三维可视化建模软件gocad的应用

三维可视化建模软件gocad的应用

过去，地质调查获得的大量二维和静态地质信息数据，地质专家根据他们的经验，总结了

地下岩石和构造的趋势和分布，并预测了它们的变化规律。近年来，计算机软硬件技术的

发展为地质勘测资料在计算机上建立三维地质模型创造了条件。目前,在地质领域中,岩体

的三维可视化模拟已成为人们广泛关注的热点。

多年来,在三维实体建模研究中，作者对CAD图形技术进行过长期深入的探索，并在此基础

上提出了五维空间建模的概念和方法。CAD技术在二维精细绘图、三维实体模型的创建与

编辑、图形拓扑运算等方面有着独特的优势，但在岩体三维可视化模拟中的应用尚显得力

不从心。在图形处理过程中发现，国际上广泛应用的G0CAD大型三维建模软件在地质建模

方面有着独到之处,它不但具有核心的地质建模功能,可以实现结构特征与地质属性的统一

表示,还具备强大的可视化功能和地质解弹功能。为此,本文将GOCA1)软件技术与传统的

CAI)图形技术相融合,充分发挥两者的不同优势,成功建立了贵州安顺坝陵河大桥西岸局部

岩体的三维实体模型。

1gocad软件和数学处理方法

1.1gocad软件介绍

1.2地质特征插值

GOCAD软件的特点是采用离散平滑内插方法(DiscreteSmoothInterpolation,简称DSI)

作为核心技术。DSI方法用一系列具有物体几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质

体。

地质数据具有不连续性、不确定性，以及不同来源或类型的数据可信度不同等特点，并且地

质建模的目的不仅仅是表现对象的几何特征,还要表现其物理属性。针对地质数据的特点

和地质研究的目的,GOCAD软件的设计者提出了DSI这种特殊的插值方法。用DSI方法模拟

几何和物理特性时，已知节点和地质学中的典型信息将被转化为线型约束，引入到模型生成

的过程中。该方法基于图形拓扑,它适用于构建复杂模型和处理模型表面不连续的情况。

DSI方法具有一定优点,如可自由选择和自动调整格网模型，实时交互操作，能够处理一些不

确定的数据等。这些优点决定了DSI在地质建模和可视化中的重要位置。

1.3地震地质构造模型

GOCAD三维地质体建模主要包括两类:

