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摘要：地质构造的三维可视化，是指以三维图形方式对地质勘探数据加以显示，它是了解地质构造的一种重要技术手段，也是油藏描述的重要科学依据。目前，该技术被广泛应用于煤田勘探、油气勘探、地质灾害治理、矿产勘查等领域。本文分析了当前三维可视化系统开发的现状，重点探讨了三维可视化建模的主要方法及关键技术，以期为地质构造的进一步研究提供有价值的参考依据。
关键字：地质构造 三维可视化 模型 关键技术
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
相较于地理对象，地质对象具有Z值持续变化、平面分布、内部信息不完全、数据采集困难等特点。在长期的地质工作中，人们都习惯于在大脑中将二维地图抽象为三维地图，由于二维地图具有抽象性，仅凭二维信息难以实现地质对象三维结构的全面描述，因此带给了地质工作者极大的不便。地质结构的三维可视化技术的兴起就很好地解决了这一问题。地质结构三维可视化技术，是以现代空间信息理论为基础，以地质构造，及其内部的物理属性、化学属性为研究对象，通过一系列的信息处理与组织、空间建模、数字表达，最终通过计算机可视化技术实现地质构造的三维再现、交互的一门技术。地质构造三维可视化技术主要包括了三维建模、可视化分析两部分内容，其中三维建模是可视化分析的基础。
二、地质构造三维可视化技术的现状
地质构造三维可视化技术的应用在国外起步较早，其信息管理软件的涵盖面较广，从矿产资源勘探到资源开发，再到生产管理都已实现了三维信息管理，部分产煤大国不仅实现了煤炭产业的综合机械化，还实现了生产全过程的信息化管理，三维可视化软件已逐步完善并走向商业化。目前国际上较为成熟的地质构造三维可视化系统有GeoViz、Lynx、GeoToolkit、3DMove 、Goead等。这些软件经过长期的改进与完善，在块模型、操作功能、矿山开采设计、储量计算等方面都较为优秀，且具有良好的稳定性。
近十年间，我国也开始了对地质构造三维可视化系统的开发与研究，主要是借助一些通用软件平台，如VC++、AutoCAD、OpenGL、Mapgis等，来实现地质构造的三维再现，在研究人员的不懈努力下，地质构造三维可视化系统的开发也取得了可喜的成绩。如用于建立岩石圈结构三维模型的GeoTrans GIS系统；用于石油勘探数据三维可视化的Rdms软件；用于三维再现地质构造演化史的TrapDEM系统等。这些系统的开发，能较好地对地质体、矿体、实际地层加以真实地反映，并取得了良好的实际应用效果。
三、三维建模的主要方法
（一）TIN表面描述法
TIN表面描述法，是利用不规则三角形面片建立地质模型的方法，它采用Delaunay三角剖分方法。其特點是以某种相对合理的方式将随机分布的控制点联系起来，以建立形态上、功能上较为完美和完善的三角形网络。TIN表面描述法以表面描述为主，描述方法是其重点内容，而运算量、数据量则非常少。控制点的添加可对地质体表面形态加以改善，逐渐使其趋于真实状态。减少控制点可在不影响整体形态的前提下适当减少局部工作量。三角剖分以二维空间为基础，它只在X空间、Y空间进行，只有在三角形的最终形成时才应用Z坐标，所以该方法无法对复杂地质体直接进行描述，其应用范围相对局限。
（二）三维网格法
三维网格法，是指将三维空间划分为若干规则网格，再使用网格对地质体加以描述。它是二维规则网格法在三维空间的延伸，将被规则划分的空间，通过简单数据模型和算法加以描述。该方法的原理简单，但其缺陷是计算工作量和数据量过于庞大。
（三）综合法
综合法是指使用多种方法对地质体加以描述，如CSG与TIN集成；四面体与八叉树集成；栅格与矢量集成等。地质构造三维建模可使用TIN与规则网格结合的方法。具体步骤是：建立空间的三维规则网格，再构建地质体的TIN表面，最后在三维网格与TIN表面之间建立联系。地质表面显示使用TIN表面，计算标志面、切构造剖面等时使用三维网格。该方法有效减少了三维网格法的计算工作量，同时也打破了TIN法无法描述复杂地质体的局限。
四、三维建模的关键技术
地质构造的三维可视化技术不仅需要描述地质体的轮廓，更需要计算地质体表面积、体积、剖面切割，以及展示地质构造形态、评价地层稳定性。地质构造三维建模的关键技术主要包括了三角网模型和三维可视化模型的建立。
（一）三角网模型
三角网模型的建立，主要通过三角网连接算法将地质体构造的特征点、特征线连接起来，形成若干的三角面。因此该技术中最重要的是三角网算法的选择，算法必须要保证三角面的集合能对地质体实际形态加以反映。若干的不规则三角形网组合在一起，即可形成不规则三角形网模型TIN，三角形节点要从离散高程或等高线测量点中来获取。TIN模型可最大限度保留地质体的特征线和特征点，固其精度较高。在使用三角网构建实体前需要对三角面的相邻边、自相交、无效边、重复边等情况加以检测。
