三維地質建模需要什麼數據

A. 地下水三維地質建模的技術流程

（一）三維實體模型構建流程

三維實體模型，也就是三維結構模型，它主要反映各地質體的幾何形狀及空間組合。三維實體模型的構建，需要在收集整理原始數據的基礎上，按照一定的順序編輯製作不同的地質體圖元，即地表、斷層、地層、透鏡體，最後生成符合實際情況的地質體。地質體生成後，就可以進行可視化操作、輸出模型剖切圖、對地質體進行分析研究等工作（圖3—33）。在建模過程中始終要進行質量控制。

在建模區，需要收集和整理的資料已經在地下水三維地質建模數據需求與組織部分做了詳細的介紹，這里不再重復。由於在建模中涉及的數據資料種類不但繁多，如：鑽孔數據、剖面數據、地質平面圖、等值線數據等，而且數據量也十分巨大。因此，進行這些海量數據的分類、整理、更新和管理是一項非常復雜的工作，必須運用資料庫技術才能完成，這就是要建立空間信息資料庫的原因。

圖3—33 地下水三維地質建模技術流程圖

模型構建，首先要設置工區范圍，也就是要讀入用戶定義好的工區邊界數據文件，設置工區高程的范圍，建立模型的顯示工區。接著構建三維地表模型，也就是讀入地表地形等值線或高程離散點數據等，進行三角剖分生成地表網格，地表網格生成後，能夠顯示地表網格的屬性信息。然後導入鑽孔數據和剖面數據，在三維空間中對這些數據進行互動式編輯，生成地層、斷層、透鏡體等各種地質體。將生成的三維地表模型、各種三維地質體模型進行組合疊加，設置好各圖元的屬性及岩性後，地質體三維模型就建立起來了。三維模型生成之後，就可以對模型進行各種可視化操作，如：旋轉、放縮、單面剖切、折線剖切、組合剖切、柵狀剖切、挖掘、漫遊等，方便用戶從各個角度認識模型，以利於後期的分析研究。對於剖切模型後得到的各種剖面圖件，或是利用模型生成的各種平面圖件（如等值線圖、等厚度圖或某一深度處的水平剖切圖）以及利用模型生成的各種三維圖形，可以按比例、所見即所得以及點陣圖等多種形式列印輸出。

在實體模型的構建中，不可避免的會出現各種誤差，包括源誤差、處理誤差和應用誤差等三種類型。

源誤差是指數據採集和錄入中產生的誤差，包括：

（1）遙感數據誤差：由攝影平台，感測器的結構及穩定性，信號數字化，光電轉換，解析度等引起的誤差；

（2）測量數據誤差：由測量人員，儀器，環境等引起的誤差；

（3）屬性記錄誤差：由數據模型化，資料庫操作，屬性數據的錄入等引起的誤差；

（4）制圖誤差：由展繪控制點、編繪、清繪、綜合、制印、套色等引起的誤差；

（5）數字化誤差：紙張變形，比例尺和地圖投影，數字化儀的精度，操作員的技能，采樣點密度等引起的誤差。

處理誤差是指數據錄入後進行數據處理過程中產生的誤差，包括幾何改正、坐標變換和比例尺變換、幾何數據的編輯、屬性數據的編輯、空間分析、圖形化簡（數據壓縮和曲線光滑）、數據格式轉換、地形數據模型化、計算機截斷等造成的誤差。

應用誤差是指數據被使用過程中出現的誤差，包括數據的完備程度、拓撲關系的正確與否等所引起的誤差。

對以上誤差必須進行控制，也就是要進行質量控制，否則，所構建的模型將錯誤太多，不能用於生產實踐。

對於源誤差，可以按照這些誤差的限制標准進行質控制；處理誤差一般都很小，尤其是與源誤差相比幾乎可以忽略不計，其中除了截斷誤差與計算機字長有關外，其餘的處理誤差都是按一定的數學模型進行的，這些誤差也是很好控制的；應用誤差可以用疊置分析的方法進行控制。

（二）屬性模型構建流程

屬性模型是反映地質體內某一類物化屬性特徵值在三維空間中分布情況的立體模型。屬性模型建模的原始數據是動態變化的，隨著數據的更新，所建立的屬性模型也產生變化。

屬性模型是以水文地質層為基本建模單位來建立，在空間分布上將受到水文地質層的制約。兩個水文地質層之間的屬性模型屬於同一個時代，在進行建模時以兩個相鄰層為制約條件劃分等時面。

地質專家和工作人員可以通過可視化手段觀察屬性模型的詳細情況，也可以將三維屬性模型和相應的三維結構模型相結合來考察空間岩性、地下水、地下水污染和物探成果（物性）等屬性的分布情況。

屬性模型建模過程和可視化流程圖如圖3—34所示。

第一步，導入原始數據，包括水文地質剖面、鑽孔和其他方式輸入的屬性數據。

圖3—34 屬性模型建模流程

第二步，如果有剖面數據，對剖面的岩性區域進行三角形剖分，同時確定每個三角形的屬性。

第三步，在屬性分布的趨勢面內建立足夠密的等時面，該等時面代表同一歷史時期屬性的分布情況。

第四步，每個等時面與原始數據求交，保證將原始屬性分配到每個等時面上。

第五步，按照空間分布，將等時面上的屬性信息映射到立方體柵格數據上，作為立方體柵格插值的初始數據。

第六步，根據地質因素分析，判斷屬性模型是否需要沉積相建模，如果需要，則劃分沉積區域並設置橢圓。

第七步，對空間立方體柵格數據進行插值，如果設置了沉積相橢圓，則考慮各項異性插值。

第八步，將帶有屬性信息的柵格數據存儲在伺服器上，以便使用。為了提高速度，在柵格數據量很大的情況下，可以對數據進行分塊存儲。

第九步，利用各種可視化手段對屬性分布情況進行觀察。

第十步，如果用戶獲得了新的數據，系統重復以上步驟自動重新計算，快速地重建模型，原有的數據不用再重新輸入。

B. §三維地質建模的方法體系

三維地質建模是一門高度交叉的學科，不同領域的學者從不同角度對三維地質建模的內涵進行了論述。Houlding(1994)最早提出了三維地學模擬(3D Geoscience Modeling)的概念，從廣義角度對三維地質建模進行了界定，將空間信息管理、地質解譯的圖形處理、空間地質統計、地質體的模擬、地質信息的可視化等統稱為三維地學模擬。Mallet(2002)將地質建模定義為能夠統一模擬地質對象的拓撲、幾何與物理屬性並且能夠考慮多源地質數據的數學方法的集合。

