从2D纸质地质图到3D地质模型

优秀文件你我共享二维纸地质图到三维地质模型地质信息表达的突破强震中国地质调查局发展研究中心北京西城区赋外街45号医院，摘要：英国地质学家William Smith于1815年编辑的世界第一个地质结构和描绘英国、威尔士、苏格兰地层关系的地质图出版以来，2D纸质地质图一直是地质信息的重要表现。IT的发展，特别是计算机辅助制图CAD技术、GIS技术和三维地质建模技术的发展，使地质信息的表达方式不断发展，实现了从二维纸地质图、数字地质图、地质图空间数据库数字地质图到三维地质模型的三大突破。本文简要分析了上述三个突破的出现和特点。关键字：地质信息表示，3D地质模型，3D地质建模引言1二维地质图基于同一平面坐标参考框架，将工作区内各种地质体(地层、岩体、矿体等)及其相互关系以一定尺度垂直投影到同一平面上，反映区域内地壳表层的地质特征。自英国地质学家William Smith于1815年出版了世界上第一部地质结构和描述英国、威尔士和苏格兰地层关系的地质图以来，由于技术限制，二维纸质地质图一直是地质信息的主要表现。不仅是研究的基础，也是为社会和经济发展服务的重要内容。随着IT的发展，尤其是计算机技术、计算机辅助绘图(CAD)技术、GIS技术和三维地质建模技术的发展，地质信息的表达有了三大突破：二维纸质地质图、数字地质图、地质地图空间数据库数字地质图到三维地质模型。两种从地质图到数字地质图是地质信息表达方式的首次突破20世纪70年代，数字地图制作技术进入实用阶段，英国地质调查局bgs于1971年以计算机辅助的方式出版了第一幅彩色地质图(图1)(1999)。德国地质资源研究院bgr于1977年购买了德国ARISTO公司制造的CD400自动制图系统，开始以计算机辅助的方式绘制和出版地质地图。美国地面管制所经过几年的准备，1977年正式开始了全国数字制图数据库建设工作。从20世纪80年代开始，包括希腊、泰国等发展中国家在内的发达国家通过数字地图制作技术，制作了多种地质资料(姜根镇，1994年)。90年代中期开始，发达国家称数字地图的新工作方式不仅包括地质图的生产工艺，还包括支配地位(强震，1996a)。据美国地质调查局USGS于1995年向国际地图制作协会提交的国家报告(Terry A. Slocum，1995年)，被调查单位仍声称以传统手动方式绘制图纸的单位比例不到50%。这意味着数字地图制作技术在地质图生产中占据支配地位，从根本上改变了传统的地图制作方式。图1世界上第一张地质图CAD技术的开发和成功应用产生了数字地质图。与传统的手动方法相比，以计算机可读形式存储的这种地质图大大减少了制图过程，地质图也缩短了出版周期，从而降低了成本，提高了效率，易于编辑和共享，因此需要时可以制作纸质地图。可以说是地质信息表达的第一次突破。3地质图空间数据库数字地质图是地质信息表达的第二个突破GIS技术开始于20世纪60年代，从80年代中期开始在地质学领域逐渐广泛应用，具有综合管理、整合和分析地质、地球物理学、地球化学、遥感等各种地质信息的功能。美国、加拿大、澳大利亚等发达国家的地质调查组织80年代中期以后开始的下一代地质地图，其核心是多学科方法的映射、利用GIS和CAD技术构建地质地图空间数据库，以及数字地质图生产(强震，1996b)。地质图空间数据库成为地质图及地质报告的辅助产品，共同构成地质调查的标准生产，地质图空间数据库成为地质信息的重要表达形式(图2)。图2地质图空间数据库数字地质图基于GIS的地质图空间数据库与数字地质图一样，将地质实体和现象抽象为点、线、面几何元素，不仅采用统一坐标参考框架来表示地质体之间的位置和几何形状，还具有以下特征：(1)地质体之间的相邻、构成、盖子、内含等空间关系用拓扑关系表示。(2)设计合理的数据模型说明以说明和存储主题属性。