三维地质建模技术难点分析

三维地质建模技术难点分析

在传统的地质现象表达中，二维图的表达通常是地质勘探的结果。表现信息不足，缺乏直

觉感。随着地质统计学、数学、计算机图形学和网络技术的发展，工程地质逐渐向着综合

集成化、数字化、可视化的方向发展。三维地质建模已成为数字化的一个重要方面，并成

为当前地学信息技术领域最富有活力的研究方向之一[5〜7]。

文中将着重探讨三维实体建模与可视化的几个关键技术及建模技巧，并以实际工程实例来

阐述在建模过程中对具体,可题的解决方案。最终的模型很好地反映了实际地层和矿体的真

实赋存状态,具有重要的理论意义和实践意义。

1维地质建模

由于地质体形成的年代和原因的不同，各地质体在空间上具有极其复杂的拓扑关系。特别

是浸入体、褶皱和断层错动的出现,更使地质体在形态上具有多变性。为了使不同建巴的

地质体模型能更好地反映出其实际形态,必须将其分类以选取不同的方法对其进行建模，

地质体根据其形态可分为层状实体、块状实体断层和褶皱。

层状地质体是由一系列在空间上连续或间断沉积的地层组成的、具有复杂结构的复合自然

体。地球表面的大部分岩体为层状岩体,包括沉积岩及部分变质岩,在地质结构上主要表现

为地形表面、矿层等。它记录了地球的形成及演化历史，赋存有丰富的能源及矿产资源，其

中在煤层中表现得最为明显。

三维实体是三维建模的重要组成部分,主要用于岩性模型和矿体模型的建立,和三维表面•

起构成r三维地质模型。三维可视化实体模型能够形象地表达地质构造的真实形态特征以

及构造要素的空间关系，结合三维的信息处理和空间分析功能,可以使地质构造分析更为直

观、准确。

断层和褶皱在地质现象中,•匕较常见,并且形态多样,它们的存在破坏了原有的地质体的连续

性,改变了数据的原始分布情况。分叉和空洞现象也给是模带来了一定的难度。

2地质-体重建的关键技术

2.1基于最小三角形法则建立地形表面模型

不规则三角形网模型TIN(triangulatedirregularnetwork)由不规则三角形网组成,三角

形的结点主要从等高线或离散高程测量点中链结而成。TTN模型的主要优点是保留了地形

特征点和特征线,精度比较高。

在利用不规则三角网建立地形表面模型的过程中，目前主要有两种思路:一种是基于全局最

优的方法，目标是使所连接的轮廓线之间生成的表面面积最小；另一种是基于局部计算和决

策的启发式算法。最小三角形法则的基本原理是：以某一点为基点,在它附近寻找离它最近

的点连成一条线，然后以该线为三角形的底边,在周围寻找与该线断组成的三角形面积最小

的点构成三角网。然后再依该三角网的各边为底边分别向周围寻点，寻找合适的点构成新

的三角网，最后形成大范围内的三角网和三角面。

2.2叉树模式以权利类型为主导

八叉树主要用来解决地学信息系统中的三维问题。

八叉树结构就是将空间区域不断地分解为8个同样大小的子区域（即将一个六面的立方体

再分解为8个相同大小的小立方体），分解的次数越多，子区域就越小,一直到同一区域的属

性单一为止。它用层次式的三维子区域划分来代替大小相等规则排列的三维栅格来表示矿

体。其主要优点是对任何形状的目标,规则的或是不规则的，都能够通过对子目标进行多次

分解而将目标表示行足够精确。Morton码只存储实叶结点的地址码一属性值,这样减少了

内存空间。

八叉树同样可分为常规八叉树和线性八叉树.与常规八叉树相比，线性八叉树的主要优点

是:其",因为只需对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，因而节省了存储空间；其次，

线性八叉树可直接寻址,通过其坐标值则能计算出任何输入结点的定位码（称编码），而不必

实际建立八叉树，并且定位码本身就是坐标的另一种形式,不必有意去存储坐标值;第三,在

操作方面,所产生的定位码容易存储和执行,容易实现象集合、相加等组合操作。

2.3图像消隐算法

所谓消隐就是为了在计算机屏幕上获得空间物体真实感的图像，隐藏三维物体的图形口不

可见部分，即隐藏从当前湖察点看不见的三维模型表面,从而增强图形的立体感。消隐算法

的核心就是判断三维模型的是否可见。

消隐算法可以分为图像空间算法和对象空间算法两种。

图像空间算法由于显示出的图形较为粗糙，而且不能够放大，因此应用受到了很大的限制。

而对象空间算法是在投影平面上逐点判别各像素所对应的可见面，数值计算精确，图形细致,

可以任意放大，比较容易在普通微机上实现,因而人们日常使用的消隐方法也基本上属于该

类。

2.4维交互切割质敷存状态的问题

对于地质体任意方向的剖切是可视化分析的重要功能之一。在传统手工绘制三维剖面的过

程中,这是一个非常发杂的过程。它需要地质工程师对整个区域的地质赋存状态有深入的

了解,并且需要耗费相当的精力和时间。三维交互切割技术能够很好地解决这一问题。

在三维地质实体模型的基轴上,通过剖切生成指定位置的地质剖面,很容易把表征地质特征

三维数据场投影显示在图形屏幕上，这样就可以清楚地了解地质模型内部的各个细节。地

质家们往往需要对地质体各个不同剖面方向及其某切平面或层面的地质特征进行综合研究

与多角度认识,这时只需定义不同的剖切位置,三维图形交互切割技术就能方便地满足这一

需要.