三維地質建模技術是以數字化與可視化手段刻畫地質實際、構建地質模型的工具，一個完整的三維地質模型應該具備以下特徵:

(1)地質模型所表示的地質對象具有明確的幾何形狀與空間位置，並與地質勘探數據吻合，所有幾何元素均以圖形與數字化的形式存在。

(2)具有有效的數據模型，所有幾何元素之間具有完備的拓撲關系。

(3)擁有有效的圖形與屬性資料庫支持，便於圖形與屬性信息的查詢與分析。

(4)地質模型是可視的、直觀的，真實感強。

上述特徵決定了三維地質建模方法所涵蓋的基本內容。三維地質建模方法是若干理論、方法與技術的集合體，主要涉及地質勘探數據的標准化處理、幾何造型、三維空間數據模型、屬性數據管理與圖形可視化等方面。圖1.1為三維地質建模的方法體系。

圖1.1 三維地質建模的方法體系

地質數據來源眾多，可靠程度不一，而且分布不均勻，建模時需要藉助地質方面的知識與經驗進行分析與處理，形成合理有效的信息源。地質勘探數據的標准化處理包括兩方面:一是對地質勘探數據進行系統的地質分析，保證數據的可靠性;二是制定標準的數據格式，對地質信息進行標准化處理。目前，各國學者在這方面的研究較少，還沒有形成統一的方法。

為了方便、簡潔、合理地表達、存儲與管理地質模型，必須建立有效的三維空間數據模型。簡單地說，三維空間數據模型就是指圖形數據的表示與存儲方式以及圖形元素之間的拓撲關系。常用的空間數據模型包括兩類:曲面表示模型與體元表示模型。曲面表示模型是指用曲面的組合來表示地質對象，例如，用地層界面圍成地層實體。目前，常見的曲面表示模型有邊界表示模型、表面模型與線框模型等。體元表示模型就是將地質對象離散成若干六面體、四面體、三稜柱等形式的體元，用體元的組合表示地質體。目前文獻報道較多的體元表示模型包括結構實體幾何模型、規則塊體模型、四面體模型、三稜柱模型、混合體元模型等。

幾何造型是三維地質建模的核心內容，是指根據地質地理數據，利用數學、幾何與地質分析方法重構地質對象的空間幾何形態，並利用點、線、面、體等基本幾何元素及其衍生的幾何元素表示地質對象的過程。例如，地層界面常用不規則三角網表示，建模時可以根據鑽孔數據進行插值運算，計算出三角網格結點的空間坐標，從而得到由空間三角形面片連接而成的地層界面。地質建模中常見的幾何造型方法包括邊界建模方法、線框建模方法、斷面建模方法、映射建模方法、塊段建模方法等。這些方法的思路、過程與實用性有一定的差異，但是，大多數方法都會涉及一些基本內容，如三角剖分與優化、插值計算、曲面細分與優化、曲面曲線求交、環與塊體搜索、空間體元剖分等。

圖形可視化就是在計算機屏幕上繪制出地質模型，利用材質、顏色與光照等手段實現真實感成像。屬性數據管理是指建立屬性資料庫，存儲與管理地質對象的物性參數，如地層名稱、岩性、力學參數等。在地質建模中，圖形可視化與資料庫技術與其他領域的相關內容類似，沒有明顯的特別之處，因此，本書不再詳細介紹相關內容。

C. 城市地質三維建模的數據需求與數據組織

城市地下地質空間勘探研究不僅包括淺部的工程建設層，還應包括中部、深部地層。相對於其他地質勘察項目而言，城市地質勘察尤其是中心城區的地質勘察程度較高、資料較豐富，既有大量可精確描述地層的鑽孔數據，又有大量根據鑽孔和物探數據解釋得到的剖面圖、地層平面分布圖、地質構造圖等人工解釋數據，這些數據表達地質空間信息各有特點，又都不同程度地存在表達三維信息的局限性和不完整性，如何充分利用各種數據的特點，通過數據耦合的方式建立城市地下地質空間三維地質模型是建設城市地下地質空間信息系統建設的關鍵。

（一）基礎地理空間數據

這類數據主要包括地理底圖（地形圖）和遙感影像，地理底圖主要用於鑽孔點位、三維模型和基礎地理空間信息的疊加定位，遙感影像則作為地表紋理數據疊加在地形模型上。地理底圖類數據要求為GIS矢量數據格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件），這類數據一般按照水平分幅、垂向分圖層的方式進行組織，如圖3—1所示。遙感影像數據一般為JPG、TIFF格式，需要包含用於校正的控制點信息。

圖3—1 海量底圖邏輯結構圖

（二）鑽孔類數據

城市三維地質建模中最常見的一類建模數據就是鑽孔數據。工程鑽探法是獲取地下三維空間信息的重要方法，通過鑽孔可以直接獲取詳細的岩土層分布狀況，取得的岩芯（土樣）還可以進行相應的室內試驗獲得其物理力學指標。鑽孔資料因其直觀、准確、詳細的特性在三維地層模擬中具有至關重要的意義，根據鑽孔數據構建三維地層實體模型一直是國內外三維地質建模領域研究的熱點，並取得了一定的研究成果。

鑽孔基本資料表，鑽孔土層描述表，整體（標准）地層描述表是基於鑽孔進行三維地質建模所必需的幾個核心表，三個表所含有的建模必要欄位、名稱可以不與下述表的欄位名稱相同，但所代表的意義一定要相同。

