（地质工程专业论文）三维水文地质建模及其可视化研究.pdf

摘要 摘要 本文针对三维水文地质建模及可视化研究发展现状，在系统分析当前各种建模方法、可 视化技术，插值方法的基础上，提山了一套州丁| 水文地质行业三维可视化建模的指导思想， 并在该思想指导下，通过实例来验证这种思想的止确性。 首先，介纠了三维水文地质建模中会碰剑的建模对象及其地质特征，为便予后期建模， 从模型类型出发，对这些建模对象进行了信息分类。 其次，在总结三维地质建模方法的基础上，针对水文地质行业三维建模数据存在的区域 广、深度浅、信息少的特点，提出构建三维水文地质模型需要采埘基丁剖面数据的多源信息 建模具体数据实现上。构建几何模型可使_ h j 线框模型、表面模型、断面一三角同等欠量结 构的数据模型，而构建属性模型可采用三维橱格数据模型；接着，探讨了在当前计算机软硬 件技术水平+ f ，开发三维水文地质可视化建模软件应选用扩展性较好，可以移植到多种操作 平台上且直接和显卡打交道的o p e n g l 可视化编榭技术；模型的构建离不开数据的支持， 在介绍建模所需数据类型的基础上，又阐述了建模必不可缺的钻孔数据和剖面数据的概化处 理方法：由离散数据生成三维模型的关键一步就是进行插值处理，在介钌j 常_ i j 空间插值技术 的基础上，认为插值方法的选择比较灵活一般构建几何模型时可选离散光滑插值方法，构 建属性模型时可选克里金方法：由于自动建模技术无法生成精度合格的三维模型为此还介 绍了基于虚拟钻孔和基于辅助剖面两种模型校正方法 最后，运用上述建模思路。在对比国内外现有三维地质建模软件特点、明确水文地质行 业图件存储格式的基础上，选用3 d - g r i d 和m a p g i s 软件建立华北平原及黑河流域的三维水 文地质模型，并对模型结果进行了解译 总之，本论文为开发三维水文地质可视化建模软件和构建三维水文地质可视化模型都奠 定了良好的基础 关键词：三维水文地质建模可视化多源信息建模空间插值华北平原黑河流域 中国地质科学院硕 ：学位论文 a b s t r a c t a i m e da tt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no f t h e3 dh y d r o g e o l o g i cm o d e l i n g & i t bv i s u a l i z a t i o n , a n d b a s e do nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so fv a r i o u sp r e - n tm o d e l i n gm e t h o d s ，v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s s p a t i a li n t e r p o l a t i o nm e t h o d s t h i sp a p e rp u tf o r w a r dak i n do fg i l i d m gt h o u g h tw h i c hi s s u i t a b l ef o r3 dv i s u a l i z a t i o nm o e d l i n gi nh y d r o g e o l o g yf i e l d u n d e rt h ei n s t r u c t i o no ft h i st h o u g h t , i tc o n f i r m e di t sv a l i d i t yt h r o u g hs o m e e x a m p l e s f i r s to fa l l ，i ti n t r o d u c e dt h em o d e l i n go b j e c t sa n dt h e i rg e o l o g i cc h a r a c t e ri nt h e3 d h y d r o g e o i o g i cm o d e l i n gp r o c e s s f o rt h ec o n v e n i e n c eo f l a t e rm o d e l i n g , i tc l a s s i f i e dt h eo b j e c t i n t h ea n g l eo f m o d e lt y p e s s e c o n d l y , s u m m a r i z e dt h e3 dg e o l o 百cm o d e l i n gm e t h o d sa n dp o i n t e da tt h ec h a n 脯o f l a r g ea r e a , s h a l l o w 出= p t h ，l a c ko fi n f o r m a t i o ne x i s t i n gi n3 dm o d e l i n gd a t ao fh y d r o g e o l o g y , t h e a t l t h o fr a i s e dap i 觚c a l l e d j 6 p l cs o t m i n f o r m a t i o nm o d e l i n gt h a tb a s e