3勘探中的西伯利亚铜矿床地质结构

3.1地质构造及“侵蚀”型地层特征

冬瓜山的地质岩层有一个恨重要的特征，就是其地层界线非常明显，矿区除部分地段为第四

系冲积、坡积层覆盖外，出露地层均为三迭系中、下统，局部有上统零星分布;深部工程揭

露的地层有二迭系、石炭系、泥盆系上统诸地层。与冬瓜山矿床成矿关系较密切的地层主

要有二迭系卜.统、石炭系以及泥盆系上统等地层。其矿体形态与背斜深部形态相吻合，空

间上的背斜隆起部位的赋存标高最高，呈一个不完整的“穹隆状”，沿走向及倾向均显舒缓

波状起伏(见图1)。矿体北东侧被包村岩体所侵占，致使矿体的头部形态变化很大。岩体

“呈枝杈状”侵入围岩，吞蚀或部分吞蚀赋矿层位，破坏了赋矿层位的连续及完整性。这些

因素的存在，使得矿区的地质条件变得非常复杂,也为建模增加了难度。

3.2空间数据插值方法

在地质调查和测量中，通常表现为•系列离散的、稀疏的、空间上分布不均匀的数据。利

用这些离散数据来进行三维建模时，需要通过数据插值,然后才能形成完整的地质体模型。

目前空间数据插值的方法很多，主要有:双线性插值、趋势面插值、样条函数插值、距离事

次反比法和克里金(Kriging)插值等。

各插值方法有各自的优势，因地质数据有其特殊的特点,在进行空间数据插值时，不能简单

地套用现成的自动插值方法，必须考虑许多制约因素及相关的地质学原理，选择合适的方法

来模拟,才能形成准确可靠的模型。克里金(Kriging)插值方法是一种求最优线性无偏内插

估计量的方法,它首先考虑了空间属性在空间位置上的变异分布,然后考虑样品的形状、大

小及其与待估区间的空间分布位置等几何特征对每一待估区域赋予一定的系数最后进行加

权平均来估计。

在三角网过于稀疏的地方，生成的表面模型往往会显得很粗糙,难以满足工程上的要求。因

此，对该区域内的点必须进行加密处理。但由于克里金法比较复杂，步骤较多，国内外在建

立地形模型时通常采用趋势面法或距离索反比法。距离尿反比法的主要参数如表1所示。

其待估区域内高程值的估值公式为：

式中,Z(x)为待估点的高程;Z(xi)为已知点的高程;d为第i个点到待估点的距离。

高程点加密后，创建等值线网,生成的地形表面模型如图2。

4.3角面的生成和地层模型的建立

层状地质体模型的建立通常有两种方法,一种是类似地表的方法,通过绘制地层上下两个层

面,然后根据上下层面的边界绘制地层四周的边界，从而建立起一个封闭的实体模型。这种

方法适用于在煤层建模或是地层分界比较明显的岩层中。另一种是剖面重构出三维实体，

这此方法适用于特殊的矿体或岩体。

在剖面间连接三角网时，一般采用最小对角线法则。其基本原理是:设两剖面线一为P,一个

为Q，设P1Q1为两剖面间最近的两个点，则以P1和Q1两点为基点寻找距离最小的对角线

组成三角面。如P1Q2<P2C1,则以三角形P1Q1Q2构成三角面，反之则连接P1P2Q1。然后按

顺序依次生成其它的三角司,如图3所示。这种由随机分布在空间不同位置的数据点连接

起来的三角形,每一个三角形的外接圆都不会覆盖除构成该三角形3个顶点之外的其他任

意点。

这种连法具有以下优点:形成的三角形接近等角三角形,这样可以尽量减少由于数据精度而