1.鑽孔的基本資料表（表3—6）

表3—6 鑽孔基本資料表

說明：①日期型數據要統一格式；②孔口標高X，Y最好為國家坐標系；③其中1，6，9，10，11 項為三維建模必需項。

2.鑽孔的土層描述表（表3—7）

表3—7 鑽孔土層描述表

說明：①分層序號為同一鑽孔內不同土層的順序號；②其中1，2，3，4，7項為三維建模必需項。

3.全局地層描述表（表3—8）

表3—8 全局地層描述表

說明：①1，2，11欄位為三維建模必需項；②說明欄位「地層名稱」和其他表中的欄位「土質類型」是一致的。

全局地層描述表實際上就是一個「基本地層層序表」，其形成規則是：按照地層沉積順序和形成年代，結合岩土體物理力學指標數據，自上而下按照由新至老的順序進行排列。在形成此基本層序表的過程中，可能會出現地層順序無法排列的情況，這需要結合工程勘察人員的經驗，按照地層疊覆律進行確定。簡單地說，地層層序要求建模區域內所有的地層都被自上而下的排序，並且在各個鑽孔中的順序都不變。

事實上，地層層序並不見得對所有的鑽孔都合適。由於地層尖滅，透鏡體等存在於局部區域，特定的地層可能只在一部分區域連續，而在其他地方被另外的地層切割。採用「全局地層層序」的概念能夠容易的表達這些復雜的地質現象。

下面是關於「全局地層層序」必須滿足的一些基本規則：

（1）如果在一個鑽孔中，地層A在地層B的上面，則在「全局地層層序」中，A在B的上面。

（2）如果在鑽孔1中地層A在地層B的上面，而在鑽孔2中地層B又在地層A的上面，則：

①在地層層序中至少有3個地層；

②必須使用其他的鑽孔來確定地層層序。

（3）「全局地層層序」中地層的數目不少於：

各個鑽孔的地層數目的最大值+在該鑽孔（即具有最大鑽孔數目的鑽孔）中不存在的所有地層的數目。

4.其他數據表

包括土試數據表等不是三維地質（結構）建模所必須，在此省略。

（三）平面地質圖類數據

1.一般格式

要充分利用平面地質圖所蘊涵的地質構造信息來建立三維地質結構模型，需要首先將現有的紙質圖件數字化為電子圖件或者將原有的電子圖件轉化為建模系統能夠識別的電子圖件格式，如下：

（1）平面地質圖採用GIS圖形數據格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件）進行存儲，可利用GIS圖形編輯模塊進行查看、編輯、修改等操作。

（2）一個地質平面圖可用一個工程文件（如MAPGIS *.mpj）來存儲。這個工程文件須記錄完整的平面圖信息，如坐標系類型、投影參數、比例尺等。

（3）每一個工程文件（如MAPGIS*.mpj）由以下文件組成（其中第一個是必須有的）：

①區文件記錄原地質平面圖中的地質單元分區信息。主要屬性欄位有：ID，面積，周長，區域類型，地層編號，備注。

②弧段屬性結構，記錄地質單元分區中的線屬性。主要屬性欄位有：ID，長度，弧段類型，斷層編號，盤類型等。

③*.wt：圖上必要的標注信息。

④另外，如果有其他內容需要記錄下來，可另在工程文件中附加其他點、線、面文件。

2.等值線格式

有些平面地質圖含有等高線信息（如地層埋深等值線），這些等值線對建模有同樣的重要意義，需要將等值線信息進行標准化，記錄下等高線類型、數值等信息。

等值線數據可採用GIS工程文件格式（如MAPGIS *.Mpj）組織，也可以採用單獨的點、線文件格式（如MAPGIS *.wt、*.wl）組織。但無論採用何種組織方式其包含的三維地質建模基本信息如下表所示：

（1）頂、底板埋深等值線文件（結構建模）格式。地層頂、底板埋深等值線文件屬性結構如表3—9所示。

表3—9 地層頂、底板埋深等值線文件屬性結構

（2）等厚度線文件（結構建模）。地層等厚度線文件屬性結構如表3—10所示。

表3—10 地層等厚度線文件屬性結構

（3）高程點文件（結構建模）。高程點文件屬性結構如表3—11所示。

表3—11 高程點文件屬性結構

（四）地質剖面類數據

每個地質剖面採用一個GIS工程文件（如MAPGIS *.mpj）來存儲，地質剖面數據採用GIS圖形數據格式（如MAPGIS*.wt，*.wl，*.wp）分圖層進行存儲，可利用基於GIS圖形編輯功能開發的「地質剖面編輯器」查看、編輯、修改剖面圖。

在地質剖面輸入與標准化處理時，採用以剖面起始點、終止點、拐點為地質剖面空間形態表示核心數據，輪廓區域作為三維地質結構建模核心數據。對於每個剖面工程文件，主要記錄以下圖形和屬性信息：

1.定位點文件（必備）

剖面定位點文件要在剖面上標識出剖面起點（X0，Y0）、終點（Xn-1，Yn-1）剖面所經過的中間點（Xi，Yi）。由於剖面圖在垂直方向上沒有轉折，另外用戶還要輸入兩個以上高程式控制制點Hj和Hj+1，這樣系統就可以自動計算剖面的水平、垂直比例尺及剖面實際空間位置，如圖3—2所示。

圖3—2 剖面定位點標識示意圖

定位點屬性結構如表3—12所示。

表3—12 定位點屬性結構

2.地層區文件（結構建模）

地層區文件中既要定義每個區的屬性結構還要定義構成區的弧段的屬性結構（表3—13，表3—14）。

表3—13 地層區文件區屬性結構

表3—14 地層區文件弧段屬性結構

3.地層線文件（結構建模）

地層線文件屬性結構同地層區弧段屬性結構。

4.鑽孔線文件（鑽孔建模必備）

鑽孔線文件屬性結構如表3—15所示。

表3—15 鑽孔線文件屬性結構

5.斷層線文件（斷層建模必備）

斷層線文件是進行基於剖面的斷層建模所必需的數據，其屬性結構如表3—16所示。

表3—16 鑽孔線文件屬性結構

（五）地質空間數據的規范化和歸一化

城市地質空間基礎數據，數據層面多，來源不同，採集於不同時期，數據類型亦不同（地理底圖、遙感影像、地質圖、鑽孔等），即是都是地圖數據，其投影方式、坐標體系、地圖單位等參數也不一定完全一致，進行三維地質建模前除按照上述數據需求准備數據外，按照一定的標准對系統數據進行規范化處理是非常有必要的。所謂數據的規范化處理是指按照國家標准、行業標准、地方標准或系統建設標准對數字化後的地質資料分類進行數據的預處理、概括處理等。

