三维地质建模需要什么数据

A. 地下水三维地质建模的技术流程

（一）三维实体模型构建流程

三维实体模型，也就是三维结构模型，它主要反映各地质体的几何形状及空间组合。三维实体模型的构建，需要在收集整理原始数据的基础上，按照一定的顺序编辑制作不同的地质体图元，即地表、断层、地层、透镜体，最后生成符合实际情况的地质体。地质体生成后，就可以进行可视化操作、输出模型剖切图、对地质体进行分析研究等工作（图3—33）。在建模过程中始终要进行质量控制。

在建模区，需要收集和整理的资料已经在地下水三维地质建模数据需求与组织部分做了详细的介绍，这里不再重复。由于在建模中涉及的数据资料种类不但繁多，如：钻孔数据、剖面数据、地质平面图、等值线数据等，而且数据量也十分巨大。因此，进行这些海量数据的分类、整理、更新和管理是一项非常复杂的工作，必须运用数据库技术才能完成，这就是要建立空间信息数据库的原因。

图3—33 地下水三维地质建模技术流程图

模型构建，首先要设置工区范围，也就是要读入用户定义好的工区边界数据文件，设置工区高程的范围，建立模型的显示工区。接着构建三维地表模型，也就是读入地表地形等值线或高程离散点数据等，进行三角剖分生成地表网格，地表网格生成后，能够显示地表网格的属性信息。然后导入钻孔数据和剖面数据，在三维空间中对这些数据进行交互式编辑，生成地层、断层、透镜体等各种地质体。将生成的三维地表模型、各种三维地质体模型进行组合叠加，设置好各图元的属性及岩性后，地质体三维模型就建立起来了。三维模型生成之后，就可以对模型进行各种可视化操作，如：旋转、放缩、单面剖切、折线剖切、组合剖切、栅状剖切、挖掘、漫游等，方便用户从各个角度认识模型，以利于后期的分析研究。对于剖切模型后得到的各种剖面图件，或是利用模型生成的各种平面图件（如等值线图、等厚度图或某一深度处的水平剖切图）以及利用模型生成的各种三维图形，可以按比例、所见即所得以及位图等多种形式打印输出。

在实体模型的构建中，不可避免的会出现各种误差，包括源误差、处理误差和应用误差等三种类型。

源误差是指数据采集和录入中产生的误差，包括：

（1）遥感数据误差：由摄影平台，传感器的结构及稳定性，信号数字化，光电转换，分辨率等引起的误差；

（2）测量数据误差：由测量人员，仪器，环境等引起的误差；

（3）属性记录误差：由数据模型化，数据库操作，属性数据的录入等引起的误差；

（4）制图误差：由展绘控制点、编绘、清绘、综合、制印、套色等引起的误差；

（5）数字化误差：纸张变形，比例尺和地图投影，数字化仪的精度，操作员的技能，采样点密度等引起的误差。

处理误差是指数据录入后进行数据处理过程中产生的误差，包括几何改正、坐标变换和比例尺变换、几何数据的编辑、属性数据的编辑、空间分析、图形化简（数据压缩和曲线光滑）、数据格式转换、地形数据模型化、计算机截断等造成的误差。

应用误差是指数据被使用过程中出现的误差，包括数据的完备程度、拓扑关系的正确与否等所引起的误差。

对以上误差必须进行控制，也就是要进行质量控制，否则，所构建的模型将错误太多，不能用于生产实践。

对于源误差，可以按照这些误差的限制标准进行质控制；处理误差一般都很小，尤其是与源误差相比几乎可以忽略不计，其中除了截断误差与计算机字长有关外，其余的处理误差都是按一定的数学模型进行的，这些误差也是很好控制的；应用误差可以用叠置分析的方法进行控制。

（二）属性模型构建流程

属性模型是反映地质体内某一类物化属性特征值在三维空间中分布情况的立体模型。属性模型建模的原始数据是动态变化的，随着数据的更新，所建立的属性模型也产生变化。

属性模型是以水文地质层为基本建模单位来建立，在空间分布上将受到水文地质层的制约。两个水文地质层之间的属性模型属于同一个时代，在进行建模时以两个相邻层为制约条件划分等时面。

地质专家和工作人员可以通过可视化手段观察属性模型的详细情况，也可以将三维属性模型和相应的三维结构模型相结合来考察空间岩性、地下水、地下水污染和物探成果（物性）等属性的分布情况。

属性模型建模过程和可视化流程图如图3—34所示。

第一步，导入原始数据，包括水文地质剖面、钻孔和其他方式输入的属性数据。

图3—34 属性模型建模流程

第二步，如果有剖面数据，对剖面的岩性区域进行三角形剖分，同时确定每个三角形的属性。

第三步，在属性分布的趋势面内建立足够密的等时面，该等时面代表同一历史时期属性的分布情况。

第四步，每个等时面与原始数据求交，保证将原始属性分配到每个等时面上。

第五步，按照空间分布，将等时面上的属性信息映射到立方体栅格数据上，作为立方体栅格插值的初始数据。

第六步，根据地质因素分析，判断属性模型是否需要沉积相建模，如果需要，则划分沉积区域并设置椭圆。

第七步，对空间立方体栅格数据进行插值，如果设置了沉积相椭圆，则考虑各项异性插值。

第八步，将带有属性信息的栅格数据存储在服务器上，以便使用。为了提高速度，在栅格数据量很大的情况下，可以对数据进行分块存储。

第九步，利用各种可视化手段对属性分布情况进行观察。

第十步，如果用户获得了新的数据，系统重复以上步骤自动重新计算，快速地重建模型，原有的数据不用再重新输入。

B. §三维地质建模的方法体系

三维地质建模是一门高度交叉的学科，不同领域的学者从不同角度对三维地质建模的内涵进行了论述。Houlding(1994)最早提出了三维地学模拟(3D Geoscience Modeling)的概念，从广义角度对三维地质建模进行了界定，将空间信息管理、地质解译的图形处理、空间地质统计、地质体的模拟、地质信息的可视化等统称为三维地学模拟。Mallet(2002)将地质建模定义为能够统一模拟地质对象的拓扑、几何与物理属性并且能够考虑多源地质数据的数学方法的集合。