导致的问题；可以保证所形成的表面上的每个点都尽量接近已有的样品点；三角网形成与样

品点的处理顺序无关。

地层上下表面模型的建立不同于地表模型。地表可以通过测量获取大量的点数据，能够比

较准确地构出其表面模型,而地层在地表以下，只能通过钻孔获得零散的分界点数据。冬

瓜山矿的地层有以下几个特征：（1）地层形态相对比较简单,呈水平或微倾斜状态,形态比较

规则,在垂直方向上没有较大的变化；（2）地层呈层状分布,不同的地层在空间上按照一定的

顺序叠加；（3）地层在整个区域中分布比较连续。因而在建立冬瓜山矿的地层模型时，可以

通过先创建每•地层的上下表面轮廓界面，然后封闭其边界的方法来创建。这两部分合并

后就构成了一个封闭的实体模型。

该方法的最大优势就是在任意切割剖面时，不会出现重叠和空洞现象。以同样的方法创建

其它地层的三维实体，最终生成的模型如图4所示。

3.4辅助控制线法

基本过程是:将各勘探线剖面按照其实际地理坐标位置载入到三维视图中，然后沿一定的走

向趋势将各剖面线依次相连形成三维线框,在两端将勘探线封闭，从而重构出三维岩体或矿

体（见图5）。该方法应用比较广泛，可用于一般的矿体、特殊的矿体或岩体,尤其在建立矿

体模型时最为常用。

由于实际矿体的复杂性,采用上述自动生成的实体模型不一定符合实际矿体的构造特征（见

图6）,这时在联结实体时就需要对相邻剂面间的联结法则进行人为的控制，添加辅助控制线。

添加辅助控制线的目的就是为了控制三角网的联结过程。这些线与地质线或者构造的相似

性,将实体多边形上结构联系非常紧密的点连在一起（见图7）。

从图6和图7的对比来看,后者更能反映矿体的实际赋存状态,在几何形态上具有良好的匹

配性,其拓扑关系在地质解译中也是更为合理的。

4模型建立的意义

冬瓜山铜矿是我国第一个大型深井矿山，现有的工程揭露己经呈现了地压大、高温、高硫、

有岩爆及自燃、自爆倾向等深部开采的技术条件特征。本文研究的主要意义和作用在于：

(D鉴于我国埋藏在浅部的有色矿床资源已接近枯竭，必将加快向深部的矿床资源的勘探和

开发利用。模型的建立不仅对冬瓜山铜矿床今后的探矿工作有着巨大的指导意义，而且为

我国矿床资源的开采向深部转移也提供了可靠的先进技术，促进传统产业的改造。

(2)模型的建立有助于准确确定工程的布置位置和方式了解巷道周边围岩的力学特性提前

预测围岩的破坏模式，以便进行支护设计,确定支护形式。工程实践表明，该方法是解决冬

瓜山深部开采巷道地压高应力危害较理想的有效措施。

(3)通过三维建模的方法来反映矿床的赋存状态,可为冬瓜山矿的深井开采信息可视化集成

系统(该系统集矿床储量计算、采掘辅助设计、数值模拟计算、岩层控制与岩爆预测和监

控、生产的统计分析于一体)研究提供很好的基础。这也是至今国内外密切关注但尚天解

决的重要问题，解决这些问题将使我国矿业领域的科学技术整体水平上一个新台阶。

5地质体赋存状态的三维速模及应用前景

由于地质体几何形态的复杂性，三维地质体的建模和可视化一直是地学信息化中的一人难

点。本文在深入研究各种复杂地质体建模的基础上,着重阐述了在建模过程中经常碰到但

又十分关键的几个问题，得出以下结论。

(1)三维地质建模是一项非常复杂的工作，不仅需要熟练的软件操作技巧，还必须结合专业

知识和实际工程经验加以