（二）三维可视化模型
矿体地质实体模型的建立方法包括了相连段法、合并法和剖面线法三种。
1、相连段法
该方法是指利用一系列矿体的边界线、辅助线及轮廓线，在线与线之间建立起三角网，然后再建立起矿体的三维模型。该种建模方法适用于在地质复杂的情况下构建实体模型。例如金属矿产、构造复杂区、煤层不稳定区等，其建模思路如图一所示。
图一 相连段法建模
2、剖面线法
剖面线法首先将煤层倾向勘探线的剖面线放入三维空间，按照矿体趋势，将相邻勘探线连接为三角网，并与煤层控制剖面线两端相连接，最终形成煤层实体模型。其建模思路如图二所示。
图二 剖面线法建模思路
3、合并法
合并法常用于层状矿体（煤层）。首先将矿体的上下表面都做成面模型，然后获取上下面的边界，在边界间连接三角网，最后合并三个文件，最终形成煤层的实体模型，其建模思路如图三所示。
图三 合并法建模思路
五、总结
目前，我国的地质构造三维可视化技术理论、建模方法、建模技术及软件都还尚未成熟，我国还未开发出具有自主知识产权的的地质构造三维建模软件。借助于现有软件进行应用研究，不仅能了解地质构造三维建模解决实际生产问题的能力的效果，还能从应用研究中发现问题，进而对地质构造三维建模的理论、技术和方法加以完善。因此我国除了要加大国产模拟软件外的开发研究力度外，还要将国外软件的应用研究作为今后的重要发展方向。总的地质构造三维可视化应用研究思路要建立在现有三维地质模拟软件的基础上，开发出三维模拟软件以及与之相适应的GIS系统。目前比较有现实意义的应用研究领域之一就是矿产资源勘查评价、预测和矿山生产领域。在这一庞大的领域中，又可以分为非金属、煤、天然气、石油、有色金属、煤层气等等方面的具体研究。三维地质构造模拟尚处于探索性阶段，但随着进一步的研究与软件开发，它必将在地质构造领域的应用中发挥出巨大作用。
参考文献：
[1] 江勇,王路法,张杰等.地质构造的三维可视化模型研究[J].中国石油和化工标准与质量,2011,31(3):91,89.
[2] 陈军,权文婷,周冠华等.地质构造三维可视化系统设计与实现[J].海洋地质动态,2009,25(10):36-41.
[3] 郑昊.储层地质构造模型的三维可视化[J].内蒙古石油化工,2010,36(1):130-133.
[4] 张鹏.浅谈三维可视化地质建模在井田水文地质条件中的应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(13).
[5] 狄效儒.三维地质构造建模[D].西安科技大学,2012.
[6] 戴晟.地质体三维可视化研究与系统实现[D].华东师范大学,2008.
关键字：地质构造 三维可视化 模型 关键技术
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
相较于地理对象，地质对象具有Z值持续变化、平面分布、内部信息不完全、数据采集困难等特点。在长期的地质工作中，人们都习惯于在大脑中将二维地图抽象为三维地图，由于二维地图具有抽象性，仅凭二维信息难以实现地质对象三维结构的全面描述，因此带给了地质工作者极大的不便。地质结构的三维可视化技术的兴起就很好地解决了这一问题。地质结构三维可视化技术，是以现代空间信息理论为基础，以地质构造，及其内部的物理属性、化学属性为研究对象，通过一系列的信息处理与组织、空间建模、数字表达，最终通过计算机可视化技术实现地质构造的三维再现、交互的一门技术。地质构造三维可视化技术主要包括了三维建模、可视化分析两部分内容，其中三维建模是可视化分析的基础。
二、地质构造三维可视化技术的现状
地质构造三维可视化技术的应用在国外起步较早，其信息管理软件的涵盖面较广，从矿产资源勘探到资源开发，再到生产管理都已实现了三维信息管理，部分产煤大国不仅实现了煤炭产业的综合机械化，还实现了生产全过程的信息化管理，三维可视化软件已逐步完善并走向商业化。目前国际上较为成熟的地质构造三维可视化系统有GeoViz、Lynx、GeoToolkit、3DMove 、Goead等。这些软件经过长期的改进与完善，在块模型、操作功能、矿山开采设计、储量计算等方面都较为优秀，且具有良好的稳定性。
近十年间，我国也开始了对地质构造三维可视化系统的开发与研究，主要是借助一些通用软件平台，如VC++、AutoCAD、OpenGL、Mapgis等，来实现地质构造的三维再现，在研究人员的不懈努力下，地质构造三维可视化系统的开发也取得了可喜的成绩。如用于建立岩石圈结构三维模型的GeoTrans GIS系统；用于石油勘探数据三维可视化的Rdms软件；用于三维再现地质构造演化史的TrapDEM系统等。这些系统的开发，能较好地对地质体、矿体、实际地层加以真实地反映，并取得了良好的实际应用效果。
三、三维建模的主要方法
（一）TIN表面描述法