三维地质建模技术是以数字化与可视化手段刻画地质实际、构建地质模型的工具，一个完整的三维地质模型应该具备以下特征:

(1)地质模型所表示的地质对象具有明确的几何形状与空间位置，并与地质勘探数据吻合，所有几何元素均以图形与数字化的形式存在。

(2)具有有效的数据模型，所有几何元素之间具有完备的拓扑关系。

(3)拥有有效的图形与属性数据库支持，便于图形与属性信息的查询与分析。

(4)地质模型是可视的、直观的，真实感强。

上述特征决定了三维地质建模方法所涵盖的基本内容。三维地质建模方法是若干理论、方法与技术的集合体，主要涉及地质勘探数据的标准化处理、几何造型、三维空间数据模型、属性数据管理与图形可视化等方面。图1.1为三维地质建模的方法体系。

图1.1 三维地质建模的方法体系

地质数据来源众多，可靠程度不一，而且分布不均匀，建模时需要借助地质方面的知识与经验进行分析与处理，形成合理有效的信息源。地质勘探数据的标准化处理包括两方面:一是对地质勘探数据进行系统的地质分析，保证数据的可靠性;二是制定标准的数据格式，对地质信息进行标准化处理。目前，各国学者在这方面的研究较少，还没有形成统一的方法。

为了方便、简洁、合理地表达、存储与管理地质模型，必须建立有效的三维空间数据模型。简单地说，三维空间数据模型就是指图形数据的表示与存储方式以及图形元素之间的拓扑关系。常用的空间数据模型包括两类:曲面表示模型与体元表示模型。曲面表示模型是指用曲面的组合来表示地质对象，例如，用地层界面围成地层实体。目前，常见的曲面表示模型有边界表示模型、表面模型与线框模型等。体元表示模型就是将地质对象离散成若干六面体、四面体、三棱柱等形式的体元，用体元的组合表示地质体。目前文献报道较多的体元表示模型包括结构实体几何模型、规则块体模型、四面体模型、三棱柱模型、混合体元模型等。

几何造型是三维地质建模的核心内容，是指根据地质地理数据，利用数学、几何与地质分析方法重构地质对象的空间几何形态，并利用点、线、面、体等基本几何元素及其衍生的几何元素表示地质对象的过程。例如，地层界面常用不规则三角网表示，建模时可以根据钻孔数据进行插值运算，计算出三角网格结点的空间坐标，从而得到由空间三角形面片连接而成的地层界面。地质建模中常见的几何造型方法包括边界建模方法、线框建模方法、断面建模方法、映射建模方法、块段建模方法等。这些方法的思路、过程与实用性有一定的差异，但是，大多数方法都会涉及一些基本内容，如三角剖分与优化、插值计算、曲面细分与优化、曲面曲线求交、环与块体搜索、空间体元剖分等。

图形可视化就是在计算机屏幕上绘制出地质模型，利用材质、颜色与光照等手段实现真实感成像。属性数据管理是指建立属性数据库，存储与管理地质对象的物性参数，如地层名称、岩性、力学参数等。在地质建模中，图形可视化与数据库技术与其他领域的相关内容类似，没有明显的特别之处，因此，本书不再详细介绍相关内容。

C. 城市地质三维建模的数据需求与数据组织

城市地下地质空间勘探研究不仅包括浅部的工程建设层，还应包括中部、深部地层。相对于其他地质勘察项目而言，城市地质勘察尤其是中心城区的地质勘察程度较高、资料较丰富，既有大量可精确描述地层的钻孔数据，又有大量根据钻孔和物探数据解释得到的剖面图、地层平面分布图、地质构造图等人工解释数据，这些数据表达地质空间信息各有特点，又都不同程度地存在表达三维信息的局限性和不完整性，如何充分利用各种数据的特点，通过数据耦合的方式建立城市地下地质空间三维地质模型是建设城市地下地质空间信息系统建设的关键。

（一）基础地理空间数据

这类数据主要包括地理底图（地形图）和遥感影像，地理底图主要用于钻孔点位、三维模型和基础地理空间信息的叠加定位，遥感影像则作为地表纹理数据叠加在地形模型上。地理底图类数据要求为GIS矢量数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件），这类数据一般按照水平分幅、垂向分图层的方式进行组织，如图3—1所示。遥感影像数据一般为JPG、TIFF格式，需要包含用于校正的控制点信息。

图3—1 海量底图逻辑结构图

（二）钻孔类数据

城市三维地质建模中最常见的一类建模数据就是钻孔数据。工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩土层分布状况，取得的岩芯（土样）还可以进行相应的室内试验获得其物理力学指标。钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义，根据钻孔数据构建三维地层实体模型一直是国内外三维地质建模领域研究的热点，并取得了一定的研究成果。

钻孔基本资料表，钻孔土层描述表，整体（标准）地层描述表是基于钻孔进行三维地质建模所必需的几个核心表，三个表所含有的建模必要字段、名称可以不与下述表的字段名称相同，但所代表的意义一定要相同。