d 伽t h eg e o l o g i c a l c i i 佃i n f o r m a t i o nw h e ne a s t a b l i s h e d3 dh y d r o g c o l o g i cm o d e l o nc o n c r e t ed a t as t r u c t u r e , i ti s b e t t e rt ou s cv e c t o rs l m c t u r el i k ew 证e - f r a m e , 目埘h a n ds e c l i o n - t qt or e a l i z eg e o m e t r i cm o d e l , w h i l em a k i n ga t m b u f i v em o d e l , v o x e li 。m o r es u i t a b l e w h e nw ec o n s i d e r e dt h et e c h n o l o g yl e v e l o f p r e s e n t p c i m r d m m s m ds o t h m e s o p e n g l i l t h e b e s t t o o l t or e a l i z e v i m a | i z a t i o n b 勰i t h a sg o o da 甲d a b i “t ya n dp o r t a b i l i t y , w h a ti sm 呲，i t m a n i p u l a t e 掣哪，h i ac o n t r o l l e r t o c o n s m u ：tm o d e li tn e e dd a t a , s oi tl i s t e da l lt h en e e d e dd a mt y p e , 如e l a b o m t e dt h e g e n e r a l i z a t i o np r i n c i p l eo f b o r e h o l ed a t am a d e t i o nd a t aw h i c h 玳a b s o l u t e l yi n d i s p e n s a b l e t h e k e ys t e pu s i n gs c a t t e a d a t at oc r e a t ea3 dm o d e li sd o i n gs p a t i a li n t e r p o l a t i o n a l t h o u g hi ti s f l e x i b l et oc h o o s et h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d s t h e r es t i l lh a ss o m er u l e st of o l l o w g e n e r a l l y , d s ii 曩 m o f cs u i t a b l ef o rt h eg e o m e n i cm o d e l , a a dt h em o 班a d a p t a b l ei n t e r p o l a t i o nf o ra t t r i b u t i v em o d e l j lk r i g i 略b e c a u s ea u t om o d e l i n gw a y 咖n o ta e a ta c c u r a t em o d e l , i tn e e dt ob ec o n e c t e db y v i r t u a lb o r e h o l e sa n di ts e c t i o n s f i n a l l y , c o n t r a s t e dt h ec h a r a c 日o f p r e s e n t3 dg e o l o g i cm o d e l i n gs o f l w a i c 8h o m ea n da b o i 砜 k n o w nt h ed a t as t o r a g ef o r m a to f h y d r o g c o l o g i cf l e l 正a n du s i n gt h ea b o v em o u g h t , mc h o s et w o b o f b a i 臀n a m e d3 d - c n i da n dm a p g i st oc o n s t r u c tt h e3 dh y d a o g e o l o g i cm o d e l so f n o r t hc h i n a p l a i na n dh e i h er i v e rv a l l e y , a l s o i n t e r p r e t e dt h em o d e i sf r o mp r o f e s s i o n a lv i f j w i nc o n c l u s i o n , t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e df i n ef o u n d a t i