有：1基础地质方面三维可视化研究在基础地质领域的研究相当广泛：包括构造、
43、褶皱、断层等。曹代勇等（2001）探讨了地质构造的三维可视化技术的过程：数学建模和可视化显示。介绍了建立地质构造三维可视化模型的典型方法包括三维规则网格法、表面法、四面体法以及综合法。针对地质构造模型中断层处理的特殊性，提出了基于表面法的局部法和整体法两种处理技术。将地质构造三维模型的可视性归纳为三维景观方式、掀盖层三维景观方式、透视三维景观方式、切面方式、投影等值线方式 5 种方式。胡孝林等（2002）应用 VoxelGeo 三维可视化解释技术，结合钻井和测井资料，综合研究了黄岩三维区、平湖油气田和马六甲合同区等三个地区相关局部构造的沉积地质特征 19。武强，徐华.（2004）在三维地质建模
44、与可视化方法研究一文中设计了超体元实体模型、断层数学模型及褶皱几何模型，以表达复杂地质构造的空间几何形态；建立了面向应用的三维地质建模的体系结构，提出以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念，丰富和发展了三维地质建模的理论与方法 20。唐中实等（2006）分析了当前实现三维地形可视化的主要方法。2矿产地质方面林镇民，陈少强（1994）介绍了三维可视化技术在固体矿产中的应用的趋势 21。梁彩芳（2003）三维可视化技术在碳酸盐岩储层预测中的应用。肖克炎等（2006）开发了指示克里格法的三维可视化储量计算模块，给出了计算步骤，并设计出阿舍勒铜矿体的指示克里格法可视化储
45、量计算流程，实现了对阿舍勒铜矿体的指示克里格可视化储量计算并取得较理想的预测结果。3石油地质方面郑小武等（2001）将传统的层序地层分析方法与三维可视化技术相结合，研究油田复杂的层序地层关系，并取得了很好的应用效果 22。张金淼等（2001）应用三维可视化技术大大提高了地震资料解释工作的效率和成果精度，所获成果更为直观、可靠 23。4工程地质领域刘学等（1999）基于可视化策略，利用云南某典型泥石流数据（50m50m 网格，3035 网格区域） ，实现了泥石流过程模拟的三维动态可视化图。其中，在三维动态显示的基础上，用不GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 15 页 共
46、40 页同颜色将不同时间的泥石流体覆盖，实现了泥石流过程的真实感表达 24。黄地龙等（2001）引入计算机图形图像技术、人机交互技术及工程地质信息数据库管理实现复杂岩体结构可视化技术，研究讨论了复杂岩体结构可视化软件系统的开发思路。实现岩体结构在可视化下的信息数据库管理、图视化分析和地质模型研究，极大地扩展了对复杂岩体结构空间的认识及岩体结构性质研究。通过实例建立了岩体结构的三维可视化模型 25。5水文地质方面张永波等（2002）讨论基于可视化技术的地下水资源信息空间数据库的设计思路，提出了地下水资源信息化管理的可视化技术的应用方案，介绍了基于数据库的可视化管理系统的设计思路和主要功能 26。
47、张雪松等（2003）阐述基于可视化技术的地下水含水层结构的立体表达方法。为了实现基于水文地质钻孔数据库的各种专题图形的自动生成，讨论了结合水文地质钻孔数据库的平面格网数据的组织模型，以及在该模型基础上的数据结构设计、算法设计和程序设计方法。给出了地下水含水层可视化具体实例的计算结果 27。何满潮等（2003）在综合分析天津地区地层构造的基础上，利用三维可视化技术分析研究地层结构对地温场、地热水形成的影响，建立了天津市市区地层构造三维可视化模型和研究区内主要储热层的三维地质模型 28。6数字盆地方面邹永玲等（2005 鄂尔多斯盆地的三维可视化及其应用）以鄂尔多斯盆地的地形二维可视化为目标，初步实现了地形的动态三维模拟及 DEM 简单应用分析，结合 DEM 和遥感图像进行地质矿产勘探，可以宏观地分析地形、地貌和地质构造等成矿条件 29 。3