1.钻孔的基本资料表（表3—6）

表3—6 钻孔基本资料表

说明：①日期型数据要统一格式；②孔口标高X，Y最好为国家坐标系；③其中1，6，9，10，11 项为三维建模必需项。

2.钻孔的土层描述表（表3—7）

表3—7 钻孔土层描述表

说明：①分层序号为同一钻孔内不同土层的顺序号；②其中1，2，3，4，7项为三维建模必需项。

3.全局地层描述表（表3—8）

表3—8 全局地层描述表

说明：①1，2，11字段为三维建模必需项；②说明字段“地层名称”和其他表中的字段“土质类型”是一致的。

全局地层描述表实际上就是一个“基本地层层序表”，其形成规则是：按照地层沉积顺序和形成年代，结合岩土体物理力学指标数据，自上而下按照由新至老的顺序进行排列。在形成此基本层序表的过程中，可能会出现地层顺序无法排列的情况，这需要结合工程勘察人员的经验，按照地层叠覆律进行确定。简单地说，地层层序要求建模区域内所有的地层都被自上而下的排序，并且在各个钻孔中的顺序都不变。

事实上，地层层序并不见得对所有的钻孔都合适。由于地层尖灭，透镜体等存在于局部区域，特定的地层可能只在一部分区域连续，而在其他地方被另外的地层切割。采用“全局地层层序”的概念能够容易的表达这些复杂的地质现象。

下面是关于“全局地层层序”必须满足的一些基本规则：

（1）如果在一个钻孔中，地层A在地层B的上面，则在“全局地层层序”中，A在B的上面。

（2）如果在钻孔1中地层A在地层B的上面，而在钻孔2中地层B又在地层A的上面，则：

①在地层层序中至少有3个地层；

②必须使用其他的钻孔来确定地层层序。

（3）“全局地层层序”中地层的数目不少于：

各个钻孔的地层数目的最大值+在该钻孔（即具有最大钻孔数目的钻孔）中不存在的所有地层的数目。

4.其他数据表

包括土试数据表等不是三维地质（结构）建模所必须，在此省略。

（三）平面地质图类数据

1.一般格式

要充分利用平面地质图所蕴涵的地质构造信息来建立三维地质结构模型，需要首先将现有的纸质图件数字化为电子图件或者将原有的电子图件转化为建模系统能够识别的电子图件格式，如下：

（1）平面地质图采用GIS图形数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件）进行存储，可利用GIS图形编辑模块进行查看、编辑、修改等操作。

（2）一个地质平面图可用一个工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储。这个工程文件须记录完整的平面图信息，如坐标系类型、投影参数、比例尺等。

（3）每一个工程文件（如MAPGIS*.mpj）由以下文件组成（其中第一个是必须有的）：

①区文件记录原地质平面图中的地质单元分区信息。主要属性字段有：ID，面积，周长，区域类型，地层编号，备注。

②弧段属性结构，记录地质单元分区中的线属性。主要属性字段有：ID，长度，弧段类型，断层编号，盘类型等。

③*.wt：图上必要的标注信息。

④另外，如果有其他内容需要记录下来，可另在工程文件中附加其他点、线、面文件。

2.等值线格式

有些平面地质图含有等高线信息（如地层埋深等值线），这些等值线对建模有同样的重要意义，需要将等值线信息进行标准化，记录下等高线类型、数值等信息。

等值线数据可采用GIS工程文件格式（如MAPGIS *.Mpj）组织，也可以采用单独的点、线文件格式（如MAPGIS *.wt、*.wl）组织。但无论采用何种组织方式其包含的三维地质建模基本信息如下表所示：

（1）顶、底板埋深等值线文件（结构建模）格式。地层顶、底板埋深等值线文件属性结构如表3—9所示。

表3—9 地层顶、底板埋深等值线文件属性结构

（2）等厚度线文件（结构建模）。地层等厚度线文件属性结构如表3—10所示。

表3—10 地层等厚度线文件属性结构

（3）高程点文件（结构建模）。高程点文件属性结构如表3—11所示。

表3—11 高程点文件属性结构

（四）地质剖面类数据

每个地质剖面采用一个GIS工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储，地质剖面数据采用GIS图形数据格式（如MAPGIS*.wt，*.wl，*.wp）分图层进行存储，可利用基于GIS图形编辑功能开发的“地质剖面编辑器”查看、编辑、修改剖面图。

在地质剖面输入与标准化处理时，采用以剖面起始点、终止点、拐点为地质剖面空间形态表示核心数据，轮廓区域作为三维地质结构建模核心数据。对于每个剖面工程文件，主要记录以下图形和属性信息：

1.定位点文件（必备）

剖面定位点文件要在剖面上标识出剖面起点（X0，Y0）、终点（Xn-1，Yn-1）剖面所经过的中间点（Xi，Yi）。由于剖面图在垂直方向上没有转折，另外用户还要输入两个以上高程控制点Hj和Hj+1，这样系统就可以自动计算剖面的水平、垂直比例尺及剖面实际空间位置，如图3—2所示。

图3—2 剖面定位点标识示意图

定位点属性结构如表3—12所示。

表3—12 定位点属性结构

2.地层区文件（结构建模）

地层区文件中既要定义每个区的属性结构还要定义构成区的弧段的属性结构（表3—13，表3—14）。

表3—13 地层区文件区属性结构

表3—14 地层区文件弧段属性结构

3.地层线文件（结构建模）

地层线文件属性结构同地层区弧段属性结构。

4.钻孔线文件（钻孔建模必备）

钻孔线文件属性结构如表3—15所示。

表3—15 钻孔线文件属性结构

5.断层线文件（断层建模必备）

断层线文件是进行基于剖面的断层建模所必需的数据，其属性结构如表3—16所示。

表3—16 钻孔线文件属性结构

（五）地质空间数据的规范化和归一化

城市地质空间基础数据，数据层面多，来源不同，采集于不同时期，数据类型亦不同（地理底图、遥感影像、地质图、钻孔等），即是都是地图数据，其投影方式、坐标体系、地图单位等参数也不一定完全一致，进行三维地质建模前除按照上述数据需求准备数据外，按照一定的标准对系统数据进行规范化处理是非常有必要的。所谓数据的规范化处理是指按照国家标准、行业标准、地方标准或系统建设标准对数字化后的地质资料分类进行数据的预处理、概括处理等。