o nf o rb o t h d e v e l o p i n g3 d h y d r o g e o l o g i cv i s u a lm o d e l i n gs o f t w a r e 8a n db u i l d i n g3 dh y d r o g e o l o g i cv i s u a l m o d e l s k e yw o r d s ：3 dh y d m ：e o h , o cm o d e l i n g ；v l n m l i z a f l o nim u l t i p l e s o u r c ei n f o r m a t i o n m o d e l i n g ；s p a t i a li n t e r p o l a t i o n ；n o r t hc h 缸4p l a i n ：h e l er i v e r 讪e ， 原创性声明 本人声明，我呈交的学位论文是我个人在导师的指导下，独立进 行研究i 作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示 谢意。 作者签名：吏j r 耻日期：虹醴产卜 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：中国地质科学院有权保留、送交学位论文的电子版和纸质版，允 许论文被查阅或借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文；有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索；有权将学位论文汇编出版。保密的学位论文在解密 后适用本规定。 学位论文作者签名：j t 障导师签名：孚堕址 日期： & d 4 早 日期： 兰塑：1 4 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 水资源是人类赖以生存的宝贵资源。随着工农业的发展，对水的需求量越来越大， 人们对水资源的开发利用，从最初的单纯依靠地表水转变为现在的以开发利用地下水为 主。 地表水存在于地上空间中，其空间位置、水体形态、水动力条件、赋存环境等可以 直接观察或观测。与地表水相比，由于地下水存在于地表以下岩土体空间中，人们很难 直观的理解地下水及其赋存环境 要对地下水进行管理、规划，就必须查明水文地质条件，也就是要对地下水及其赋 存的地质结构有清晰的认识。由于地下水及其赋存介质埋藏于地面以下，所以对地下水 的赋存条件和运动规律只能依靠水文地质勘察以及地下水动态监测来揭示但水文地质 勘查孔的布置密度终归有一定的极限，勘查孔与勘查孔之问的地质信息不能直接获取； 地下水动态监测孔同勘查孔一样，只能离散的给出布孔处的动念信息。即便是经过技术 人员二次加工的平面图、剖面图等资料，它们所反映的数据依然是离散的，有局限性的， 在三维空间中研究这些数据时，其拓扑关系还难以考虑清楚。同时，由于地质空间分布 的复杂性、模糊性与不确定性，在仅具少量钻孔地区，技术人员更难理解研究区的水文 地质条件。这就是说，水文地质工作者必须对这些纷杂的数据信息进行仔细的分析理解， 才能洞察研究对象的本质，获得对研究对象的认识和理解，但这是一个十分费时而繁琐 的过程，对他们来说是一种沉重的负担；而且在水文地质信息稀少地区，由于存在水文 地质信息盲区，对该地区水文地质条件的认识会存在较大的误差，最终将影响水文地质 研究结果的准确性，如对地下水资源的评价结果失真。 利用计算机图形学及可视化技术，将二维抽象的地质信息以三维可视化的图形效果 直观形象地表达出来，建立逼真的空间立体地质模型，并任意剖切地质体、对地质体进 行三维交互信息查询等，这样可以将地下水赋存环境、运动规律及动态特征值直接展现 在人们眼前，被人们视觉直接感知。同时，利用三维可视化建模软件的空间分析功能， 结合水文地质工作者的经验常识，对水文地质勘查盲区进行空间分析，获取盲区的水文 地质条件，从而弥补这类地区信息缺乏的不足。而且，在三维地质模型的建立中，还会 生成一系列的三角网格数据，这为后续的地下水数值模拟奠定了基础，也就是说，三维 地质建模还能将水文地质工作者从繁琐的网格剖分中解放出来 因此，利用现代计算机技术建立水文地质三维可视化模型，不但减轻了水文地质工 作者的任务，方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展，而且，这样的模型还能 将专业领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的，直观的、易于被广泛 中周地质科学院颅j j 学位论文 接受的方法和形式表现出来，它还将有助于不同领域蒯方便、正确的进行知识交流，有 助于决策者做出正确判断。 本论文的研究得到中国地质调查局下达的“地质体三维模拟技术与数掘模型丌发” 项目之一“地下水三维地质数据组织与建模”( 1 2 1 2 0 1 0 5 5 1 0 0 2 - - | 3 ) 专题和“西北干旱 地区地下水勘查评价重要新技术研究及其集成应用”项目之“黑河流域地下水系统三维 可视化研究”专题的数据资料支持。 