1.數據預處理

坐標配准：將各層次數據的空間坐標體系都轉換成統一的坐標系（如城市坐標），地圖單位也要統一（如以米為單位）；投影規一化：用GIS的投影轉換功能把各數據層轉換成統一的投影方式；遙感影像矢量化：遙感數據必須經過矢量處理、加註屬性、建立空間拓撲關系後使用；確定統一邊界：對研究區域確定統一的標准邊界，用疊加和切邊操作使各數據層的邊界完全一致。

2.三維建模數據的概化處理

在所有的數據規范化處理工作中最關鍵的也是最具挑戰性的工作是地層、鑽孔、剖面、構造地質圖等三維地質資料的概化解釋工作。也就是要建立三維地質模型，再通過必要的渲染和可視化表達分析手段模擬城市地下地質空間的狀況。城市三維地質建模主要使用兩類數據：一類是反映地表變化情況的基礎地理數據，如地理底圖、DEM數據、遙感影像數據，這類數據對三維地質模型只起空間定位、地形約束、修飾作用；另一類是映地下地質結構變化情況的地質勘探解釋數據，如鑽孔、剖面、地質圖等，進行三維地質建模時需要使用這類數據精確確定地層、斷層等點狀、線狀、面狀及體狀的地質構造信息，這類數據是進行三維地質建模的關鍵數據。由於三維地質模型的確定性和拓撲嚴格性，相應地也要求這類數據必須具有嚴格的、確定的幾何和拓撲一致性。

考慮到項目搜集到的鑽孔數據多來自於不同時期、不同項目的成果，由於當時勘探目標、所依賴的標准不同，甚至因不同人的認識不一樣，導致對同一區域或相近區域地質現象解釋的詳細程度和劃分結果不一樣，甚至差別非常大或是自相矛盾，這對於強調全市范圍內應用的城市地質調查成果表達和三維地質建模來說是無法接受的。基於不同勘探資料解釋得到的剖面圖、地質圖也存在同樣的問題，且由於編制這些圖的原始目的主要是進行成果的表現，制圖人員多是從制圖的角度考慮如何修飾、如何好看，並沒有過多考慮圖面上地質元素的拓撲、幾何的嚴格和一致性，而這些都是進行三維地質建模所必需的。

鑒於上述原因，系統建設過程中需要結合三維地質建模對數據精度和一致性的要求，按一定的規則對原始鑽孔、剖面、地質圖進行概化處理，使得這些反映垂向地質結構的數據逐步變得有序化，為進一步自動或半自動生成三維地質模型奠定基礎。

上述工作主要藉助現成的GIS工具（如MAPGIS等）軟體或其他工具軟體完成結合專業人員知識經驗完成。

D. 地質體三維建模方法及流程

以建立的綜合地質資料庫作為數據基礎，並綜合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 軟體各自的優點來進行地質信息三專維可視化屬建模，主要工作內容包括：(1)地質建模數據（Geodatabase）的導入；(2)剖面地質界線圈定；(3)地質體線框模型建立；(4)地質體塊體模 型建立。

通過綜合地質資料庫的建立，將繁雜的各類地質數據進行了分類並利用關系資料庫進 行了存儲與管理（見第2章）。因此，進行地質體三維建模是從綜合地質資料庫中導入各 類地質建模數據並採用 Vulcan 和Datamine 軟體來進行地質體三維建模，並在不同的地質 剖面上對各類地質體界線進行圈定，並最終形成各類地質體的線框模型和塊體模型。其具 體流程如圖4.1所示。

E. 地下水三維地質建模的數據需求與數據組織

地下水三維地質模型的生成和維護需要大量的基礎水文地質數據信息的支持，這些數據信息主要是反映含水系統的特徵：如地貌、地層、斷裂、褶皺等，和流動系統的特徵：如地下水水位、水量、開采量等。針對這些數據信息建立地下水三維地質模型的基礎資料庫，並提供這些數據信息的維護與管理機制，實現地下水系統三維結構的動態更新和實時服務。

（一）地下水三維地質建模所需數據類型

在地下水三維地質建模中，會涉及的地質現象主要有：地貌（或地形）、地層、褶皺、斷裂、透鏡體及侵入體等，為刻畫這些地質現象，就需要用到地表數字高程模型數據（DEM）、遙感影像數據、地理信息數據、鑽孔數據及剖面數據等。具體來說，為刻畫三維模型中的各種地質現象，需要的相關數據包括以下幾種：

1.地表數字高程模型（DEM）數據

地表數字高程模型數據用於生成三維地質結構模型頂面（地表面），此部分數據可以從測繪主管部門獲取或向國家測繪局基礎地理信息中心購買，從基礎地理信息中心購買的數據屬於標准數據，數據以ARCINFO數據格式存放。DEM數據比例尺有多種，其中，全國的1：25萬資料庫在空間上包含816幅地形圖數據，覆蓋整個國土范圍，國外部分沿國界外延25公里採集數據。地貌統一在TERLK層中存放，包括等高線、等深線、沖溝等，DEM等高線的等高距，在全國范圍內共分40m、50m、100m三種，使用時可參照等分布圖確定。對於標准數據，可以根據需要進行數據格式轉換、比例變換、投影變換等多種處理。