这些属性不仅包括地质图的信息，还包括地质报告的地层、结构及岩石学等应用相关的重要主题属性。(3)使用信息分类编码技术规范主题属性信息的含义。通过分层编码地层等所属属性，提高了查找搜索的效率。这种特征构成了地质图空间数据库和数字地质图最本质的区别。构建了空间数据库，以支持基于GIS和GIS的各种分析处理软件，使您能够搜索空间、属性或空间和属性的组合，有效提取图形、行政区、研究区等任意区域的空间和属性信息，执行各种空间分析，包括地理分析、堆栈分析、缓冲区分析、网络分析、统计和空间统计分析。充分利用现有信息，制定离线或在线地图，计算机辅助矿产、能源和水的资源评估，工程稳定性评估，土地适宜性评估，地质环境评估，地震灾害风险评估，预防和缓解，以及资源管理。地质图空间数据库的建立不仅极大地提高了地质图信息利用的灵活性和效率，而且为多元地质信息的综合分析奠定了基础。从数字地质图到地质图空间数据库，数字地质图的间隔不是很长，但涉及到地质信息表达概念的变化，可以说是地质信息表达的第二次突破。4三维地质模型是地质信息表达的第三个突破4.1 3D地质模型及其优越性3D地质模型是以3D空间坐标(x、y、z)为独立参数对地质空间对象的几何体和属性建模。使用曲面塑型技术建立的3D实体模型描述了地质体的整体形式和性质，通常用于建立地质框架模型。利用体元建模技术建立的三维地质模型将地质体的任意理化特性存储在不同大小的规则或非规则体元素中，可以说明地质体内这些特征的变化和分布。与二维地质图相比，三维地质模型具有以下优点：(1)另外，地质以本来的样子。使用3D建模技术创建实际的3D地质模型，并表示地质体(例如地层、结构、岩石等)的空间位置、几何形态和地质体之间的空间或空间与时间关系。(2)直观易懂。不仅能有效地表达专家的地质知识，非专业用户的地质知识理解能力也有了很大提高。如何让用户理解地质知识，加强与用户的交流一直是困扰专家的问题。需要解释基础地质数据、评估其他解释的优劣、不区分理论和事实、不需要以数据或可理解的形式表示的信息的结论的非专业人士和决策者。3D模型是更容易理解的信息表示方法。(3) 3D地质模型是基于计算机系统的模型，因此是动态的。可以从任何角度观察地质体及其相互关系，也可以有选择地剖切3D模型以生成相应的剖面；建立了数据库，可以在观察的同时显示其属性，可以选择特定种类的地质对象单独显示，也可以创建分离爆炸式显示，便于观察。这比不上2D数字地质；(4)三维地质模型除了表达地质体的几何结构和相互之间的空间关系外，还可以描述地质体的整体特性，说明地质内各种物理特性的变化和分布。将3D地质模型与各种数据分析评价和数字模拟软件集成，可以用于石油和天然气、地热等能源评价，还可以利用矿产资源调查和潜力评价、地下水资源评价、地下水污染的迁移和评价、地质灾害评价、工程稳定性评价等。4.2开发三维地质建模地质学以地球为主要研究对象，其本质是多维的，由于有地质活动，专家们一直在探索如何表达3D地质信息。1815年，William Smith编辑出版了第一幅地质图，出版了该地区的综合剖面图，以表达三维地质信息。英美等上个月20年代开始勘探，70年代用大幅加强的块状单元地图制作的块状单元地图，将深度编码为符号、颜色或图案，表示3D地质信息(Richard C. Berg and David R. soller，2005)此外，线框、栅格、2D数字地质图和DEM数据也是在实际3D地质模型出现(例如构成2.5D地质图)之前3D信息的某种表示形式(图3)(J. Nicholas Van Driel，1989)。(a) (b)(c) (d)图3实际三维地质模型出现之前三维地质信息的表示(a)剖面；b块单位图；c浇口图；D 2.5D地质图关于三维地质(地质学)建模的研究始于20世纪80年代中期。