1.数据预处理

坐标配准：将各层次数据的空间坐标体系都转换成统一的坐标系（如城市坐标），地图单位也要统一（如以米为单位）；投影规一化：用GIS的投影转换功能把各数据层转换成统一的投影方式；遥感影像矢量化：遥感数据必须经过矢量处理、加注属性、建立空间拓扑关系后使用；确定统一边界：对研究区域确定统一的标准边界，用叠加和切边操作使各数据层的边界完全一致。

2.三维建模数据的概化处理

在所有的数据规范化处理工作中最关键的也是最具挑战性的工作是地层、钻孔、剖面、构造地质图等三维地质资料的概化解释工作。也就是要建立三维地质模型，再通过必要的渲染和可视化表达分析手段模拟城市地下地质空间的状况。城市三维地质建模主要使用两类数据：一类是反映地表变化情况的基础地理数据，如地理底图、DEM数据、遥感影像数据，这类数据对三维地质模型只起空间定位、地形约束、修饰作用；另一类是映地下地质结构变化情况的地质勘探解释数据，如钻孔、剖面、地质图等，进行三维地质建模时需要使用这类数据精确确定地层、断层等点状、线状、面状及体状的地质构造信息，这类数据是进行三维地质建模的关键数据。由于三维地质模型的确定性和拓扑严格性，相应地也要求这类数据必须具有严格的、确定的几何和拓扑一致性。

考虑到项目搜集到的钻孔数据多来自于不同时期、不同项目的成果，由于当时勘探目标、所依赖的标准不同，甚至因不同人的认识不一样，导致对同一区域或相近区域地质现象解释的详细程度和划分结果不一样，甚至差别非常大或是自相矛盾，这对于强调全市范围内应用的城市地质调查成果表达和三维地质建模来说是无法接受的。基于不同勘探资料解释得到的剖面图、地质图也存在同样的问题，且由于编制这些图的原始目的主要是进行成果的表现，制图人员多是从制图的角度考虑如何修饰、如何好看，并没有过多考虑图面上地质元素的拓扑、几何的严格和一致性，而这些都是进行三维地质建模所必需的。

鉴于上述原因，系统建设过程中需要结合三维地质建模对数据精度和一致性的要求，按一定的规则对原始钻孔、剖面、地质图进行概化处理，使得这些反映垂向地质结构的数据逐步变得有序化，为进一步自动或半自动生成三维地质模型奠定基础。

上述工作主要借助现成的GIS工具（如MAPGIS等）软件或其他工具软件完成结合专业人员知识经验完成。

D. 地质体三维建模方法及流程

以建立的综合地质数据库作为数据基础，并综合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 软件各自的优点来进行地质信息三专维可视化属建模，主要工作内容包括：(1)地质建模数据（Geodatabase）的导入；(2)剖面地质界线圈定；(3)地质体线框模型建立；(4)地质体块体模 型建立。

通过综合地质数据库的建立，将繁杂的各类地质数据进行了分类并利用关系数据库进 行了存储与管理（见第2章）。因此，进行地质体三维建模是从综合地质数据库中导入各 类地质建模数据并采用 Vulcan 和Datamine 软件来进行地质体三维建模，并在不同的地质 剖面上对各类地质体界线进行圈定，并最终形成各类地质体的线框模型和块体模型。其具 体流程如图4.1所示。

E. 地下水三维地质建模的数据需求与数据组织

地下水三维地质模型的生成和维护需要大量的基础水文地质数据信息的支持，这些数据信息主要是反映含水系统的特征：如地貌、地层、断裂、褶皱等，和流动系统的特征：如地下水水位、水量、开采量等。针对这些数据信息建立地下水三维地质模型的基础数据库，并提供这些数据信息的维护与管理机制，实现地下水系统三维结构的动态更新和实时服务。

（一）地下水三维地质建模所需数据类型

在地下水三维地质建模中，会涉及的地质现象主要有：地貌（或地形）、地层、褶皱、断裂、透镜体及侵入体等，为刻画这些地质现象，就需要用到地表数字高程模型数据（DEM）、遥感影像数据、地理信息数据、钻孔数据及剖面数据等。具体来说，为刻画三维模型中的各种地质现象，需要的相关数据包括以下几种：

1.地表数字高程模型（DEM）数据

地表数字高程模型数据用于生成三维地质结构模型顶面（地表面），此部分数据可以从测绘主管部门获取或向国家测绘局基础地理信息中心购买，从基础地理信息中心购买的数据属于标准数据，数据以ARCINFO数据格式存放。DEM数据比例尺有多种，其中，全国的1：25万数据库在空间上包含816幅地形图数据，覆盖整个国土范围，国外部分沿国界外延25公里采集数据。地貌统一在TERLK层中存放，包括等高线、等深线、冲沟等，DEM等高线的等高距，在全国范围内共分40m、50m、100m三种，使用时可参照等分布图确定。对于标准数据，可以根据需要进行数据格式转换、比例变换、投影变换等多种处理。

另外，如果不能获取现成的DEM数据，也可以自己使用专门的地理信息系统软件用地形图生产。即把纸质地形图数字化及几何纠正校准，然后进行高程信息的提取——对等高线进行屏幕矢量跟踪并对等高线标赋高程值，同时编辑、检查、拼接以生成各种拓扑关系，最后用软件进行内插值、裁剪生成DEM数据。