另外，如果不能獲取現成的DEM數據，也可以自己使用專門的地理信息系統軟體用地形圖生產。即把紙質地形圖數字化及幾何糾正校準，然後進行高程信息的提取——對等高線進行屏幕矢量跟蹤並對等高線標賦高程值，同時編輯、檢查、拼接以生成各種拓撲關系，最後用軟體進行內插值、裁剪生成DEM數據。

2.遙感影像數據

遙感影像是地球空間數據最直接、時效性最強的數據形式，模型的表面需要用影像數據進行貼圖，來表達真實的地表景觀。由於影像數據的容量大，為了能夠快速、高質量地進行顯示，需要根據顯示的范圍、顯示的比例選擇解析度最合適的影像進行紋理映射。一個模型可以有不同解析度的多套衛星/航測影像數據，某些影像數據有可能只局限於某個局部。因此，在顯示時，所有的影像數據都需要讀入內存，以實現多分辨顯示。這就需要在技術上做一些處理，比如圖像格式的轉換，根據顯示解析度和比例的不同，轉換為不同解析度的圖像如BMP、TIFF、GIF等圖像格式。

對遙感影像數據的處理主要包括對遙感影像的幾何精糾正和不同解析度影像數據的融合。一般使用遙感處理軟體ERDAS和ENVI軟體進行處理。遙感影像幾何精糾正的目的是對圖像地物象元進行坐標匹備，經過轉換運算和重采樣，使得遙感影像帶上地圖投影和地理坐標進行配准。遙感影像數據融合是將多波段低解析度影像數據的光譜信息與單波段高解析度影像數據的解析度信息進行融合，以獲取在盡量不減少光譜信息的基礎上，提高遙感影像的空間解析度。

一個地表衛星/航測影像數據是一幅圖像和一些坐標配准參數。對於具體的影像圖片，要根據高程數據和相關軟體進行集成融合，精度匹配，即解決投影變換、比例縮放、范圍裁減、坐標匹配等問題。為此，在專門的資料庫中應記錄不同解析度、不同區域的影像數據。

3.地表地理信息數據

地表地理信息數據，可以根據專業要求在三維模型的表面進行各種圖元的標注，不僅可以繪制點、線、區的圖元，而且可以標注文字及圖形圖像，來表達與模型地表幾何模型有關的屬性信息，如河流、鐵路、公路、湖泊、城市、政區、居民地、鐵路、公路、水系、土地覆蓋等信息，並且可以簡單管理這些信息。這些數據可以是野外採集而來，也可由專用GIS系統數據轉換而來。這些圖元信息要在模型頂面展現。

4.鑽孔數據

鑽孔數據是地質技術人員在野外鑽探現場記錄並整理的第一手技術資料，它對於模型的生成起直接或間接校正的作用，鑽孔數據一般在EXCEL表或ACCESS資料庫中存放。存放於EXCEL表的鑽孔數據，一般是區域數據，數據量不大，鑽孔信息分存於不同的表單中；存放於ACCESSS資料庫中的鑽孔數據，一般數據量大，為某一區域或區塊的鑽探數據。鑽孔數據從ACCESS資料庫中讀入後，並不是直接應用，還需要進行人工或系統按照一定規則進行概化處理，才能參與建模，在進行模型編輯生成時，還可以根據這些數據將鑽孔軌跡以圖形方式顯示在屏幕上。

不論是以EXCEL表還是ACCESS資料庫存儲的鑽孔數據信息，它必須包含以下幾種基本信息：鑽孔編號、地理位置、孔口標高、終孔深度、分層信息及岩性等。其中，鑽孔編號欄位類型為字元型，用於唯一標識一個鑽孔，方便鑽孔對象的查找和數據的訪問；地理位置信息是為了記錄鑽孔所處的空間位置，它包含兩個欄位類型，均為浮點型數據，若為經緯度形式的，則一個欄位記錄經度，另一欄位記錄緯度，若為大地坐標形式的，則一個欄位記錄X坐標，另一欄位記錄Y坐標；孔口標高用於記錄鑽孔起始位置，欄位類型為浮點型；終孔深度欄位類型為浮點型，用於記錄鑽孔在垂向上的長度；分層信息欄位類型為浮點型，用於記錄鑽孔所經過地層的分層情況（一般記錄各分層的頂界面標高）；岩性欄位類型為字元型，主要用於描述各個層位的岩性。

5.地質平面數據

地質平面數據即地質平面圖，它主要反映各地層在地表出露的情況，對於控制三維模型中地層在地表的分布狀況起著至關重要的作用。在各種GIS軟體中存放的數字形式的地質平面圖中，要求對於剝蝕線數據或地層出露線數據賦予高程屬性，否則無法在三維空間中定位這些線信息。

6.剖面數據

剖面是地質專業人員根據工作要求，依據鑽孔信息繪出的地層斷面圖，需要說明的是，剖面圖也許不是地質情況的真實反映，但它包含著技術人員的推理和經驗，可以說是地層情況最接近真實的反映。

剖面圖的存放格式，由於各技術隊伍作圖採用軟體不同，圖形存放的文件格式也不盡相同，主要有MAPGIS圖形數據格式和AUTOCAD圖形數據格式，地下水三維地質建模系統的數據輸入可留出這兩種圖形文件數據介面。具體地說，若是MAPGIS圖形格式，採用把圖形數據轉換成MAPGIS明碼文件文本數據格式，再讀入系統進行復原即可；若是AU-TOCAD圖形數據格式，可把DWG圖形文件格式轉換成DXF標准圖形文件格式，讀入系統即可。還可把MAPGIS和AUTOCAD兩種圖形文件混合輸入，例如需在剖面圖上添加岩性顏色，即可在MAPGIS中調用剖面，做岩性顏色區文件，再輸出MAPGIS明碼文件，可很好地解決剖面圖剖面數據輸入問題。對於三維建模系統來說，這種方式可很好地解決地下各含水層的表達問題。

