【《三维地质模型与可视化技术研究的国内外文献综述》6200字（论文）】

三维地质模型与可视化技术研究的国内外文献综述（1）国内研究现状自20世纪80年代以来,对于三维立体地质结构建模的深入研究才逐渐开始引起我国三维地质建模学者和有关专家的高度重视,其重要的的标志是对EarthVision这一软件进入国内并开始应用于国内地质行业领域。由于三维地质建模与可视化这一技术在国内的兴起,国内的许多科研机构和大学分别在各自不同的专业应用领域对三维地质建模与可视化的软件开发,三维地质建模与可视化技术的理论等方面进行了大量的研究和探索,分别对三维地质建模与可视化这一技术提出了许多具有针对性的建模及可视化的方法。由于三维地质建模学的技术在不同研究范围和领域的特殊性而导致了研究中侧重点不一样,因此在建模的方法,可视化技术,等软件的开发方面也就具有了多种多样的方式方法。例如以下几个方面的研究就具有一定的代表性：（1）在水利工程三维地质模型方面，如天津大学开发的“水利水电工程地质三维建模与分析系统”，这套系统是以OpenGL和OpenNURBS技术为核心而研制出来的。（2）在城市地质工程三维地质模型方面，如同济大学的朱合华教授开发的“城市地下空间的三维地质体模拟与可视化操作系统”对在城市地质领域的三维模型可视化领域提供了一种先进的技术手段。（3）在煤矿开采工程三维地质模型方面，如中国矿业大学（北京）的曹代勇教授等开发的“煤田的三维地质模型可视化分析系统”，这套系统是以OpenGL切片合成法技术为核心而研制出来的。除了上述专业生产建设领域外,国内许多学者还在减灾防灾、油田的开发与维护和矿山开采等领域也进行了广泛的探索与研究。但是由于我国三维建模软件的研发和海外发达国家相比,软件开发起步比较晚,已开发的产品在功能方面也不够完善,尚处在摸索研发的阶段。对于现在已经开发的三维地质建模软件产品,部分产品仅仅具备部分三维分析功能,而且产品主要的功能集中在三维模型构建及可视化等方面,但这一系列的产品也各自具有一定的特点，例如:(1)1999年北京大学开发的三维地质信息系统平台GSIS,GSIS系统提供多种模型建立方法,能较为迅速的完成三维复杂地质模型的建立。该系统体系以矢量/栅格结合的三维数据结构为基础,可以比较好的反映三维地质的对象和一些地质现象,具备处理海量空间数据的能力。(2)由北京航空航天大学自主开发的3D-Grid大型三维可视化地质建模软件,3D-grid软件拥有原始剖面数据的导入、钻孔数据的管理、断面层建模、地层数据的建模、透镜体建模、断块建模和多种丰富的可视化功能。3D-Grid的三维模型能够直观准确,能够按照一定的原始资料反映地质学模型的真实性和现状。(3)由中国地质大学(武汉)国土资源信息系统研究所自主开发设计的Geo-View系统三维建模模拟系统,能够对所需要构建的三维模型进行三维动态模拟、盆地演化、构造应力场及金属成矿作用等地质过程的模拟。(4)由天津大学水利工程仿真与安全实验室开发的VisualGeo三维地质建模与可视化软件系统,这一系统的主要应用领域是在水电厂大坝工程的地质建模和水利工程的施工模拟仿真等水利设施的建筑工程建设及前期规划中。(5)武汉中地数码科技公司研发的MAPGIS-TDE三维数据模型处理平台，其包含四个重要部分分别为：三维模型的快速构建、数据的建模及管理、三维空间的绘制以及进行三维实体分析，MAPGIS-TDE三维数据模型处理平台还集成了地面上层、地面下层的三维空间数据模型的处理能力，可以同时处理从二维到三维，从矢量数据到栅格数据等多种三维空间数据模型，并提供多种多样的三维模型、数据管理及显示的工具和其它接口。这些软件提供了地上城市、地下地质结构等的三维模型与可视化方面的能力，为我国在三维建设领域提供了一批优秀的具有自主知识产权的国产软件,不仅提升了我国在三维地质建设领域的能力也为其他各个行业提供了有效的技术服务。（2）国外研究现状三维地质建模理论的提出和发展与地质统计学的发展紧密相联,而地质统计学的发展得益于20世纪50、60年代D.G.Krige和G.Matheron对克里金技术和地质统计学的开创性研究[6]。三维地质建模的概念最早是由加拿大SimonW.Houlding于1993年提出的,但对三维建模理论的研究由来已久,CarlYoungman,MolenaarMarien,FritschD,AaperJ.F,MolenaarM,TurnerA.K,ThomasR.Fihsher,Rongx-ingli等人又进行了大量的研究,主要包括空间数据的模型与结构、数据的三维可视化、三维矢量化地图的数据结构等方面,为三维地质模型可视化理论做出贡献[8]。