a.构造模型(structuralmodeling)建模建立地质体构造模型，能够模拟地层面、断层面的

形态、位置和相互关系；结合地质体各属性模型的可视化图形，还能用于辅助设计钻井轨迹。

此外，构造模型还是地震勘探过程中地震反演的重要手段。

b.三维储层栅格结构(3DReservoirGridConstruction)建模根据建立的构造模型，在3D

ReservoirGridConstruction中，可以建立其实体模型；同时，地质体含有多种反映岩层岩

性和资源分布等特性的参数(如岩层的孔隙度、渗透率等)，可对这些物性参数进行计算和

综合分析,得到地质体的物性参数模型。

总的来说，构造模型属丁基础建模，它主要采用线、面模型，重在模拟对象的形态及其相互

之间的位置关系。而栅格模型是在构造模型建立时象的基础上用三维网格(grid)来模拟地

质体和地质属性参数的分布，栅格模型是构造模型的综合和进一步应用。

1.4几何元素构造

三维建模软件采用数据结陶的类型,对于模型的精度、存储量和实时分析等有重要影响。

GOCAD软件采用边界表示结构(BoundaryRepresentation,BRep),通过点、线、面、体4种

基本几何元素来构造更为复杂的对象。点的位置由其空间坐标来确定;线由连结两点的•

系列节组成,起点和终点限定边界;而由连结3点的三角形组成;体由1组面组成。边界表

示结构能够表达空间几何元素间的拓扑关系，是几何造型中最成熟、无二义的表示法。这

种模型表示精确，数据量小,被广泛地应用在一些三维建模软件中。

1.5维地质建模

在GOCAD中，所有描述对象的数据文件都以ASCII格式存储，但Voxel.SGrid属性文件和

钻孔属性信息既可用ASCII格式,也可用二进制文件存倍。GOCAD软件具有与其他多种软件

连接的接口，它支持的外部文件格式有Ascii文本文件、DXF、Shape、BMP图象文件、

IRAP/RMS、ZMap>SEGYC2Dand3D)以及国际上最流行的AutoCAD软件，可以说，它支持目

前几乎所有图形软件。

三维建模的直接数据来源,是地质勘测人员绘制的各种CA1)图件,包括CAD图形格式的地形

等高线、柱状图以及剖面里等。这些图通过CAD存成.dxf格式即可导入GOCAD软件，用于

构建三维模型。CAI)的三维面模型(31)face)具有和GOCAD相同的数据存储方式，也可导入

GOCAD,用于模型的创建或校正。但CAD里创建的三维实体模型(3Dsolid),因其没有与

GOCAD匹配的数据格式而不能导入。GOCAD里的点、线、面以及剖面模型同样可存成.dxf

格式而导入到CAD中;地质建模主要采用的sg实体模型，可以将结构和属性一并输出为文

本格式。每种对象都可以单独将属性导入Excel中。

GOCAD是在C语言环境下开发的,它提供了二次开发类库函数,不但方便用户进行二次开发，

还提供了一些特殊支持。

2维岩体可视化建模流程

三维岩体可视化建模的思想,是通过利用各种地质勘测资料，借助GOCAD内部的离散平滑内

插运算方法,将离散数据转化为连续曲面,进而建立岩体的三维模型,处理岩层界面与结构

面的组合关系,逼真地反映地质体的全貌。

三维岩体可视化建模的流程如图2所示,具体过程是：

a.由地形等高线和地质点数据建立地面模型。

b.根据钻孔的分层信息,结合地质剖面图，分析确定各岩层的走向、缺失和尖灭位置等信息,

抽象出岩体构造,并在钻孔不足地区和研究区边界上虚拟出钻孔,提取各子体岩层的分层信

息及地层的边界点,形成原始插值数据。再通过添加不同的约束条件,进行插值拟合,得到

岩层面（曲面）模型，进而对各原始曲面进行局部编辑处理。

c.通过GOCAD软件内置的三维储层网格建模流程，由岩层面建立三维岩体模型。

d.在以上岩层面和岩体模型基础上,生成任意方向的剖面图,或由岩层实体模型形成属性模

型等。

3gocad软件介绍

本文根据勘察资料，对贵州安顺坝陵河地区工程地质的三维数字化模型进行细致研究，利用

GOCAD软件对工程地质三维建模、三维地质体的计算机显示、操作以及三维切割等进行深

入分析和探讨，同时与本课题组所提出三维数字地质模型开展对比分析,为坝陵河大桥重点

工程提供全方位的GIS数据库及虚拟现实模型,解决了一系列技术关键问题。

3.1地层分层参数的确定

钻孔资料是地质建模中不可或缺的重要信息。但由于钻孔资料量有限,且钻孔揭示的地层

分层参数很局限一一只在某钻孔揭露点的可见范围内有效。因此在建模过程中，根据地质

剖面图上地层的走向趋势和经验推测，要在钻孔分布稀少的地区和研究区域的边界虚拟出

钻孔。这些钻孔信息通过导入GOCAD,即可建立钻孔模型。

3.2基于地质特性的地震勘探百分

a.地表模型将选定研究区域的地形等高线直接导入GOCAD软件,但他们不能直接用来建模，

因为软件自动把线条当成一种约束，构建的曲面比较破碎。从线上提取数据点，利用软件自

身的离散平滑内插方法就可建成符合地质实际的曲面模型。

b.地层界面模型钻孔上同一名称的标记点就形成了一个点集，再加上提取的各个地层的分

界面数据，以ASCII码格式导入到软件中，添加适当的约束条件,通过拟合与插值得到地质

层面,利用软件强大的编辑功能再进行局部修改,就可获得各层面的三维空间模型。

3.3建立地质模型

根据已建的各个岩层的曲面模型，进而通过GOCAD的workflow建立各岩层的块体模型,地

质实体用实体模型（Sgrid）来表现,表达地质信息在研究区域内的分布规律（图3）。

3.4建立参数模型时要注意做到对“参数”的分析，

由钻孔和测井取样得到的地质参数（如孔隙度、饱和容重、压缩系数和压缩模量等），具有

随机性和结构性。随机性是指参数在特定点上取值不确定，杂乱无章,但参数总体取值服从

一定概率分布规律的一种现象;结构性是指参数在空间分布上确定、有规律的一种表现特

征。建立参数（属性）模型时,要对所选择的参数进行统计分析,使建立的参数模型更加合理。

地质对象的各种属性不但可以附加在模型上,而且,GOCAD里对象的属性还可以遗传，比如将

孔隙率属性附加在点对象上，由点生成的线或面的控制点上也具有同样的属性,这样就可利

用离散平滑内插技术对属性进行内插，由局部点的特征属性插值得到整个地质区域内该属

性的分布情况（图4）。

基于GOCAD软件所建立的实体模型,模拟了复:杂岩体的产状和形状及其接触关系，图形实体

的主要特征属性能够相互接触，利用其所具有的图形特性和直接利用图形的运算能力，属性

的分布和相关关系可从图形中导出和计算，然后应用于多种数值方法之中，较之现有的纯数

学计算方法更加直观、简便和可靠.

4基于gocad软件的地质建模

基于长期的研究、积累，以及对CAD技术的深入了解,笔者借助CAD图形平台,通过GOCAD

软件强大的地质建模功能尝试建立了贵州安顺坝陵河大桥西岸局部地质体的三维模型。

该模型融合了众多钻孔、地质剖面等各种地质信息，不但清楚宜观地展现了地层的空间走

向和分布,模拟了复杂岩体的产状、形状，同时将GOCAD模型转化到CAD模型之中，使CAD

将属性信息附着于图形,从而在图形上即可获知整个区域的属性分布，并清楚地显现出来。

这有利于发现以往二维可视化成果难以获取的信息，为设计人员作出迅速或正确决策提供

有效参考。

目前建立的模型还是一个静态模型，今后的研究趋势是将地层年代的变化信息进一步融入

模型之中，使GOCAD和AutoCAD更加容易转换和数据共享，以建立一个能反映地质变化的

动态模型。

GOCAD（GeologicalObjectComputerAidedDe-sign）软件是法国Nancy理工大学开发的

主要用于地质领域的三维可视化建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发和人利

工程中均有广泛的应用。GOCAD软件充分考虑了地质资料的多源性，提供