1 2 国内外研究现状 计算机技术的飞速发展，使得三维地质建模技术越来越受到地学界的重视，并成为 地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模( 3 do e o s c e n c em o d e l i n g ) ，就是运用 计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译，空间分析与预测、地学统计、 实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。这一概念最 早由加拿大学者s i m o n w h o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出的。 自h o u l d i n g 提出这一概念以来，三维地质建模在石油、矿山、工程地质、水文地质 等领域得到了广泛地实践。相对于石油、矿山行业来说，三维地质建模在水文地质领域 应用的还是比较晚，迄今为止，还未有专门为水文地质行业开发的商品化的三维可视化 建模软件。2 0 0 1 年，加拿大学者r o s s ，m p a r e n t 等建立了加拿大东部第四系地层的三 维水文地质模型0 1 。2 0 0 2 年，美国学者j o n a t h a nd a r t h u r 等曾建立f l o r i d a 地区的水文 地质三维可视化模型并用以研究含水层的脆弱性0 1 ；同年，美国学者o l y p h a n t , g a 和 i c m s p i n d l e r 等建立了印地安纳州中西部冰湖相含水层系统的三维水文地质模型“1 ；加 拿大学者r o s s ，m p a r e n t 等建立魁北克省西南部的三维地质模型并用以研究该地区的 地下水脆弱性和污染状况“；美国学者s w e 幽l a d ，d sw r b e l c h e r 和c c f a u n t 等建 立了内华达州和加利福尼亚州的三维水文地质模型，并用以研究d e a t hv a l l e y 中地下水 流动系统的状况0 1 。2 0 0 4 年，芬兰学者a r t i m o ，a ss a r a p c r a 等建立芬兰西南部的三维 地质模型并用以研究大范围水供应工程“1 ；加拿大学者k a s s c 眦r , d ，r g e r b e r 等建立 了安大略南部o a kr i d g e s 冰碛区的三维水文地质模型。2 0 0 5 年，加拿大学者a n d r e e b o l d u c , s e r g ej p a r a d i s 等为魁北克省a b i t i b i 地区s a i n t - m a t h i e u - b e n y 蛇丘形地带的地下 水研究，建立了该地区的三维地质模型脚：美国学者l h a r v e y t h o r l e i f s o n , j a m e s a b e r g 等建立了明尼苏达州和北达科他州的f a r g o m o o r h e a d 地区的三维地质模型，并在该地 区的地下水量的研究中进行了应用“。 国内在这方面的研究稍晚于国外。张永波等( 2 0 0 2 年) 进行了地下水资源信息化管 理的可视化技术应用研究“，颜辉武等( 2 0 0 4 年) 建立了常州一武进地区第四系地层 的三维水文地质模型“”，焦养泉等( 2 0 0 5 年) 建立了鄂尔多斯盆地的三维水文地质模 型“。 在地下水数值模拟领域，还有一些研究人员致力于地下水模型计算的可视化软件研 2 第一章绪论 究与开发( 主要是发达国家) ，出现了一些较好的地下水模型可视化系统，使用较为广 泛的有加拿大w a t e r l o o 水文地质公司研制的v i s u a lm o d f i o w 、德国水资源规划与系统 研究所( w a s 开发的f e f l o w 及美国5 1 t i s i 公司的产品g m s 等。但这些软件建立的 模型，重在表达地下水资源量和地下水污染状况，其可视化功能较弱，一般是二维或 2 5 维的，并非真正意义上的三维可视化模型，因而，对于地下水运动所处真实环境的 空自j 特征就缺乏更深的表现力。 纵观国内外在三维水文地质建模方面的研究，都还处于初级阶段，不能像三维地质 建模在石油领域地应用那样，充分发挥三维模型直观、易懂、信息丰富的特点。而且， 在这方面的研究成果，不论是正式见诸于期刊或书籍，还是发表于网上的，都并不是很 多。同时，通过对国内外研究成果的对比，可以看出国内在三维水文地质建模方面研究， 无论是在数量方面还是在研究深度方面，都还逊于国外同行。 1 3 研究内容 从1 2 节对研究现状的分析中我们可以看出：( 1 ) 建模平台多是自己开发的，专门 用于水文地质行业的三维地质建模软件非常稀缺：( 2 ) 三维水文地质可视化建模技术研 究程度不深；( 3 ) 地下水运动数值模拟软件通常对地下水流场、化学场等的三维数值模 拟计算非常重视，而对地层、岩性及构造等忽略，且其可视化功能并不强大。 本文的主要研究目标就是结合建立三维水文地质可视化模型的实际问题，从理论上 系统、详细地归纳出三维水文地质可视化模型构建的原理和实施过程，建立一套完整的 三维水文地质可视化模型构建技术方案，为今后开发三维水文地质建模软件或建立三维 水文地质可视化模型等的应用奠定基础。主要研究内容如下： 1 研究三维水文地质模型中会涉及的建模对象，并对这些建模对象进行信息分类， 方便后期建模。 