2.遥感影像数据

遥感影像是地球空间数据最直接、时效性最强的数据形式，模型的表面需要用影像数据进行贴图，来表达真实的地表景观。由于影像数据的容量大，为了能够快速、高质量地进行显示，需要根据显示的范围、显示的比例选择分辨率最合适的影像进行纹理映射。一个模型可以有不同分辨率的多套卫星/航测影像数据，某些影像数据有可能只局限于某个局部。因此，在显示时，所有的影像数据都需要读入内存，以实现多分辨显示。这就需要在技术上做一些处理，比如图像格式的转换，根据显示分辨率和比例的不同，转换为不同分辨率的图像如BMP、TIFF、GIF等图像格式。

对遥感影像数据的处理主要包括对遥感影像的几何精纠正和不同分辨率影像数据的融合。一般使用遥感处理软件ERDAS和ENVI软件进行处理。遥感影像几何精纠正的目的是对图像地物象元进行坐标匹备，经过转换运算和重采样，使得遥感影像带上地图投影和地理坐标进行配准。遥感影像数据融合是将多波段低分辨率影像数据的光谱信息与单波段高分辨率影像数据的分辨率信息进行融合，以获取在尽量不减少光谱信息的基础上，提高遥感影像的空间分辨率。

一个地表卫星/航测影像数据是一幅图像和一些坐标配准参数。对于具体的影像图片，要根据高程数据和相关软件进行集成融合，精度匹配，即解决投影变换、比例缩放、范围裁减、坐标匹配等问题。为此，在专门的数据库中应记录不同分辨率、不同区域的影像数据。

3.地表地理信息数据

地表地理信息数据，可以根据专业要求在三维模型的表面进行各种图元的标注，不仅可以绘制点、线、区的图元，而且可以标注文字及图形图像，来表达与模型地表几何模型有关的属性信息，如河流、铁路、公路、湖泊、城市、政区、居民地、铁路、公路、水系、土地覆盖等信息，并且可以简单管理这些信息。这些数据可以是野外采集而来，也可由专用GIS系统数据转换而来。这些图元信息要在模型顶面展现。

4.钻孔数据

钻孔数据是地质技术人员在野外钻探现场记录并整理的第一手技术资料，它对于模型的生成起直接或间接校正的作用，钻孔数据一般在EXCEL表或ACCESS数据库中存放。存放于EXCEL表的钻孔数据，一般是区域数据，数据量不大，钻孔信息分存于不同的表单中；存放于ACCESSS数据库中的钻孔数据，一般数据量大，为某一区域或区块的钻探数据。钻孔数据从ACCESS数据库中读入后，并不是直接应用，还需要进行人工或系统按照一定规则进行概化处理，才能参与建模，在进行模型编辑生成时，还可以根据这些数据将钻孔轨迹以图形方式显示在屏幕上。

不论是以EXCEL表还是ACCESS数据库存储的钻孔数据信息，它必须包含以下几种基本信息：钻孔编号、地理位置、孔口标高、终孔深度、分层信息及岩性等。其中，钻孔编号字段类型为字符型，用于唯一标识一个钻孔，方便钻孔对象的查找和数据的访问；地理位置信息是为了记录钻孔所处的空间位置，它包含两个字段类型，均为浮点型数据，若为经纬度形式的，则一个字段记录经度，另一字段记录纬度，若为大地坐标形式的，则一个字段记录X坐标，另一字段记录Y坐标；孔口标高用于记录钻孔起始位置，字段类型为浮点型；终孔深度字段类型为浮点型，用于记录钻孔在垂向上的长度；分层信息字段类型为浮点型，用于记录钻孔所经过地层的分层情况（一般记录各分层的顶界面标高）；岩性字段类型为字符型，主要用于描述各个层位的岩性。

5.地质平面数据

地质平面数据即地质平面图，它主要反映各地层在地表出露的情况，对于控制三维模型中地层在地表的分布状况起着至关重要的作用。在各种GIS软件中存放的数字形式的地质平面图中，要求对于剥蚀线数据或地层出露线数据赋予高程属性，否则无法在三维空间中定位这些线信息。

6.剖面数据

剖面是地质专业人员根据工作要求，依据钻孔信息绘出的地层断面图，需要说明的是，剖面图也许不是地质情况的真实反映，但它包含着技术人员的推理和经验，可以说是地层情况最接近真实的反映。

剖面图的存放格式，由于各技术队伍作图采用软件不同，图形存放的文件格式也不尽相同，主要有MAPGIS图形数据格式和AUTOCAD图形数据格式，地下水三维地质建模系统的数据输入可留出这两种图形文件数据接口。具体地说，若是MAPGIS图形格式，采用把图形数据转换成MAPGIS明码文件文本数据格式，再读入系统进行复原即可；若是AU-TOCAD图形数据格式，可把DWG图形文件格式转换成DXF标准图形文件格式，读入系统即可。还可把MAPGIS和AUTOCAD两种图形文件混合输入，例如需在剖面图上添加岩性颜色，即可在MAPGIS中调用剖面，做岩性颜色区文件，再输出MAPGIS明码文件，可很好地解决剖面图剖面数据输入问题。对于三维建模系统来说，这种方式可很好地解决地下各含水层的表达问题。

在剖面数据中必须包含横向比例尺、纵向比例尺、图例等信息，方便系统对不同来源的剖面数据进行转换。

7.地层等值线数据

地层等值线数据是根据钻孔资料、物探资料等，由专业技术人员绘制出的，反映地层界面在空间中的变化情况。由于钻孔只能反映一个点上的信息，剖面只能反映一条线上的信息，而地层等值线数据可以表达一个面的信息，因此等值线数据对于精确建立各个地层面位置及几何形态具有很大的帮助作用。

