TBook (8)三维建模软件

三维地质建模技术具有广阔的应用领域，包括区域地质调查、矿产资源勘探、矿井设计、矿井生产管理、城市地质勘探与城市区地下空间管理、水文地质、工程地质、环境地质、地震预报等众多在国民经济中起支撑作用的行业。凡是与地下探测、地下工程、地下空间管理有关的行业与领域都可借助于三维地质建模工具，提升该学科领域的科学技术能力。 三维地质建模在发达国家已经得到了成功应用，在中国也已经有了一些成功的应用尝试。但总体而言，它在中国地质勘探与矿井设计与生产管理中的应用还并不普及、并不理想，距它应该达到的程度还有很大差距。 国内三维地质建模技术在油气勘探领域的应用程度最高，有色贵金属矿山次之，城市地质也已经起步，煤炭行业中一些大型企业也开始起步，普通地质勘探队的三维地质建模基本处于空白或起步试验阶段。 中国的油气勘探行业是三维地质建模技术应用面最广、应用程度最深的行业。中石油、中石化、中海油所属的油气勘探企业都在使用国外的Petrel、Skua／GoCAD软件进行三维油藏描述。虽然国产三维地质建模与油藏描述软件已经开始崭露头角，但油气勘探行业仍然以国外软件占统治地位。煤炭行业在国内是较早开展三维地质建模研究的行业之一，但近些年其信息化程度落后于有色金属矿山，仅少数大型煤矿企业开展了三维地质建模与三维数字矿山的建设，大部分的矿企业仍以二维信息系统为主。 三维地质建模技术具有广阔的应用领域，包括区域地质调查、矿产资源勘探、矿井设计、矿井生产管理、城市地质勘探与城市区地下空间管理、水文地质、工程地质、环境地质、地震预报等众多在国民经济中起支撑作用的行业。凡是与地下探测、地下工程、地下空间管理有关的行业与领域都可借助于三维地质建模工具，提升该学科领域的科学技术能力。 三维地质建模的优点如下所述： （1）真三维的立体场景 三维立体场景，以及在三维立体场景中所能清楚地展现三维要素之间的三维空间关系(相离、相邻、组成、包含、被包含)。在传统的二维环境中，三维地质要素(例如矿层被断层切割)问稍微复杂一点的空间关系就难以区分与表达；而在三维立体环境中可以关闭不感兴趣的界面，开启所关注的界面，并借助不同界面设置不同的颜色、纹理、透明度等方法，直观、清晰、立体地表达地质要素与人工要素之间的三维空间关系与相互切割关系。地质模型的三维可视化是三维地质建模软件的基本功能，但又远远不止于三维可视化，真三维的立体场景中，可以轻松地实现以前难以进行的计算与操作。 （2）精准的储量计算 传统的矿床储量计算方法是分块段，然后用各个块段采样点的厚度取平均值乘以块段面积，得到块段的体积，再以块段内采样点品位的平均值，这样处理工序繁杂，效率低下，计算的矿石储量常常会有20％——30％的误差，对于油／气矿藏的误差更大。在真三维场景下借助三维建模工具，可以根据采样点进行广义三棱柱剖分或四面体剖分后再统计，其自动化程度高、速度快、精度高。若再配合高精度三维地震、测井等物探数据，便可以精细地表达矿藏的构造形态与品质分布。设定不同的边界品位，可以方便地计算出不同市场价格下的不同级别的矿床储量与开采回报。 （3）平、剖面构造形态相容并联动修改 在三维地质建模软件的真三维环境下，可以保证平面图与剖面图所表达的构造形态相容，并且可以平、剖面三维联动修改(陈国旭等，2010；李青元等，2014)。现行手工作图环境或者传统的MapGIS、CAD二维作图环境，往往需要耗费地质工程师大量的精力和时间使平面图与剖面所表达的构造形态的协调一致。三维地质建模软件可以方便地质工程师在真三维环境下进行观察与编辑，使地质工程师的三维空间想象力受勘探工程(钻孔、地震剖面)资料与三维几何造型数学法则的精准控制与约束。目前大多数三维地质建模软件都还没有实现平、剖面三维联动编辑，或者实现得还不够好，但这一功能将会稳步成熟。 （4）多源、异构数据的集成与同化 对不同来源(不同勘探单位、不同时期的数据)、不同维度(二维、点、线、面，三维的点、线、面、体)、不同类型(如地面遥感数据、野外观测数据、钻探数据、测井数据、人工地震数据剖面数据、重／磁数据)、不同精度数据进行无缝整合与同化，是大数据时代对地质勘探信息处理的必然要求。地质空间数据是典型的结构化、半结构化数据；同时，地质勘探数据中也存在大量的非结构化数据。因此，地质大数据并不是像短信数据、互联网网页数据、图片数据那样易于采用常规的大数据分析工具进行处理与分析，经典的大数据分析工具与解决方案对于地质大数据都显得无能为力。可以预见，能对地质大数据进行分析处理的工具一定是在三维地质建模软件平台上开发的，因为形态上的三维性、属性上的多维性是地质大数据区别于普通大数据的显著特点。 （5）进行各种三维空间分析与过程模拟 地理信息科学的经典的三维空间分析包括三维缓冲区分析、三维连通性分析、三维叠加分析、三维布尔操作(交、并、差、切割、开挖)。这些基本的三维空间分级方法再辅以神经元网络算法、蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法等人工智能算法，以及实时监测、远程通讯、物联网等新型信息技术，再与地质勘探、矿山设计与生产管理、安全监控等业务流程相结合就可以派生出钻孔间层位自动对比、断层匹配方案优选、构造演化模拟、沉积环境分析、成矿过程模拟、采矿方案对比、矿井实时安全监控等更复杂、更高级别的应用。