2 研究构建三维水文地质可视化模型的指导思想即建立模型选用哪种方法为 宜；诸多的可视化技术中哪个是最适宜的；为建立模型会用到哪些数据，对这些数据如 何进行预处理；诸多的插值方法中，不同的建模对象宜采用何种插值方法；对于建立的 模型进行交互处理时应注意哪些问题。 3 根据上述指导思想，用3 d g r i d 软件和m a p g i s 三维地质建模系统建模软件， 建立黑河流域和华北平原的三维水文地质可视化模型。 3 中国地质科学院颂i ：学位论文 第二章三维水文地质模型中的主要建模对象 大自然的鬼斧神工，使得人类生活的地球上有很多地质现象，如高山、褶皱，断层、 节理、劈理、线理等。在三维水文地质建模研究中，由于其建模尺度上的差异，一些地 质现象，如节理、劈理、线理等规模过小，不会涉及到，会涉及的地质现象主要是大尺 度、大规模的，如山地、平原、断层、褶皱等。 2 1 主要建模对象 2 1 1 地貌 地貌，是指地球硬表面由地貌内外动力相互作用塑造而成的多种多样的外貌或形 态。主要的地貌包括平原、台地、丘陵、低山、中山、高山、极高山、大陆架、大陆坡、 大陆裙、深海平原等。 图2 1 主要地貌示意图“” f 睡2 - 1s k e t c hm a po fm - 虹t e m a 吣 4 第一二章三维水义地质模型中土要建模对象 2 1 2 地层岩性 地层是指在一定地质时期内所形成的层状堆积物或岩石，岩性是指一种岩石或岩石 构造的所有物理属性。地层的上、下界面叫层面，上层面又称顶面，下层面又称底面。 两个地层的接触面，既是上覆地层的底面，又是下伏地层的顶面。 地层的空白j 位置取决于地层的产状，即地层的走向、倾向、倾角及地层的厚度。走 向是指层面与假想水平面交线的方向，它标志着地层的延长方向：层面上与走向垂直并 指向下方的直线成为倾斜线，它的水平投影所指的方向即为倾向，倾向代表了地层面倾 斜的方向；倾角指层面与假想水平面的交角；地层的厚度指地层顶底面间的距离。 由于同一地区在不同地质时期地壳运动的性质不同以及所形成的地质构造的特征 不同，就会造成新老地层之间具有不同的相互关系，即接触关系。概括说来，地层的接 触关系主要有以下几种： l 整合接触 新老地层产状一致，其岩石性质与生物演化连续而渐变，沉积作用上没有问断。它 表明该地层是在地壳运动处于持续下降或持续上升的背景中在沉积盆地内连续形成的 ( 图2 - 2 中d i 、d 2 及d 3 间为此种接触关系) 。 2 平行不整和接触 又称假整和接触。新老地层产状一致，其岩石性质与古生物演化突变，沉积作用上 有间断。平行不整和接触表示老地层形成后，地壳曾明显地均衡上升，老地层遭受剥蚀， 接着地壳又均衡下降，在剥蚀面上重新接受沉积，形成新的地层。平行不整和在平面上 和剖面上都表现为：不整和面上，下两套地层的界线在较大区域内呈平行展布，产状也 基本一致，但其间却缺失部分地层( 图2 2 中d l 与0 3 问为此种接触关系) 。 3 角度不整和 又简称不整和。新老地层产状不一致，其岩石性质与古生物演化突变。沉积作用上 有间断，新老地层间又广泛的剥蚀面。角度不整和表示在老地层形成以后发生过强烈的 地壳运动，老地层褶皱隆起并遭受剥蚀，形成剥蚀面，然后地壳下降并在剥蚀面上接受 沉积，形成新地层。角度不整和在平面上和剖面上均表现为：不整和面上、下两套地层 的产状有较明显的差异，其间又缺失一部分地层；上覆较新地层的底面的界线( 即不整 和线) 与下伏较老的不同层位的地层相交截( 图2 - 2 中p l 与d 3 、d 2 、d 1 之间为此种 接触关系) 。 5 中国地质科学院坝j ：学位论文 2 1 3 构造 图2 - 2 地层接触关系示意图 f 姆2 - 2s k e t c hm a po fs t r a t u m s c o n t a c tr e l a t i o n s h i p 1 褶皱 褶皱是岩石受力发生的弯曲变形，它是岩石中原来近于平直的面变成了曲面而表现 出来的。 要正确描述褶皱，必须表述清楚褶皱的以下主要要素： 核部：泛指褶皱中心部分的地层( 图2 3 中的f h 翼部：系指褶皱核部两侧的地层( 图2 3 中的e ) ； 转折端：系指从一翼向另一翼过渡的部分； 枢纽：在褶皱的各个横剖面上，同一裙皱面的各最大弯曲点的联线( 图2 - 3 中的b c ) ； 轴面：是一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽联成的面( 图2 - 4 中的a b c d ) ； 褶皱的形态是多种多样的，而其基本形式有两种：一种是岩层向上弯曲，其核心部 位的岩层时代较老，外侧岩层较新，称为背斜；另一种是岩层向下弯曲，核心部位的岩 层较新，外侧岩层较老，成为向斜。按照褶皱在横剖面上的形态特点，还可进一步分为： 扇形褶皱：褶皱在横剖面上呈扇形展开，两翼岩层均为倒转层序； 箱形褶皱：褶皱在横剖面上呈箱形，两翼岩层陡立而顶部或底部岩层平缓； 单斜褶皱：岩层向一个方向倾斜并向下逐渐过渡为水平产状： 6 第一二章二三维水义地质模型中土篓建模对象 图2 - 3 褶皱的要素示意图 f i g 2 - 3 s k e t c h m 印o f e l e m e n t s o f lf 0 2 断裂 断裂是岩石的破裂，是岩石的连续性受到破坏。断裂分为两种，岩石破裂但沿破裂 面无明显滑动者称为节理，岩石破裂且沿破裂面有明显滑动者称为断层。