TIN表面描述法，是利用不规则三角形面片建立地质模型的方法，它采用Delaunay三角剖分方法。其特點是以某种相对合理的方式将随机分布的控制点联系起来，以建立形态上、功能上较为完美和完善的三角形网络。TIN表面描述法以表面描述为主，描述方法是其重点内容，而运算量、数据量则非常少。控制点的添加可对地质体表面形态加以改善，逐渐使其趋于真实状态。减少控制点可在不影响整体形态的前提下适当减少局部工作量。三角剖分以二维空间为基础，它只在X空间、Y空间进行，只有在三角形的最终形成时才应用Z坐标，所以该方法无法对复杂地质体直接进行描述，其应用范围相对局限。
（二）三维网格法
三维网格法，是指将三维空间划分为若干规则网格，再使用网格对地质体加以描述。它是二维规则网格法在三维空间的延伸，将被规则划分的空间，通过简单数据模型和算法加以描述。该方法的原理简单，但其缺陷是计算工作量和数据量过于庞大。
（三）综合法
综合法是指使用多种方法对地质体加以描述，如CSG与TIN集成；四面体与八叉树集成；栅格与矢量集成等。地质构造三维建模可使用TIN与规则网格结合的方法。具体步骤是：建立空间的三维规则网格，再构建地质体的TIN表面，最后在三维网格与TIN表面之间建立联系。地质表面显示使用TIN表面，计算标志面、切构造剖面等时使用三维网格。该方法有效减少了三维网格法的计算工作量，同时也打破了TIN法无法描述复杂地质体的局限。
四、三维建模的关键技术
地质构造的三维可视化技术不仅需要描述地质体的轮廓，更需要计算地质体表面积、体积、剖面切割，以及展示地质构造形态、评价地层稳定性。地质构造三维建模的关键技术主要包括了三角网模型和三维可视化模型的建立。
（一）三角网模型
三角网模型的建立，主要通过三角网连接算法将地质体构造的特征点、特征线连接起来，形成若干的三角面。因此该技术中最重要的是三角网算法的选择，算法必须要保证三角面的集合能对地质体实际形态加以反映。若干的不规则三角形网组合在一起，即可形成不规则三角形网模型TIN，三角形节点要从离散高程或等高线测量点中来获取。TIN模型可最大限度保留地质体的特征线和特征点，固其精度较高。在使用三角网构建实体前需要对三角面的相邻边、自相交、无效边、重复边等情况加以检测。
（二）三维可视化模型
矿体地质实体模型的建立方法包括了相连段法、合并法和剖面线法三种。
1、相连段法
该方法是指利用一系列矿体的边界线、辅助线及轮廓线，在线与线之间建立起三角网，然后再建立起矿体的三维模型。该种建模方法适用于在地质复杂的情况下构建实体模型。例如金属矿产、构造复杂区、煤层不稳定区等，其建模思路如图一所示。
图一 相连段法建模
2、剖面线法
剖面线法首先将煤层倾向勘探线的剖面线放入三维空间，按照矿体趋势，将相邻勘探线连接为三角网，并与煤层控制剖面线两端相连接，最终形成煤层实体模型。其建模思路如图二所示。
图二 剖面线法建模思路
3、合并法
合并法常用于层状矿体（煤层）。首先将矿体的上下表面都做成面模型，然后获取上下面的边界，在边界间连接三角网，最后合并三个文件，最终形成煤层的实体模型，其建模思路如图三所示。
图三 合并法建模思路
五、总结
目前，我国的地质构造三维可视化技术理论、建模方法、建模技术及软件都还尚未成熟，我国还未开发出具有自主知识产权的的地质构造三维建模软件。借助于现有软件进行应用研究，不仅能了解地质构造三维建模解决实际生产问题的能力的效果，还能从应用研究中发现问题，进而对地质构造三维建模的理论、技术和方法加以完善。因此我国除了要加大国产模拟软件外的开发研究力度外，还要将国外软件的应用研究作为今后的重要发展方向。总的地质构造三维可视化应用研究思路要建立在现有三维地质模拟软件的基础上，开发出三维模拟软件以及与之相适应的GIS系统。目前比较有现实意义的应用研究领域之一就是矿产资源勘查评价、预测和矿山生产领域。在这一庞大的领域中，又可以分为非金属、煤、天然气、石油、有色金属、煤层气等等方面的具体研究。三维地质构造模拟尚处于探索性阶段，但随着进一步的研究与软件开发，它必将在地质构造领域的应用中发挥出巨大作用。
参考文献：
[1] 江勇,王路法,张杰等.地质构造的三维可视化模型研究[J].中国石油和化工标准与质量,2011,31(3):91,89.
[2] 陈军,权文婷,周冠华等.地质构造三维可视化系统设计与实现[J].海洋地质动态,2009,25(10):36-41.
[3] 郑昊.储层地质构造模型的三维可视化[J].内蒙古石油化工,2010,36(1):130-133.
[4] 张鹏.浅谈三维可视化地质建模在井田水文地质条件中的应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(13).
[5] 狄效儒.三维地质构造建模[D].西安科技大学,2012.
[6] 戴晟.地质体三维可视化研究与系统实现[D].华东师范大学,2008.