在GIS软件存放地层等值线数据，需要在其属性中赋上每条等值线代表的高程（或厚度、埋深等）数值。

8.断层数据

断层是地质构造的产物，表示地层的断裂和错动，它对于地质研究、地质资源勘探、地下水流场分布都有重要的意义，另外，断层在地质建模中对于地质体的生成、工区边界的确定起重要的作用，因此，逼真地刻画断层对于地质建模来说，是一项重要的工作。

断层作为刻画地下水系统模型空间面的一种数据类型，在建模过程中需要明确：断层面的空间展布，断层不同点的产状，断层的水理性质。

断层数据主要是以图形的方式输入，然后用来建模的。平面上断层的表达方法有两种，一种是在平面图上绘制断层走向及标注倾角，如平面图或地质图；另一种是在剖面图上绘制断层线。结合这两种图件，断层在空间的展布情况就会一目了然，断层产状可由系统读取数据库数据或人工给定。断层的水理性质对于后期地下水模拟计算是必须的，可存放在数据库中或直接存放于模型断层属性中。

9.物探数据

物探技术在地质勘探中具有重要作用，勘探方法主要有地震、电法、磁法、重力等，从物探数据中可得到：点位资料、层位划分及其属性。在地下水系统建模中，物探数据和钻孔数据具有相同的作用，根据物性的差异提供含水层的划分情况，表达地层具有相同的物理力学参数或位置，如地下含水层顶板、底板、地下水位等值线信息。使用这些等值线数据，建模系统可以插值拟和地层面或断层面。

10.动态数据

动态数据是监测到的地下水位、水质、水温等波动过程的信息，这种波动不同程度地反映了河流径流在时空上分布的特征。影响地下水变动的主要因素是河川径流、蒸发蒸腾和人类的灌溉过程。随着大批水利工程的建设和井灌的发展，人类活动对地下水动态过程的干扰逐渐加剧。因此，利用地下水位监测数据，或系统模拟分析某时刻的水位数据，生成指定含水层指定时刻的地下水流场图。建立地下水水位变化模型，实现地下水移动的动态仿真。在地下水三维地质建模过程中，需建立专门的数据库存放此类数据。

11.相关文档资料

文档资料为建模区的勘探、科研报告，包括各种项目汇报书、区域水文地质普查报告、专题研究报告等。这些资料为模型的建立具有重要的参考价值。

（二）数据概化预处理

建立地下水三维可视化模型所需要的数据资料既有原始数据资料，又有模型所生成的次生数据。原始数据可分为地表数据和地下数据。地表数据主要为卫星影像和地表地理信息数据，地下数据有钻孔、剖面等反映地质结构的图文数据。由模型生成的次生数据或图形主要有地层、断层、地层体区块等。

如此多的数据，直接用来建模，不但会使计算机内存负荷过大，同时也使得对象的空间拓扑关系难以建立，因此有必要进行数据概化处理。需要概化处理的数据有钻孔数据、剖面数据等，对这些数据按一定的规则进行概化，使得这些反映垂向结构的数据逐步变得有序化，为进一步自动生成地下水系统三维结构奠定基础。

1.地层概化的原则

由于地质结构的复杂性，几何特征千变万化，规则的几何现状不可能描述现实的地质体形状，但地质体的变化又不是完全毫无规律可寻，因此，按一定的原则进行地质体的概化处理符合地质行业习惯，又满足地质建模的要求。

一般的地层概化由地质人员按一定的地质要求对地质体进行归类合并处理，如按同一地质时代，或地质体的物理力学性质进行概化处理。

与技术人员直接指定地层方法对应的是由计算机自动进行地层概化处理，即按一定的尺度判别地质体的分层方法，给出一定的尺度，当某层的最大层厚小于标准尺度时，不考虑该层，并将该层合并到它的上层或下层；当某层的最大层厚大于标准尺度时，考虑该层，然后按概化分层标准计算机自动进行分层处理，并提供按颜色、纹理、显示概化的地层。

上述的方法固然简单，但对于不同的地质专业，建模则具有各自专业的要求和特点，有些层对于模型的规模来说可能是很小的，可以忽略的层，但从专业角度来讲具有显著的影响，必须考虑该层的存在。如在石油地质建模中，需要对含油构造的细小砂层进行详细的刻画与描述；在工程地质建模中，需注重软弱夹层和软弱下卧层及结构面的描述；在水文地质建模中，需要描述含水地层的地质结构，即含水层顶板、底板、地层透镜体等与地下水有关的地质结构的描述。这就必然要考虑到这些关键层的概化要求。

2.钻孔概化预处理

原始钻孔数据给出了钻孔上各个点的岩性，相邻的点之间是钻孔的一个小段。对钻孔数据预处理的目的是要将岩性相同或相近的小段合并，将一个钻孔中的许多小段概括为几个大的段，每个大段对应一个地质体，每个地质体中的岩性基本相同。这个过程称为钻孔概化。

在钻孔概化处理时，采用人工处理方式，需要注意：

（1）钻孔原始属性（岩性）数据在钻孔上的分布情况。

（2）已经完成的分层情况。

（3）相邻钻孔分层点之间的对应情况。

（4）钻孔分层对地质结构模型的影响。

概化完成后的钻孔数据段与段之间具有对应关系——属于同一个地质体的段之间具有对应关系。为了生成三维地质模型，可以对每个地质体进行命名，并将地质体名称记录在段中。这样，就可以描述出不同钻孔的段与段之间的对应关系了。