美国副总统戈尔于1996年提出了＂数字地球＂概念开始，各个行业的数字化理念开始大量涌现。在地质行业，澳大利亚地质学家Carr也在同一时间提出了＂玻璃地球＂的概念[9]。经过多年的发展在90年代陆续有稳定的三维地质模型产品的问世，并不断发展、成熟。经过多年的发展，目前国外主要发达国家在三维地质模型与可视化技术上的发展相当的成熟，不仅在专业领域方面为矿山、油气开采，地震研究等提供最为先进的技术支撑也为整个国家地下领域安全建设等方面提供了可视化、预测、管理等先进的技术服务。在三维地质模型软件方面国外科研机构公司开发的主要的软件如下表（1-1）：三维地质模型与可视化软件序号产品名称国家及公司产品特性1GoCADPST油藏技术公司基于法国Nace大学的Mallet教授提出的离散光滑差值理论，核心功能是基于离散光滑差值技术实现的，GoCAD得到了国际地球物理勘探学会和欧洲地球物理勘探学会以及全球几十家大公司的工程师和大学专家学者的支持，是在学术界内公认的较好的三维地质建模软件之一[1]。2Petrel斯伦贝谢公司(美国)以三维地质建模为中心的一体化油藏描述软件主要面向油气勘探的领域[2]。3MineSightMintec公司（美国）建立地质模型和编制矿山生产计划的综合性计算软件，集数据库管理、地质勘探、地质建模、采矿计划、采矿设计、产量估算、三维图形设计处理等为一体的软件，主要面向矿山开采等领域[3]。4EarthVisionDGI公司（美国）其具有快速建立复杂三维模型、储层特征描述、储量分析、模型校验等，其构造建模、复杂断块处理技术是世界一流的三维地质模型软件，主要面向三维地质建模、分析及可视化领域的软件系统可用于[4]。6SurpacVisionGemeon公司（加拿大）集成了地质勘探信息管理、矿体资源模型建立、矿山生产规划及设计、矿山测量及工程量验算、生产进度计划编制等功能，主要面向矿山开采等领域[5]。8DataMineStudioDataMine公司（英国）拥有地质勘探、存储风险评估、矿床建筑物模型、地下和露天开采工程设计等多种功能,以及生产过程控制与仿真，进度计划的编制、结构分析、场址选定,以及环境监测领域等,在全球范围内都是具备行业领先水平的采矿技术。9VulcanMaptek公司（澳大利亚）具有形成三维立体模型，包括地质工程、采矿工程、水库工程、地震分析等方面的功能，主要面向地表及地下三维数据的处理[6]。10MicromineMicromine公司（澳大利亚）具有地质勘查到矿山生产过程控制与管理的全过程，其中包括勘探数据解译，构建3D模型、资源评估和采矿设计、生产管理等功能，主要面向矿山开采等领域[7]。11地下结构可视化系统国立先进科学技术产业研究所（日本）面向地下活动断层结构的查看，表现地壳和地幔，通过地震数据估算地下结构的分布。表（1-1）三维地质模型与可视化软件2000年以来来世界主要发达国家在三维地质模型与可视化技术上结合先进的三维地质建模软件进行了卓有成效的进步，主要包括的国家为美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本，这些国家在三维地质模型及可视化方面进行了多方面的尝试与研究，制定了中长期的国家三维地质模型与可视化计划，并为国家的经济发展，科学研究提供了有力的技术支撑和研究思路。英国地质调查局（BGS）在2000年至2005年之间，开展了DGSM项目和GOCAD软件的，并设计了能够存储构建模型的软件，这是数字地球科学空间模型（DGSM）项目的一部分。在软件方面，主要将精力集中在用于未来3D地质模型构建的主要软件上。所建立的GOCAD将继续用于主要基于与电缆测井和地震数据深井基岩地质的构建流域尺度模型。加拿大地质调查局在2004年开展了利用表层地质3D模型的向下平流时间评估岩石含水层的脆弱性：加拿大圣劳伦斯低地的案例研究。在魁北克西南部圣劳伦斯低地的1400km2区域上，测试了一种将地下水的脆弱性直接与3D地质模型中的地下水向下预测时间（DAT）相关联的含水层脆弱性评估方法。目的是评估区域性岩石含水层的脆弱性。