由于建模尺度 的原因，我们这里的断裂特指断层 要描述清楚断层，需考虑它的主要几何要素： 断层面：断裂岩块之间发生相对滑动的滑动面( 图2 4 中的a b c d ) ； 断层盘：被断开的两部分岩块，断层面上面的一盘称为上盘( 图2 _ 4 中的 a b c d i j k l ) ，断层面下面的一盘称为下盘( 图2 _ 4 中的a b c d e f g h ) ： 断层线：断层面与地面的交线( 图2 - 4 中的a d ) ；， 断距：被错断岩层在两盘上的对应层之间的相对距离( 图2 4 中的m n ) 。 在垂直于被错断岩层走向的剖面上可测得的断距有铅直断距、水平断距，铅直断距 指断层两盘上对应层之间的铅直距离，水平断距指断层两盘上对应层之间的水平距离。 根据断层两盘相对滑动的方向，断层可分为： 正断层：上盘沿断层面相对向下滑动，下盘沿断层面相对向上滑动； 逆断层：上盘沿断层面相对向上滑动，下盘沿断层面相对向下滑动； 平移断层：断层两盘沿断层面走向相对滑动，断层面常近于直立； 7 中国地质科学院硕i 。学位论立 图2 - 4 断层要素示意图 f 睡2 - 4s k e t c hm a p o fe l e m e n t so f4f a u l t 3 透镜体 有的地层厚度不稳定发生一定的变化。当它向两侧同时变薄和尖灭，就形成了透镜 体，如图2 - 5 所示： 图2 - 5 透镜体示意图 f i g 2 - 5s k e t c hm a po f al e n s 4 侵入体和盐丘 侵入体是地下高韧性岩体，在构造力的作用下，或者由于岩石物质间密度的差异所 引起的浮力作用下，向上流动并挤入上覆地层之中而形成的一种构造：盐丘是由于盐岩 和石膏向上流动并挤入围岩，使上覆岩层发生拱曲隆起而形成的一种构造。 2 1 4 地下水 图2 - 6 侵入体示意图 脚2 - 6s k e t c hm a po f - i n t r u s i o n 地下水是指赋存于地面以下岩石空隙中的水按照地下水的埋藏条件，可将地下水 暑 第一二章三维水文地质模型中土要建模对象 分为上层滞水、潜水和承压水，按照含水介质类型，又可将地下水分为孔隙水、裂隙水 及岩溶水。 上层滞水是指，当包气带存在局部隔水层( 弱透水层) 时，局部隔水层( 弱透水层) 上会积聚具有自由水面的重力水，这部分水便是上层滞水。潜水是指饱水带中第一个具 有自由表面的含水层中的水。承压水是指充满于两个隔水层( 弱透水层) 之白j 的含水层 中的水。 1 隔水层2 透水层3 饱水部分4 游水位5 承压水测压水位6 泉( 上升泉) 7 水井， 实线表示井壁不进水t 上层滞水b 淆水c 承压水 图2 - 7 潜水、承压水及上层滞水 f l 窖2 - 7u n c o n f i n e dw a t e r , c o n f i n e dw a t e ra n dp e r c h e dw a t e r 对以上地质现象，在三维地质建模中不但要能将其空问形象显示出来，同时还要让 用户能够进行编辑、修改、管理等，方便用户对已建成模型的调整。 2 2 主要建模对象的信息分类 由上一节可以看出，在三维水文地质建模中涉及的研究对象较多，有点状对象如高 程点，线状对象如钻孔，面状对象如地貌、地层面，体状对象如地下水体、孔隙度等。 对于这些不同类型的对象需要用不同的数据类型来表达和存储，而这些对象之间也存在 着复杂的关系，这些关系也需要在模型中表达出来。 从g i s 角度来说，矢量数据结构精度高，容易表达拓扑关系，数据存储量少，图形 输出精确美观，图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都容易实现，其缺点是数据结 构和矢量叠置较为复杂，数学模拟也比较困难，且技术复杂，对软硬件要求较高。而栅 格数据结构简单，空间迭置分析速度快，数学模拟方便，但其数据存储量大，用大像元 减少数据量时，精度和信息量会受损，图形输出也不美观。 一般来说，在三维地质建模中，多用矢量数据结构来表达几何模型，用栅格数据结 构来表达属性模型。在本次研究中，我们从构建几何模型和构建属性模型的角度，将建 模信息分为描述地质体空问几何形态的几何信息，和描述附着在地质体空间几何形态上 的属性信息两类，具体内容参见表2 1 。 9 中国地质科学院顾i 。学位论文 表2 - i 主要建模对象信息分类“ t a b l e2 - 1i n f o r m a t i o nc l a s s i f i c a t i o no ft h em a i nm o d e l i n go b j e c t s 地质对象数据类型示例信息分类 地形点集、线、面高程 儿何 地貌 面山地、丘陵、平原 属性 水系、水体线、面、体 湖泊、河流 儿何 地 地表地质线、面、体地层、岩性、断裂儿何、属性 表 基岩分布 体地层、岩性几何、属性 植被面草原、森领属性 遥感幽像 面 航空和卫星图片属性 人文地理点、线、面居吣地、建筑物、道路几何、属性 地层格架 面、体 地层、界面儿何 构造格架面、体 断裂、地层厚度 几何 地 盆地地质结构面、体构造分区、沉积充填体几何、属性 下 地f 水模型面、体储水岩组、流场、水位几何、属性 物理属性点、面、体岩性、孔隙度、渗透率属性 钻井和测井点、线、面界面、岩性、测井数据几何、属性 井抽水试验点流量、水质、水化学属性 勘 气象和水文 点降雨量、蒸发量、流量属性 探 地球物理点、线、面、体重力、磁法、电法、地震 属性 地球化学点 属性 有用矿产点、体 几何、属性 2 3 本章小结 本章介绍了构建三维水文地质可视化模型会涉及到的主要研究对象，并对这些研究 对象进行了信息分类，以便后期建模时数据筛选。 