3.剖面与断层的概化处理

剖面是地质技术人员对地质构造的直观解释，它对水文地质建模建模起着举足轻重的作用。大区域内的少量钻孔只能起到辅助建模的作用，建模中更多的是使用剖面。因此，就必须对剖面进行深入地分析。图3—3插入两张剖面用作对比分析。

图3—3 原始剖面与建模剖面

从图3—3（a）中可看出，剖面上地质结构复杂，层与层关系不清晰，断层过多过细，透镜体小而多，局部地层出现犬牙交错的状态，这种剖面对地质构造的精细刻画对于地质专业人员来说，比较能够很好地理解。但对于地质建模来说，它突出的是整体性，大尺度、规率性的模型，过度的精细与专业化反而使技术人员无所适从。因此，需要对原有的剖面进行概化处理。

在概化过程中，需要明确大的地层关系，如时代岩组、一定量厚的地层等，细小的地层或透镜体归类到大地层当中，细小的断层可忽略不计，对犬牙交错的地层进行概化或模糊性处理。经过这样概化处理的剖面地层主辅突出、断层清晰明确、既反映了地质构造、又注重细节的刻画，适合于建模工作的开展。如图3—3（b）所示。

对剖面的处理，不光要概化处理地层与断层情况，还要注意剖面的纵横比例，从全局来考虑，要使模型的范围大小与地层深度达到一个合适的比值，如果模型太扁平，则需要修改剖面的纵向比例，使剖面在深度方向上更长一些，从而使构建的模型相对美观一些。

F. 三维地质建模

是两种不同的概抄念，但也有联袭系。
狭义来讲，三维地质建模是利用可靠的地质资料，运用空间插值、几何重建、计算机图形图像等技术方法，还原地质对象实体或属性的空间分布特征的技术方法和工作过程。
地质数据三维可视化是指利用三维可视化技术，展示地质数据本身的时空特征。
从字面上来看，三维地质建模强调了推测，重视推理和分析，重视地质专家的经验和知识的参与，三维模型只是分析结果的展示手段；而地质数据三维可视化，强调的的利用三维可视化方法，还原地质对象原本的三维空间特征。
广义来讲，三维地质建模是地质数据三维可视化的一种手段。国内，这两个概念没有人搞清楚，就算是地质行业的专家也是模棱两可。科研领域对三维地质建模的研究或局限在网格构建算法方面，或局限在地质构造的几何结构描述方面，三维可视化普遍被认为是没有技术含量的软件方法而已。

G. 地质三维建模一般用什么软件

我们单位用的是理正勘察三维地质软件，您可以了解，我们用钻孔、纵断面图、剖面图来做三维工程地质模型。而且可以从工程地质勘察软件直接导入地质数据。

H. 三维地质建模的实际意义

要对地下水进行管理、规划，就必须查明水文地质条件，也就是要对地下水及其赋存的地质结构有清晰的认识。在水文地质领域中，研究对象都具有空间特征，地下水及其赋存介质埋藏于地面以下，对地下水运动规律只能依靠水文地质勘察资料和水位动态资料来揭示。而这些资料一般都是以平面图、剖面图及表格形式提供的，它们所反映的数据是离散的，有局限性的，在三维空间中研究这些数据时，其拓扑关系还难以考虑清楚；同时，由于地质空间分布的复杂性、模糊性与不确定性，在仅仅具有钻孔或少量的地质离散点信息的地区上，技术人员则很难得到直观有效的地质信息。也就是说，水文地质工作者必须对这些纷杂的数据信息进行仔细的分析理解，才能洞察研究对象的本质，获得对研究对象的认识和理解，但这是一个十分费时而繁琐的过程，对他们来说是一种沉重的负担。

如果能将地下水及其赋存介质进行三维可视化表达，构建出其实体模型，则将有力地支持水文地质工作者对地下水运动规律的认识，同时，也为地下水的合理开采及其开采过程中的地质环境保护提供决策支持。

基于以上认识，需要我们建立一种权威的、不断更新的、区域性的、具有传承性的地下水地质结构三维可视化模型，这个模型建立的初期可能是粗糙甚至是有错误的。但随着专业人员对地质结构认识的不断深化和勘探精度的提高，这个模型会逐渐准确直至完全正确。计算机技术发展到今天，已经为我们提供了建立这样真三维地质模型的技术条件。

利用计算机图形学及可视化技术，可将二维抽象的地质信息以三维可视化的图形效果直观形象地表达出来，建立逼真的空间立体地质模型，并任意剖切地质体、对地质体进行三维交互信息查询等。这样可更高效地描述各种地质信息，如特定区域岩性，某一区域地层的厚度等；直观有效地表达各种地质现象间的拓扑关系，如地层的接触方式等，从而迅速提高专业技术人员对地质现象的认识，提高工作效率，发挥地质资料的最大价值。同时，在三维地质模型的建立中，还会生成一系列的三角网格数据，这为后续的地下水数值模拟奠定了基础。也就是说，三维地质建模还能将水文地质工作者从繁琐的网格剖分中解放出来。

建立地下水三维地质可视化模型，不但减轻了水文地质工作者的任务，方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展，而且，这样的模型还能将专业领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式表现出来，它还将有助于不同领域间方便、正确地进行知识交流，有助于决策者做出正确判断。

I. 地质建模数据构建与可视化

为建立地质体的三维模型，须预先准备好建模用的各种地质原始数据，如地形数据、勘探工程数据、编录数据、化验数据、地质图件数据等。将这些专用于地质建模的数据按照一定的逻辑结构进行组织，并导入到三维地质建模软件中，统称为地质建模数据 ( geodatabase) 。三维地质建模软件提供地质建模数据的管理与三维可视化显示功能。