澳大利亚地球科学局2004年开展了塔斯马尼亚TASGO三维（3D）VRML模型构建项目。塔斯马尼亚州TASGO3D模型是塔斯马尼亚州地质结构的模型。用户可以打开和关闭数据层，以及通过旋转，缩放和平移来操纵模型。美国地质调查局（USGS）2005年开展了旧金山湾地区的USGS3-D地质和地震速度模型，且提供了该地区的地质结构和物理特性的三维视图，深度达45km（28英里）。此3D湾区模型的构建是USGS地震灾害计划，3D模型结合了USGS，加利福尼亚地质调查局和许多其他机构100年的地表地质制图，以及数十年来对湾区岩石的地震特性的研究。这些新模型的其他一些重要应用包括：1）预测强烈的地面运动可能会破坏萨克拉曼多三角洲的建筑物和重要基础设施或破坏堤防2）预测地面可能发生破坏性液化的地方3）更准确地定位地震4）定义地下水含水层的范围，并建立地下污染物输送模型图（1-1）旧金山湾地区的USGS3-D地质和地震速度模型美国地质调查局于2018年构建了具有三维水文地质模型的亚利桑那州上圣克鲁斯盆地里约热内卢和诺加莱斯四边形的地质框架和水文地质模型。3D模型整合了水文地质单元和断层，以定义向诺加利斯和亚利桑那州最南端的周边社区供水的含水层系统的几何形状，结构和厚度。该成果包括一个由EarthVision3DViewer，软件建成的三维模型，其效果图见下图（4）使用户可以在3D空间中交互查看数据，以帮助解释盆地几何，结构，地层和水文学的内部复杂性。图（1-2）亚利桑那州上圣克鲁斯盆地里约热内卢和诺加莱斯四边形的地质框架和水文地质模型下表（2）为信息的汇总，该信息主要收集与各国国家地质调查局官方网站发布的资料及数据。2000年至2020年世界主流发达国家三维地质模型及可视化成果年份成果国家/机构2000年至2009年2000至2005设计了能够存储构建模型的软件，英国地质调查局开发的新兴的3D地质勘测研究（GSI3D）软件用于构建较浅的第四纪等地质模型。英国地质调查局2004利用表层地质3D模型的向下平流时间评估岩石含水层的脆弱性：加拿大圣劳伦斯洼地的案例研究。加拿大地质调查局塔斯马尼亚TASGO三维（3D）VRML模型构建项目。澳大利亚地球科学公司2005旧金山湾地区的USGS3D地质和地震速度模型，且提供了该地区的地质结构和物理特性的三维视图。美国地质调查局2006使用3DGeoModeller创建了西北PatersonOrogen的CottesloeSyncline地区的Paterson3DVRML模型。澳大利亚地球科学公司构建了不来梅次流域3DVRML模型。澳大利亚地球科学公司2007阿肯色州的含水层系统的三维地质框架模型。美国地质调查局拉克兰造山带3DVRML模型构建。澳大利亚地球科学公司2006至2009GAOB项目是在地下水测绘计划，目标是对区域含水层进行评估，制作了基洛纳/埃里森-伍德和卡拉马卡湖山谷的3D地质模型。加拿大地质调查局2010至20202010日本国立先进工业科学技术研究院（AIST）发布了地下结构可视化系统。日本AISTFlinFlon勘探营地的3D地质模型构建。加拿大地质调查局2011从现有模型和未来计划开发模型开始建立整体国家地质模型（NGM）。英国地质调查局2012爱达荷州国家实验室以三个维度绘制玄武岩流和沉积夹层的分布图，提供数据。并使用47个岩心孔的玄武岩样品的古磁倾角和极性数据被用于创建INL南部地下的三维模型。美国地质调查局2014对尚未发现的油气资源俄克拉荷马州西部和堪萨斯州，德克萨斯州北部和东南部的阿纳达科盆地省的地质资源价值评估，建立了一个26层3D地质框架模型。2018亚利桑那州上圣克鲁斯盆地里约热内卢和诺加莱斯四边形的三维水文地质模型的地质框架。2019国家地壳模型计划第1阶段：美国西部的3D地质框架。2020完成了新墨西哥里约热内卢地下水盆地的三维地质框架模型的数字数据构建。表（1-2）三维地质模型及可视化成果结合近20年世界主要发达国家在三维地质模型与可视化的发展历程，将这一发展分为三个发展过程：第一个阶段是为1993年至2000年,为三维地质模型与其可视化理论概念的提出、三维地质模型软件的研发和三维模型与可视化理论的完善补充阶段。第二阶段2000年至2010年为局部小范围的三维模型与可视化实现阶段,多用于科学研究,服务于矿业等生产领域。