三维地质建模也只有与各种专业模型相结合才能真正体现出其巨大的使用价值。 （6）便于向客户与领导介绍复杂的地质条件 三维地质建模软件便于以形象、直观的方式向非地质专业的用户、领导介绍矿产的空间形态与开采技术条件。三维地质建模大大提高了非专业用户对地质知识的认知、理解能力，如何使用户理解地质知识，加强与用户的交流沟通一直是困扰地质专业人员的问题。许多潜在的非专业用户及决策者不会去解释基础的地质数据，不会去评价不同解释方案的优劣，不会去区分理论与事实，他们需要结论，而不是数据，即以容易理解的方式表达的信息，3D模型就是一种易于理解的信息表达方式。 尽管三维地质建模发展应用中还存在多种问题，这项技术终究还是会不断发展的，其发展趋势如下： （1）三维地质建模软件将更加成熟，应用更为广泛 三维地质建模软件将更加成熟，在性能上更加稳定，操作上更加简单、灵活。人们将更深入地探讨三维地质建模流程中的共性，抽象出三维地质建模中更一般、更通用的工作流程，使得三维地质建模软件像人们用WORD／WPS那样只需要很少的学习与培训就能上手。随着业主对地质勘探三维可视化成果的要求，地质勘探队将逐渐地对勘探成果进行三维建模。 （2）由早期的注重形态建模向形态与属性并重的方向发展 早期的三维地质建模软件注重地质体三维形态的表达，这是由于三维几何构造形态的表达是基础。没有几何形态的表达，更高级的应用都无从谈起。随着三维地质建模应用的深入，越来越多的应用除了要求地质体几何形态的三维表达外，还要求对地质体内的属性变化情况(例如岩性、某种物质含量、密度、孔隙度、弹性模量等等，在数学上抽象地称之为属性场)进行表达。人们还认识到形态与属性的表达在一定条件下是可以相互转化的，形态表达中的界面往往就是某种或多种属性的由渐变到突变的一个突变带。在金属矿勘探中，“矿”与“非矿”的区分界面就是据其品位达到规定的指标。在油气勘探中，有机质含量、脆性矿物含量、孔隙度、连通性等细微属性的变化的探测与表达对于油气开采意义重大。 （3）与地震、测井、电法、重、磁等物探数据结合更加紧密 高精度三维地震勘探技术极大地提高了地质勘探的精度，测井数据对于岩性物性参数的表达是对钻井取芯采样的极好补充，在很多场合甚至取代了取芯；电法勘探对于金属矿、含水层等特殊目的层具有针对性强、成本低的优势。重、磁勘探也具有其特有的优势。三维地质建模将越来越依赖于各种物探数据的应用。地球物理勘探方法中新技术的采用、精度的提高、成本的降低是地质勘探技术进步的重要方面。因此，直接使用各种物探数据成果，甚至参与物探数据的解释，将成为三维地质建模软件的发展趋势之一。 （4）与各种专业模型与应用结合更加紧密 三维地质建模软件将向矿藏描述(包括油藏描述、气藏描述、金属矿描述、煤矿藏描述)(余璨等，2016)、成藏模拟、重磁场三维反演(何敬梓等，2015)沉积环境分析、构造演化分析、构造演化模拟、矿井设计、矿井通风设计、矿井安全监控等专业模型与应用的结合方向发展，因为这些专业应用中的基本环境与框架就是三维地质模型。三维地质建模技术将悄然无声地进入这些专业应用，在不知不觉中支撑、引领各种专业应用模型的进步与升级。 （5）融入大数据、云计算、物联网等IT主流技术 二三维地质建模本质上是信息技术的一个分支，三维地质建模技术在其发展中将融人大数据、云计算、物联网等IT主流技术。三维地质建模软件将引入大数据的存储、处理、分析技术，以及并行计算、人工智能、云计算、物联网、多维时空数据挖掘等IT主流技术。三维地质建模平台将成为地质大数据的处理平台。能处理地质大数据的三维地质建模技术也将从一个侧面丰富、拓展大数据技术的内函与外延。 由于三维地质建模的研究是一个长期的系统工程，其理论研究和工程应用起步较晚，尚处于探索阶段，许多技术问题还有待更深入的探讨。鉴于作者能力的限制和时间方面的原因，本文虽然提出了一些新的观点和方法，但研究尚处于初步阶段，无论从深度和广度而言，仍有许多问题有待于进一步的研究。从本文的研究工作角度来看，下一步研究工作的重点可放在以下几方面： （1）对基础地质数据只是进行了基本的逻辑检查和预处理，而没有进行空间统计分析，如汇总统计、分布统计、相关分析、变量分析等，对模型构建的精度产生一定的影响。 （2）由于CAD开发平台所限，CAD实体图元还不能进行夹点编辑，对地质模型的更新还只能是一个重构过程，增加了现场使用人员的工作量； （3）木文只是实现了一个单机版的地质蟆型构建系统，而没有涉及到网络化和web技术，在一定程度上影响了系统的推广和使用。 三维实体建模现有的技术和手段对依靠部分样品点数据拟合一个复杂地质实体的精度有待提高，尤其是在数据插值推理过程中对客观存在的异常值无法有效判断；另外在建模软件平台中，单机处理的三维地质建模工具已具备相当的应用水准，而可网络共享的三维地质模型信息系统星有一定的研究但不够深入。 三维实体建模是信息技术高度发展的必然产物，因此利用面向对象编程技术、G1S技术、虛拟现实技术等，开发能实现地下空间三维数据存储、管理、转化、分析和表达集成化、一体化的模型系统，实现地下空间三维地质体动态生成、实时显示、动画仿真，是地下空间三维实体建模技术应用的一个新的发展方向。