在剖面數據中必須包含橫向比例尺、縱向比例尺、圖例等信息，方便系統對不同來源的剖面數據進行轉換。

7.地層等值線數據

地層等值線數據是根據鑽孔資料、物探資料等，由專業技術人員繪制出的，反映地層界面在空間中的變化情況。由於鑽孔只能反映一個點上的信息，剖面只能反映一條線上的信息，而地層等值線數據可以表達一個面的信息，因此等值線數據對於精確建立各個地層面位置及幾何形態具有很大的幫助作用。

在GIS軟體存放地層等值線數據，需要在其屬性中賦上每條等值線代表的高程（或厚度、埋深等）數值。

8.斷層數據

斷層是地質構造的產物，表示地層的斷裂和錯動，它對於地質研究、地質資源勘探、地下水流場分布都有重要的意義，另外，斷層在地質建模中對於地質體的生成、工區邊界的確定起重要的作用，因此，逼真地刻畫斷層對於地質建模來說，是一項重要的工作。

斷層作為刻畫地下水系統模型空間面的一種數據類型，在建模過程中需要明確：斷層面的空間展布，斷層不同點的產狀，斷層的水理性質。

斷層數據主要是以圖形的方式輸入，然後用來建模的。平面上斷層的表達方法有兩種，一種是在平面圖上繪制斷層走向及標注傾角，如平面圖或地質圖；另一種是在剖面圖上繪制斷層線。結合這兩種圖件，斷層在空間的展布情況就會一目瞭然，斷層產狀可由系統讀取資料庫數據或人工給定。斷層的水理性質對於後期地下水模擬計算是必須的，可存放在資料庫中或直接存放於模型斷層屬性中。

9.物探數據

物探技術在地質勘探中具有重要作用，勘探方法主要有地震、電法、磁法、重力等，從物探數據中可得到：點位資料、層位劃分及其屬性。在地下水系統建模中，物探數據和鑽孔數據具有相同的作用，根據物性的差異提供含水層的劃分情況，表達地層具有相同的物理力學參數或位置，如地下含水層頂板、底板、地下水位等值線信息。使用這些等值線數據，建模系統可以插值擬和地層面或斷層面。

10.動態數據

動態數據是監測到的地下水位、水質、水溫等波動過程的信息，這種波動不同程度地反映了河流徑流在時空上分布的特徵。影響地下水變動的主要因素是河川徑流、蒸發蒸騰和人類的灌溉過程。隨著大批水利工程的建設和井灌的發展，人類活動對地下水動態過程的干擾逐漸加劇。因此，利用地下水位監測數據，或系統模擬分析某時刻的水位數據，生成指定含水層指定時刻的地下水流場圖。建立地下水水位變化模型，實現地下水移動的動態模擬。在地下水三維地質建模過程中，需建立專門的資料庫存放此類數據。

11.相關文檔資料

文檔資料為建模區的勘探、科研報告，包括各種項目匯報書、區域水文地質普查報告、專題研究報告等。這些資料為模型的建立具有重要的參考價值。

（二）數據概化預處理

建立地下水三維可視化模型所需要的數據資料既有原始數據資料，又有模型所生成的次生數據。原始數據可分為地表數據和地下數據。地表數據主要為衛星影像和地表地理信息數據，地下數據有鑽孔、剖面等反映地質結構的圖文數據。由模型生成的次生數據或圖形主要有地層、斷層、地層體區塊等。

如此多的數據，直接用來建模，不但會使計算機內存負荷過大，同時也使得對象的空間拓撲關系難以建立，因此有必要進行數據概化處理。需要概化處理的數據有鑽孔數據、剖面數據等，對這些數據按一定的規則進行概化，使得這些反映垂向結構的數據逐步變得有序化，為進一步自動生成地下水系統三維結構奠定基礎。

1.地層概化的原則

由於地質結構的復雜性，幾何特徵千變萬化，規則的幾何現狀不可能描述現實的地質體形狀，但地質體的變化又不是完全毫無規律可尋，因此，按一定的原則進行地質體的概化處理符合地質行業習慣，又滿足地質建模的要求。

一般的地層概化由地質人員按一定的地質要求對地質體進行歸類合並處理，如按同一地質時代，或地質體的物理力學性質進行概化處理。

與技術人員直接指定地層方法對應的是由計算機自動進行地層概化處理，即按一定的尺度判別地質體的分層方法，給出一定的尺度，當某層的最大層厚小於標准尺度時，不考慮該層，並將該層合並到它的上層或下層；當某層的最大層厚大於標准尺度時，考慮該層，然後按概化分層標准計算機自動進行分層處理，並提供按顏色、紋理、顯示概化的地層。

上述的方法固然簡單，但對於不同的地質專業，建模則具有各自專業的要求和特點，有些層對於模型的規模來說可能是很小的，可以忽略的層，但從專業角度來講具有顯著的影響，必須考慮該層的存在。如在石油地質建模中，需要對含油構造的細小砂層進行詳細的刻畫與描述；在工程地質建模中，需注重軟弱夾層和軟弱下卧層及結構面的描述；在水文地質建模中，需要描述含水地層的地質結構，即含水層頂板、底板、地層透鏡體等與地下水有關的地質結構的描述。這就必然要考慮到這些關鍵層的概化要求。

2.鑽孔概化預處理

原始鑽孔數據給出了鑽孔上各個點的岩性，相鄰的點之間是鑽孔的一個小段。對鑽孔數據預處理的目的是要將岩性相同或相近的小段合並，將一個鑽孔中的許多小段概括為幾個大的段，每個大段對應一個地質體，每個地質體中的岩性基本相同。這個過程稱為鑽孔概化。

在鑽孔概化處理時，採用人工處理方式，需要注意：

（1）鑽孔原始屬性（岩性）數據在鑽孔上的分布情況。

（2）已經完成的分層情況。

（3）相鄰鑽孔分層點之間的對應情況。

（4）鑽孔分層對地質結構模型的影響。

概化完成後的鑽孔數據段與段之間具有對應關系——屬於同一個地質體的段之間具有對應關系。為了生成三維地質模型，可以對每個地質體進行命名，並將地質體名稱記錄在段中。這樣，就可以描述出不同鑽孔的段與段之間的對應關系了。