第三章三维水义地_ 晒口，视化模型构硅思路 第三章三维水文地质可视化模型构建思路 地质模型是一种在三维空间描述地质体空间位置、内部结构或地质属性的模型。地 质模型的计算机构建( 地质建模) 与普通的三维建模有很大的差异，主要体现在三方面： 一、地质模型比普通的三维模型复杂；二、地质模型描述的地质体对象其属性具有随时 自j 变化的特征；三、用于描述地质模型的信息及数据通常是不完全的。所以，地质模型 的构建过程比普通的三维模型构建过程要复杂得多。 实践证明，构建三维水文地质模型，一般应按照以下思路进行： 1 ) 地质规律总结。进行地质规律总结就是认识研究区的岩性分布、构造格架的特 征，从宏观上把握研究区的基本地质状况。 2 ) 选择建模方法。目前，关于三维地质建模的方法不少。但是，不同的建模方法 适用于不同的地质环境中；而同一地质体，在建立几何模型和属性模型时，采用的建模 方法也会不同因此，需要明确各类建模方法的适用条件，确定所建模型的种类，在此 基础上选择合适的建模方法 3 ) 选择可视化方法。由于目前用于水文地质行业的三维地质建模软件多是研究者 自己开发的，其开发平台多种多样如：v c 、i d l 、j a v a 等，不同平台的软件用到的可 视化技术不同，不同的可视化技术其开发难度，适用领域也是不同。 4 ) 建模信息的收集、数字化和预处理。在确定好建模方法及可视化技术后，接下 来就要收集以钻孔数据、剖面数据、平面地质图数据及等值线数据为主的建模信息，然 后将这些信息数字化，并对其进行概化预处理， 以利于计算机自动建模。 5 ) 选择插值方法。由离散数据建立地质体空间模型的基本思想就是割分和插值。 剖分方法，大多数商用软件都选择d e l a u n a y 三角剖分，而且这种剖分方法所生成的三 角网很适合做数值模拟，因此剖分方法一般选用d e l a u n a y 三角剖分。相比剖分方法， 插值方法多种多样，且不同的软件提供的插值方法也不相同，这就需要在熟悉各种插值 方法的适用条件，明确所要模拟地质体的特征，并且考虑相关制约因素及地质学原理， 对实测数据样本点进行充分分析、反复试验比较的基础上，选择出符合要求的插值方法。 6 ) 误差分析和模型校正过程。误差分析和模型校正贯穿整个建模过程。误差的产 生不仅是由原始数据引起的，在建模过程中也会产生这样那样的误差。由于误差的存在 及自动建模本身的缺陷，由计算机自动建立起来的模型必定有不符合真实情况的地方， 对于这些地方就需要进行校正，使模型趋于准确、精度符合要求在某种程度上，误差 分析和模型校正过程与数值模拟的调参过程相类似。 中田地质科学院坝l ：学位论文 3 1 建模方法及其选择 3 i 1 三维地质建模方法综述 经过二十多年的发展，在三维地质建模方面，有许多种建模方法。从建模所采用的 数据模型角度来看，主要有基于体的建模方法、基于面的建模方法、混合建模方法等几 种类型；从建模数据来源角度看，主要有基于钻孔资料的建模方法、基于地质平面图的 建模方法和基于地质剖面图的建模方法等几种。 1 数据模型分类 从数据模型角度看，三维地质建模方法有基于体数据的建模方法、基于面数据的建 模方法、混合数据建模方法等，各种数掘模型又包含若干个具体的数据模型( 见表3 1 ) 体模型基于3 d 空自j 的体元分割和真3 d 实体表达，体元的属性可以独立描述和存储， 因而可以进行3 d 空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体 ( t e t r a h e d r a l ) 、六面体( h e x a h e 出a 1 ) 、棱柱体( p r i s m a t i c ) 和多面体( p o l y h e d r a l ) 等类 型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。规则体元包括c s g 、 v o x e l 、o c t r 、n e e d l e 和r e g u l a rb l o c k 共5 种模型( 图3 1 ) 。规则体元通常用于水体、 污染和环境问题建模，其中v o x d 、0 l c 仃模型是一种无采样约束的面向场物质( 如重 表3 13 d 数据模型分类“” t a b l e3 - lc i a s s i f l c a f i o no f 3 dd a t am o d e l 体模型 面模型混合模型 规则体元不规则体元 结构实体几何( c s g )实体( s o l i d )不规则三角网( t i n )t i n - c s g 混合 体素( v o x e l )四面体( t 刚) 网格( g r i d )t i n - - o c t r e e 混合 八义树( o c t r e e )金字塔( p y r a m i d )边界表示模型( b - r e p )w i r e f r a m e - b l o c k 混合 规则块体( r e g u l a r三棱柱( t p ) ，似三线框( w i r e f r a m e ) 或相o c t r e e - - t e n 混合 b l o c k ) 