随着GIS在二维地图创建和分析领域取得了重大进展，人们有多篇论文在多个领域设计三维地质地图创建和建模系统(Raper J .1989)，并说明三维建模系统的地质功能要求(Turner，a.k .1992)。1984-89年，德国进行了一个名为“数字地理映射”的大型研究项目，由24个研究小组参与，3D数据的可视化和管理是研究内容(Vinken，1986)到1988-1989年，现代计算机工作站的发展极大地提高了计算机的存储和图形能力，存储设备太贵，处理速度太慢，显示分辨率太低，有价值的显示生成成本太高，因此商业化的3D地质建模系统(Turner，A.K .(Ed)。)，1992)出现后，三维地质建模的应用也大大克服了；美国、英国、加拿大、澳大利亚等发达国家的地质调查组织自90年代中期以来对3D地质建模的勘探和应用研究(Gill Norton，1998；Matile、g.l.d .thorleifson、l.h .et al、1999；RS Blewett，DL Huston DC Champion，2001)。随着计算机性能的快速提高和3D可视化和建模技术的发展，经过几年的技术准备和建模练习，原本只能在专业图形工作站上运行的昂贵的3D建模系统从2005年开始，各国GSO的3D地质建模进入了比较快的发展阶段。4.3三维地质建模包含在GSO的各种开发战略或计划中，应用于地球科学的各个领域，一套不同尺度产品的三维地质模型在网上服务，地质信息表达取得了第三次突破2005年前后以产品生产为目的的3D地质建模包括各国的GSO开发战略、地图规划和水资源、矿产、能源、环境和灾害的各种计划、BGS 2005-2010的科学战略计划、USGS 2007-2011的NCGMP计划、地质灾害计划、加拿大GSC2001年至2013年美国加拿大地质学会举办的8次三维建模研讨会，2011年发表的地质调查机构3D建模综述 (Richard C. Berg，Stephen matmation)经过数年的努力，国家、州、地区研究区等各种尺度的3D地质模型产品应运而生。国家规模3D地质模型产品主要是BGS的LithFrame3D和国家地质模型第一阶段结果-国家基岩3D交叉剖面网格；荷兰两个国家规模的地质框架模型；州级3D地质模型：澳大利亚塔斯马尼亚省和维多利亚省3D地质框架模型；加拿大曼尼托巴省的模型正在建设中。区域研究区域的3D模型：澳大利亚主要成矿省、陆地和海洋资源潜力大的区域的3D地质模型和几十个3D模型，包括地质灾害评估和海岸环境；美国联邦和州地质调查组织建立的含水层评价、地质灾害、冰川沉积使用的地下3D地质框架模型。加拿大含水层模型评估的3D模型、艾伯塔和安大略主要地区地下水和第四地质模型等；德国、法国、荷兰、波兰和丹麦的GSO制作的3D模型。摘要3D地质模型应用于地球科学的所有领域，不同尺度的3D地质模型组作为产品在网上发布了服务，地质信息的表达实现了继数字地质图、地质图空间数据库数字地质图之后向3D地质模型的第三大突破。2010年BGS在其网站上发表的纪念创立175周年的文章显示，从地质图到3D地质模型，地质学家们终于实现了BGS的重大突破(图4)。图4一系列3D地质模型用作产品发布服务参考文献江作琴，1991年，国外计算机在地质学中的应用现状和趋势，地质信息技术，第7卷，1991年第4期，P1-8；江作琴，1994年，美国、加拿大、澳大利亚、英国等地质数字测绘技术摘要，中国地质，1994年；江作琴，2001年，国外地质领域信息技术应用现状和趋势，中国地球科学信息系统发展战略研究报告二十一世纪初地学领域应用的信息技术，第一章，2001；江作琴，1996a，国内外计算机设备开发现状矿山开发，提出引进计算机设备的对策，地质矿产信息研究结果，勘探设备和设备研究资料6月，1996年6月；姜作琴，1996b，新一代地质图面临的挑战，中国地质，P29-33，1996年1月；BGS，1999，founda