3.剖面與斷層的概化處理

剖面是地質技術人員對地質構造的直觀解釋，它對水文地質建模建模起著舉足輕重的作用。大區域內的少量鑽孔只能起到輔助建模的作用，建模中更多的是使用剖面。因此，就必須對剖面進行深入地分析。圖3—3插入兩張剖面用作對比分析。

圖3—3 原始剖面與建模剖面

從圖3—3（a）中可看出，剖面上地質結構復雜，層與層關系不清晰，斷層過多過細，透鏡體小而多，局部地層出現犬牙交錯的狀態，這種剖面對地質構造的精細刻畫對於地質專業人員來說，比較能夠很好地理解。但對於地質建模來說，它突出的是整體性，大尺度、規率性的模型，過度的精細與專業化反而使技術人員無所適從。因此，需要對原有的剖面進行概化處理。

在概化過程中，需要明確大的地層關系，如時代岩組、一定量厚的地層等，細小的地層或透鏡體歸類到大地層當中，細小的斷層可忽略不計，對犬牙交錯的地層進行概化或模糊性處理。經過這樣概化處理的剖面地層主輔突出、斷層清晰明確、既反映了地質構造、又注重細節的刻畫，適合於建模工作的開展。如圖3—3（b）所示。

對剖面的處理，不光要概化處理地層與斷層情況，還要注意剖面的縱橫比例，從全局來考慮，要使模型的范圍大小與地層深度達到一個合適的比值，如果模型太扁平，則需要修改剖面的縱向比例，使剖面在深度方向上更長一些，從而使構建的模型相對美觀一些。

F. 三維地質建模

是兩種不同的概抄念，但也有聯襲系。
狹義來講，三維地質建模是利用可靠的地質資料，運用空間插值、幾何重建、計算機圖形圖像等技術方法，還原地質對象實體或屬性的空間分布特徵的技術方法和工作過程。
地質數據三維可視化是指利用三維可視化技術，展示地質數據本身的時空特徵。
從字面上來看，三維地質建模強調了推測，重視推理和分析，重視地質專家的經驗和知識的參與，三維模型只是分析結果的展示手段；而地質數據三維可視化，強調的的利用三維可視化方法，還原地質對象原本的三維空間特徵。
廣義來講，三維地質建模是地質數據三維可視化的一種手段。國內，這兩個概念沒有人搞清楚，就算是地質行業的專家也是模稜兩可。科研領域對三維地質建模的研究或局限在網格構建演算法方面，或局限在地質構造的幾何結構描述方面，三維可視化普遍被認為是沒有技術含量的軟體方法而已。

G. 地質三維建模一般用什麼軟體

我們單位用的是理正勘察三維地質軟體，您可以了解，我們用鑽孔、縱斷面圖、剖面圖來做三維工程地質模型。而且可以從工程地質勘察軟體直接導入地質數據。

H. 三維地質建模的實際意義

要對地下水進行管理、規劃，就必須查明水文地質條件，也就是要對地下水及其賦存的地質結構有清晰的認識。在水文地質領域中，研究對象都具有空間特徵，地下水及其賦存介質埋藏於地面以下，對地下水運動規律只能依靠水文地質勘察資料和水位動態資料來揭示。而這些資料一般都是以平面圖、剖面圖及表格形式提供的，它們所反映的數據是離散的，有局限性的，在三維空間中研究這些數據時，其拓撲關系還難以考慮清楚；同時，由於地質空間分布的復雜性、模糊性與不確定性，在僅僅具有鑽孔或少量的地質離散點信息的地區上，技術人員則很難得到直觀有效的地質信息。也就是說，水文地質工作者必須對這些紛雜的數據信息進行仔細的分析理解，才能洞察研究對象的本質，獲得對研究對象的認識和理解，但這是一個十分費時而繁瑣的過程，對他們來說是一種沉重的負擔。

如果能將地下水及其賦存介質進行三維可視化表達，構建出其實體模型，則將有力地支持水文地質工作者對地下水運動規律的認識，同時，也為地下水的合理開采及其開采過程中的地質環境保護提供決策支持。

基於以上認識，需要我們建立一種權威的、不斷更新的、區域性的、具有傳承性的地下水地質結構三維可視化模型，這個模型建立的初期可能是粗糙甚至是有錯誤的。但隨著專業人員對地質結構認識的不斷深化和勘探精度的提高，這個模型會逐漸准確直至完全正確。計算機技術發展到今天，已經為我們提供了建立這樣真三維地質模型的技術條件。

利用計算機圖形學及可視化技術，可將二維抽象的地質信息以三維可視化的圖形效果直觀形象地表達出來，建立逼真的空間立體地質模型，並任意剖切地質體、對地質體進行三維交互信息查詢等。這樣可更高效地描述各種地質信息，如特定區域岩性，某一區域地層的厚度等；直觀有效地表達各種地質現象間的拓撲關系，如地層的接觸方式等，從而迅速提高專業技術人員對地質現象的認識，提高工作效率，發揮地質資料的最大價值。同時，在三維地質模型的建立中，還會生成一系列的三角網格數據，這為後續的地下水數值模擬奠定了基礎。也就是說，三維地質建模還能將水文地質工作者從繁瑣的網格剖分中解放出來。

建立地下水三維地質可視化模型，不但減輕了水文地質工作者的任務，方便他們進行專業領域知識的討論、傳播和發展，而且，這樣的模型還能將專業領域復雜的、抽象的或專業性過強的成果及結論用簡潔的、直觀的、易於被廣泛接受的方法和形式表現出來，它還將有助於不同領域間方便、正確地進行知識交流，有助於決策者做出正確判斷。

I. 地質建模數據構建與可視化

為建立地質體的三維模型，須預先准備好建模用的各種地質原始數據，如地形數據、勘探工程數據、編錄數據、化驗數據、地質圖件數據等。將這些專用於地質建模的數據按照一定的邏輯結構進行組織，並導入到三維地質建模軟體中，統稱為地質建模數據 ( geodatabase) 。三維地質建模軟體提供地質建模數據的管理與三維可視化顯示功能。