棱柱( q ：r p v ) 连切片( l i n k e d s l i c e s ) 针体( n e e d l e )地质细胞断面( s e c t i o n )g t p - - t e n 混合 ( g e o c e l l u l a r ) 不规则块体断面一三角网混合 ( i r r e g u l a r b l o c k ) 3 dv o r o n o i 图多层d 叫s 广义三棱柱( g t p ) 力场、磁场) 的连续空间的标准分割方法，n e e d l e 和r e g u l a rb l o c k 可用于简单地质建 模不规则体元包括t e n 、p y r a m i d 、t p 、g c o c c l l u a f 、h r e g i l l 缸b l o c k 、s o l i d 、3 dv o r o n o i 和g t p 共8 种模型( 图3 2 ) 不规则体元是有采样约束的、基于地质地层界面和地质 l2 第二币三维水义地质町视化模型构建思路 构造的面向实体的3 d 模型。 基于面模型的建模方法侧重于3 d 空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、 构筑物( 建筑物) 及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可能 是非封闭的。基于采样点的t i n 模型和基于数据内插的g r i d 模型通常用于非封闭表面 图3 - 1 规则体元模型 图3 - 2 不规则体元模型“” f i g 3 - 2i i - r e g u l a rv o h m t r i cm o d e l 模拟；而b - - r e p 模型和w hf r a m e 模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。s e c t i o n 模型、s e c t i o n - - t i n 混合模型及多层d e m 模型通常用于地质建模。通过表面表示形成 3 d 空间目标轮廓。 基于体模型的建模方法侧重于3 d 空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿 体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3 d 目标的空间表示，优点是易于进行空间 操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。基于面模型的建模方法侧重于3 d 空间实体 的表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3 d 目标的空自j 轮廓，其优 点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。混合构模由于充分利用了不 同的单一模型在表示不同空问实体时所具有的优点，所以能够实现对三维地质现象的有 效、完整的表达。但混合构模也存在数据量大，必须在两种方法之间不断进行转换以保 持一致性的问题，并且不同模型之间的转换有时只能是近似的，甚至是不成立的。如果 混合的不好，会丢失单一模型各自的优点主要的混合建模方法：l 、n n c o s 模型， l3 中周地质科学院硕j 擘位论立 这是当前城市3 d g i s 和3 d c m 建模的主要方式，即以t i n 模型表示地形表面，以c s g 模型表示城市建筑物，两种模型的数据是分丌存储的；2 、t i n o c t r e e 模型，以t i n 表 达3 d 空白j 物体的表面，以o c t r e e 表达内部结构：3 、w i r e f r a m e b l o e k 模型，以w i r e f r a m e 模型表达目标轮廓或地质与丌挖边界，以b l o c k 模型填充其内部；4 、o c t r e e - t e n 模型， 该模型以o c t r e e 作整体描述，以t e n 做局部描述，这种混合模型虽然可以解决地质体 中断层或结构面等复杂情况的建模问题，但空白j 实体问的拓扑关系不易建立；5 ， g p t - t e n 模型，将四面体作为一种新的几何元素引入g t p 模型中，利用g t p 首先进行 地层形态描述，再用四面体进行g t p 和实体内部的几何与属性描述。 北京市勘察设计研究院的陈树铭还提出了一种建模方法。他认为地质三维领域中， 地矿、石油的三维分析相对来说是比较简单的，相比之下工程地质、水文地质等的三维 分析更复杂，比如说在地矿、石油领域应用克罩会方法基本就可以分析，但是对于工程 地质、水文地质分析来说，克里金方法基本是不可行的并认为目前主要有三类地质三 维重构算法，即剖面成面法、直接点面法，以及拓扑分析方法在综合应用概率统计、 模糊、神经网络、插值、积分等理论的基础上，构造了一种新算法( 他称之为“泛权” 算法) ，其核心思想就是能对任意m 维的连续、非连续边界进行重构分析，并同时能耦 合地模拟各种复杂背景因素的影响 2 数据来源分类 目前，在三维地质建模方面，按照建模所用数据来源不同，将建模方法可分为基于 钻孔资料的建模方法、基于地质平面图的建模方法和基于地质剖面图的建模方法三种。 基于钻孔资料的三维地质建模方法在石油、矿山、城