为得到凤凰山矿田的地质建模数据，课题组进行了下述工作: ①相关原始资料的收集与整理; ②地质图件的矢量化; ③综合地质数据库建立; ④地质建模数据的提取与导入。实际收集的主要原始资料包括: 凤凰山矿田药园山矿床、宝山陶矿床、仙人冲矿床、铁山头矿床的各种区域地质、地质勘探与储量成果报告; 钻孔、坑道等单项工程原始资料; 地质综合与找矿研究资料; 物化探报告与原始数据资料; 药园山矿床生产探矿资料等。最终汇总导入到三维地质建模软件 Datamine Studio 中的凤凰山矿田地质数据包括: 勘探工程数据、勘探线数据、DTM 数据。

勘探工程数据包括开孔数据表 ( collar) 、测斜数据表 ( survey) 、地质编录数据表( geology) 、样品分析数据表 ( sample) 。这些数据表通过孔号进行关联，其 E-R 模型如图 11 －2 所示，表结构如表 11 －1 ～11 －4 所示。

表11－1 开孔数据表 ( collar)

表11－2 测斜数据表 ( survey)

图11－2 地质勘探工程数据 E-R 模型

表11－3 编录数据表 ( geology)

表11－4 样品数据表 ( sample)

按照上述表结构存储的勘探工程数据可直接导入 Datamine 工程，导入的数据经检查无误后，利用软件的钻孔视图显示、图例生成和注记修饰就可以显示出上述数据描述的全部单项工程，可从不同角度对单项工程的视图进行观察 ( 图 11 －3) 。

对于地表地质填图数据，也可采用上述勘探工程数据模型表达 ( 图 11 －4) : ①按需要设计虚拟勘探线; ②利用自编的数字化软件沿虚拟勘探线对凤凰山矿田综合地质图进行虚拟单项工程的开孔数据、测斜数据、地质编录数据的提取与存储; ③导入虚拟单项工程数据到建模软件并进行可视化。

图11－3 凤凰山矿田药园山矿床勘探线及单项工程侧视图

图11－4 凤凰山矿田勘探线及虚拟单项工程俯视图

J. 矿区三维地质建模的数据需求与数据组织

矿区三维地质建模的主要目标是根据收集的原始数据如钻孔数据和分析解释数据如地质师根据地质知识建立的地质剖面图，在三维地质建模软件支持下，建立三维地质模型，估算资源量，为矿山的设计与开发服务。

（一）数据需求

可用于矿区三维地质建模的数据资料主要有：

（1）按生产阶段可分为前期地质勘探资料和后期生产探矿资料；

（2）按数据形式可分为图形数据和属性数据；

（3）按数据来源可分为地质资料、勘探工程资料、物探资料及化探资料。

其中，地质资料主要指地质队提供的地质报告及相关附件；物探资料和化探资料指采用物化探方法所获得的各种成果数据及图件；勘探工程资料主要包括①钻孔或坑道开孔（坑）坐标、方位、倾角（或坡角）等工程空间位置数据；②钻孔或坑道所揭露的岩层的岩性及产状、构造的性质、矿化带或矿体的特征；③样品分析数据；④各种图件（钻孔柱状图、坑道编录图、采样位置图、工程布置图、中段图等）。

资料收集时，尽量一次性将所需资料收集齐全，以便对资料的全面分析，从而确保初始模型的准确性。同时还要随着矿山的开发，不断地收集补充新的资料，使所建模型日臻完善和准确。

从矿山或地质队收集来的资料大部分是文本形式的，并且往往是重复杂乱的，很不规范。因此，要遵循三维数据库所特定的格式，首先对这些资料进行数字化和系统整理。资料整理的一般步骤如下：

（1）资料分类 按重要程度对资料进行分类，优先整理重要的部分；

（2）数据录入 将重要资料中的文字和数据录入电脑，并扫描或数字化相关图件；

（3）数据校对 原始资料录入以后，一定要进行全面校对，查漏补缺，并修正自相矛盾的地方，以保证数据资料的准确性，为下一步工作奠定良好的基础。

具体来讲，建立矿区三维地质模型，需要收集如下资料：

（1）探矿工程（钻、槽、井、坑等）相关成果数据；

（2）矿区地形地质图；

（3）勘探线剖面图；

（4）其他相关数据，如工业指标、体重、断层、矿相分界线等。

（二）数据组织

1.探矿工程相关成果的数据组织

地质数据一般可通过如下方式获得：

（1）钻探——通过钻孔，来获取基本岩性与取样分析数据；

（2）坑探——坑道取样数据；

（3）槽探——刻槽取样数据。

其描述地质信息的基本形式见表3—1。

表3—1 地质数据描述表

说明：①工程号用来确定工程的代号如钻孔号；②工程起点坐标描述工程的起点坐标；③测斜数据描述工程的轨迹线。

不管是钻探、坑探还是槽探，都可以认为是从一个起点，顺着工程的方向，从…到…来描述工程，只要给定工程的开口坐标和轨迹线（测斜数据），就可以在三维空间，确定某段岩石的品位、岩性、坐标等情况。

在矿区三维地质建模中，为了管理方便，将表3-1分为工程坐标表（表3-2）、测斜表（表3-3）、岩性表（表3-4）与化验表（表3-5）。

表3—2 工程坐标表

表3—3 测斜表

表3—4 岩性表

表3—5 化验表

在实际工作中，用Excel建立工程坐标表、测斜表、岩性表与化验表。

2.矿区地形地质图的数据组织

以MapGIS的数据格式进行组织。需要注意的是：①MapGIS中的坐标与实际坐标一致；②地形等高线需要赋高程值。

3.勘探线剖面图的数据组织

以MapGIS的数据格式进行组织。