第三个发展阶段2010至今主要发展目标为构架一个国家级别的大范围三维地质模型与可视化系统,服务于全国级战略安排,其不仅应用于科研及工业生产领域,还将应用领域拓展到了国家安全,人民在工业及生产中日常生活的方方个面,成为保证国家社会整体运行的不可或缺的重要组成部分,且由于Web端的三维可视化技术的不断发展,各主要发达国家相继推出了部分地区、全国的基于Web端的三维地质模型与可视化系统,该系统的推出不仅对地质数据信息科研成果的共享,发布、更新都具有更大的优势。世界各国的地质调查机构对与基于Web端的三维地质模型与可视化技术越来越重视，纷纷推出了自己的基于Web端的三维地质可视化系统。英国地质调查局的uk3d，美国地质调查局的三维地下水结构分布研究，澳大利亚的基于X3D技术的Web端的三维地质建模，日本国立先进工业科学技术研究所发布的地下结构可视化系统。所以当今基于Web端的三维地质模型可视化系统成为各国地质调查研究机构重点发展的一个方向。我国国内由中国地质调查局开发的基于Web端的“透明雄安”三维地质模型与可视化系统也经过不断开发即将上线为我国基于Web端的三维地质模型与可视化这一领域补上空白。参考文献[1]陈志龙.软件工程中Web开发技术的应用与研究[J].计算机产品与流通,2019(05):24.[2]杨伟,王小锋,李忠,陈旭.三维地质建模技术在古水水电站中的应用[J].水力发电,2016,42(12):38-42+45.[3]赵亭.TITAN3DGeo-view在水利水电信息工程中的应用[J].中国新技术新产品,2011(02):10.[4]樊戎.基于OpenGL的三维管道内壁的可视化研究[D].哈尔滨工程大学,2010.[5]康红霞.基于ArcGIS的三维景观建模技术研究[D].西安科技大学,2006.刘增宝,边红星,孟德茂,潘泽栋.煤矿综合信息网络三维管理系统的设计与应用[J].煤矿现代化,2016(03):90-92+94.[6]三维地质模型研究[C]//国家安全地球物理丛书（十五）——丝路环境与地球物理.2019.[7]刘同文,于广婷,张志进,宋冠涵.胶东金矿三维地质建模技术研究[J].地矿测绘,2018,34(02):1-3.[8]杨青生.基于OpenGL的三维可视化研究[D].陕西师范大学.[9]李鑫.矿井水文监测数据可视化网络发布系统研究[D].西安科技大学,2008.[10]郭惟嘉,倪学东.采矿信息可视化集成技术研究[J].煤炭科学技术,2002(07):25-27.[11]张院,刘殷,许苗娟,孙颖,郑菲菲,宋国玺.北京三维地质建模研究与实践[J].工程勘察,2015,43(06):60-65.徐新山.基于WebGL的地质体信息三维可视化[D].兰州交通大学,2016.[12]李青元,张洛宜,曹代勇,董前林,崔扬,陈春梅.三维地质建模的用途、现状、问题、趋势与建议[J].地质与勘探,2016,52(04):759-767.[13]于潞,贾绍文,霍立平.基于WebGL的网络3D虚拟训练软件设计与实现[J].仪表技术,2017(02):40-42.[14][1]范明翔.HTML5的开发标准与功能特性研究[J].中国高新区,2018(02):220.[15]吕志强.基于空间离散点的三维地质体精细建模[D].西安科技大学,2010.[16]汪延彬,米成林,宋启全,陈亮之,王娅妮.基于空间插值的耕地质量差异性分析——以甘肃省白银市为例[J].甘肃科技,2016,32(12):43-46.[17]张山山.地理信息系统数据模型分析[J].测绘与空间地理信息,2018,41(09):8-11+15.[18]张明智,李义.MapReduce框架下空间大数据的关联规则分析方法[J].系统仿真学报,2018,30(03):840-845.[19]王想红,屈红刚,王占刚.基于Geo3DML的三维地质模型数据管理研究[J].中国矿业,2016,25(S2):100-103.[20]吴冲龙,牛瑞卿,刘刚,孔春芳,雷世泰,刘丕德.城市地质信息系统建设的目标与解决方案[J].地质科技情报,2003(03):67-72.[21]王想红,屈红刚,王占刚.基于Geo3DML的三维地质模型数据管理研究[J].中国矿业,2016,25(S2):100-103.[22]林贤恩.保护专项规划的石头厝普查与建库方法研究——以平潭综合实验区为例[J].福建建筑,2018(03):1-4.[23]FbA,JlA,JcB,etal.ExtendingCityGMLforIFC-