為得到鳳凰山礦田的地質建模數據，課題組進行了下述工作: ①相關原始資料的收集與整理; ②地質圖件的矢量化; ③綜合地質資料庫建立; ④地質建模數據的提取與導入。實際收集的主要原始資料包括: 鳳凰山礦田葯園山礦床、寶山陶礦床、仙人沖礦床、鐵山頭礦床的各種區域地質、地質勘探與儲量成果報告; 鑽孔、坑道等單項工程原始資料; 地質綜合與找礦研究資料; 物化探報告與原始數據資料; 葯園山礦床生產探礦資料等。最終匯總導入到三維地質建模軟體 Datamine Studio 中的鳳凰山礦田地質數據包括: 勘探工程數據、勘探線數據、DTM 數據。

勘探工程數據包括開孔數據表 ( collar) 、測斜數據表 ( survey) 、地質編錄數據表( geology) 、樣品分析數據表 ( sample) 。這些數據表通過孔號進行關聯，其 E-R 模型如圖 11 －2 所示，表結構如表 11 －1 ～11 －4 所示。

表11－1 開孔數據表 ( collar)

表11－2 測斜數據表 ( survey)

圖11－2 地質勘探工程數據 E-R 模型

表11－3 編錄數據表 ( geology)

表11－4 樣品數據表 ( sample)

按照上述表結構存儲的勘探工程數據可直接導入 Datamine 工程，導入的數據經檢查無誤後，利用軟體的鑽孔視圖顯示、圖例生成和注記修飾就可以顯示出上述數據描述的全部單項工程，可從不同角度對單項工程的視圖進行觀察 ( 圖 11 －3) 。

對於地表地質填圖數據，也可採用上述勘探工程數據模型表達 ( 圖 11 －4) : ①按需要設計虛擬勘探線; ②利用自編的數字化軟體沿虛擬勘探線對鳳凰山礦田綜合地質圖進行虛擬單項工程的開孔數據、測斜數據、地質編錄數據的提取與存儲; ③導入虛擬單項工程數據到建模軟體並進行可視化。

圖11－3 鳳凰山礦田葯園山礦床勘探線及單項工程側視圖

圖11－4 鳳凰山礦田勘探線及虛擬單項工程俯視圖

J. 礦區三維地質建模的數據需求與數據組織

礦區三維地質建模的主要目標是根據收集的原始數據如鑽孔數據和分析解釋數據如地質師根據地質知識建立的地質剖面圖，在三維地質建模軟體支持下，建立三維地質模型，估算資源量，為礦山的設計與開發服務。

（一）數據需求

可用於礦區三維地質建模的數據資料主要有：

（1）按生產階段可分為前期地質勘探資料和後期生產探礦資料；

（2）按數據形式可分為圖形數據和屬性數據；

（3）按數據來源可分為地質資料、勘探工程資料、物探資料及化探資料。

其中，地質資料主要指地質隊提供的地質報告及相關附件；物探資料和化探資料指採用物化探方法所獲得的各種成果數據及圖件；勘探工程資料主要包括①鑽孔或坑道開孔（坑）坐標、方位、傾角（或坡角）等工程空間位置數據；②鑽孔或坑道所揭露的岩層的岩性及產狀、構造的性質、礦化帶或礦體的特徵；③樣品分析數據；④各種圖件（鑽孔柱狀圖、坑道編錄圖、采樣位置圖、工程布置圖、中段圖等）。

資料收集時，盡量一次性將所需資料收集齊全，以便對資料的全面分析，從而確保初始模型的准確性。同時還要隨著礦山的開發，不斷地收集補充新的資料，使所建模型日臻完善和准確。

從礦山或地質隊收集來的資料大部分是文本形式的，並且往往是重復雜亂的，很不規范。因此，要遵循三維資料庫所特定的格式，首先對這些資料進行數字化和系統整理。資料整理的一般步驟如下：

（1）資料分類 按重要程度對資料進行分類，優先整理重要的部分；

（2）數據錄入 將重要資料中的文字和數據錄入電腦，並掃描或數字化相關圖件；

（3）數據校對 原始資料錄入以後，一定要進行全面校對，查漏補缺，並修正自相矛盾的地方，以保證數據資料的准確性，為下一步工作奠定良好的基礎。

具體來講，建立礦區三維地質模型，需要收集如下資料：

（1）探礦工程（鑽、槽、井、坑等）相關成果數據；

（2）礦區地形地質圖；

（3）勘探線剖面圖；

（4）其他相關數據，如工業指標、體重、斷層、礦相分界線等。

（二）數據組織

1.探礦工程相關成果的數據組織

地質數據一般可通過如下方式獲得：

（1）鑽探——通過鑽孔，來獲取基本岩性與取樣分析數據；

（2）坑探——坑道取樣數據；

（3）槽探——刻槽取樣數據。

其描述地質信息的基本形式見表3—1。

表3—1 地質數據描述表

說明：①工程號用來確定工程的代號如鑽孔號；②工程起點坐標描述工程的起點坐標；③測斜數據描述工程的軌跡線。

不管是鑽探、坑探還是槽探，都可以認為是從一個起點，順著工程的方向，從…到…來描述工程，只要給定工程的開口坐標和軌跡線（測斜數據），就可以在三維空間，確定某段岩石的品位、岩性、坐標等情況。

在礦區三維地質建模中，為了管理方便，將表3-1分為工程坐標表（表3-2）、測斜表（表3-3）、岩性表（表3-4）與化驗表（表3-5）。

表3—2 工程坐標表

表3—3 測斜表

表3—4 岩性表

表3—5 化驗表

在實際工作中，用Excel建立工程坐標表、測斜表、岩性表與化驗表。

2.礦區地形地質圖的數據組織

以MapGIS的數據格式進行組織。需要注意的是：①MapGIS中的坐標與實際坐標一致；②地形等高線需要賦高程值。

3.勘探線剖面圖的數據組織

以MapGIS的數據格式進行組織。