地質體三維建模方法與技術指南.doc

內 容簡 介 本書系統(tǒng)分析了目前國內外地質體三維模擬技術和應用軟件開發(fā)的現(xiàn)狀，由此提出了不同領域地質體三維建模的數(shù)據(jù)需求、技術流程和主要建模軟件的數(shù)據(jù)接口；詳細闡述了Micmmine、surpac、Mapgis、3D-Grid等三維地質體模擬軟件在礦山、地下水、城市地質等領域的應用實踐和示范工作，以及提交的相應三維模型成果；并對今后如何展開相關工作提出了建議。 本書可作為開展三維地質建模工作的指導用書，同時亦可作為地質及相關專業(yè)學生的專業(yè)參考書?！竟?jié)選】(一)地下水三維地質建模所需數(shù)據(jù)類型 在地下水三維地質建模中，會涉及的地質現(xiàn)象主要有：地貌(或地形)、地層、褶皺、斷裂、透鏡體及侵人體等，為刻畫這些地質現(xiàn)象，就需要用到地表數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、遙感影像數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)及剖面數(shù)據(jù)等。具體來說，為刻畫三維模型中的各種地質現(xiàn)象，需要的相關數(shù)據(jù)包括以下幾種： 1地表數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù) 地表數(shù)學高程模型數(shù)據(jù)用于生成三維地質結構模型頂面(地表面)，此部分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)屬于標準數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以ARCINFO數(shù)據(jù)格式存放。DEM數(shù)據(jù)比例尺有多種，其中，全國的1：25萬數(shù)據(jù)庫在空間上包含816幅地形圖數(shù)據(jù)，覆蓋整個國土范圍，國外部分沿國界外延25公里采集數(shù)據(jù)。地貌統(tǒng)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40 m、50 m、100 m三種，使用時可參照等分布圖確定。對于標準數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)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(xiàn)成的DEM數(shù)據(jù)，也可以自己使用專門的地理信息系統(tǒng)軟件用地形圖生產(chǎn)。即把紙質地形圖數(shù)字化及幾何糾正校準，然后進行高程信息的提取對等高線進行屏幕矢量跟蹤并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，最后用軟件進行內插值、裁剪生成DEM數(shù)據(jù)。 2遙感影像數(shù)據(jù) 遙感影像是地球空問數(shù)據(jù)最直接、時效性最強的數(shù)據(jù)形式，模型的表面需要用影像數(shù)據(jù)進行貼圖，來表達真實的地表景觀。由于影像數(shù)據(jù)的容量大，為了能夠快速、高質量地進行顯示，需要根據(jù)顯示的范圍、顯示的比例選擇分辨率最合適的影像進行紋理映射。一個模型可以有不同分辨率的多套衛(wèi)星航測影像數(shù)據(jù)，某些影像數(shù)據(jù)有可能只局限于某個局部。因此，在顯示時，所有的影像數(shù)據(jù)都需要讀入內存，以實現(xiàn)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(jù)顯示分辨率和比例的不同，轉換為不同分辨率的圖像如BMP、TIFF、GIF等圖像格式。 對遙感影像數(shù)據(jù)的處理主要包括對遙感影像的幾何精糾正和不同分辨率影像數(shù)據(jù)的融合。一般使用遙感處理軟件ERDAS和ENVI軟件進行處理。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(jīng)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準。遙感影像數(shù)據(jù)融合是將多波段低分辨率影像數(shù)據(jù)的光譜信息與單波段高分辨率影像數(shù)據(jù)的分辨率信息進行融合，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分辨率。 一個地表衛(wèi)星航測影像數(shù)據(jù)是一幅圖像和一些坐標配準參數(shù)。對于具體的影像圖片，要根據(jù)高程數(shù)據(jù)和相關軟件進行集成融合，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，在專門的數(shù)據(jù)庫中應記錄不同分辨率、不同區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。 3地表地理信息數(shù)據(jù) 地表地理信息數(shù)據(jù)，可以根據(jù)專業(yè)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(qū)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(qū)、居民地、鐵路、公路、水系、土地覆蓋等信息，并且可以簡單管理這些信息。這些數(shù)據(jù)可以是野外采集而來，也可由專用GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉換而來。這些圖元信息要在模型頂面展現(xiàn)。 4鉆孔數(shù)據(jù) 鉆孔數(shù)據(jù)是地質技術人員在野外鉆探現(xiàn)場記錄并整理的第一手技術資料，它對于模型的生成起直接或間接校正的作用，鉆孔數(shù)據(jù)一般在EXCEL表或ACCESS數(shù)據(jù)庫中存放。存放于EXCEL表的鉆孔數(shù)據(jù)，一般是區(qū)域數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不大，鉆孔信息分存于不同的表單中；存放于ACCESSS數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)，一般數(shù)據(jù)量大，為某一區(qū)域或區(qū)塊的鉆探數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)從ACCESS數(shù)據(jù)庫中讀入后，并不是直接應用，還需要進行人工或系統(tǒng)按照一定規(guī)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(jù)這些數(shù)據(jù)將鉆孔軌跡以圖形方式顯示在屏幕上。 不論是以EXCEL表還是ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲的鉆孔數(shù)據(jù)信息，它必須包含以下幾種基本信息：鉆孔編號、地理位置、孔口標高、終孔深度、分層信息及巖性等。其中，鉆孔編號字段類型為字符型，用于唯一標識一個鉆孑L，方便鉆孔對象的查找和數(shù)據(jù)的訪問；地理位置信息是為了記錄鉆孑L所處的空間位置，它包含兩個字段類型，均為浮點型數(shù)據(jù)，若為經(jīng)緯度形式的，則一個字段記錄經(jīng)度，另一字段記錄緯度，若為大地坐標形式的，則一個字段記錄x坐標，另一字段記錄Y坐標；孔口標高用于記錄鉆孔起始位置，字段類型為浮點型；終孔深度字段類型為浮點型，用于記錄鉆孔在垂向上的長度；分層信息字段類型為浮點型，用于記錄鉆孔所經(jīng)過地層的分層情況(一般記錄各分層的頂界面標高)；巖性字段類型為字符型，主要用于描述各個層位的巖性。 5地質平面數(shù)據(jù) 地質平面數(shù)據(jù)即地質平面圖，它主要反映各地層在地表出露的情況，對于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軟件中存放的數(shù)字形式的地質平面圖中，要求對于剝蝕線數(shù)據(jù)或地層出露線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) 剖面是地質專業(yè)人員根據(jù)工作要求，依據(jù)鉆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(jīng)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，由于各技術隊伍作圖采用軟件不同，圖形存放的文件格式也不盡 相同，主要有MAPGIS圖形數(shù)據(jù)格式和AUTOCAD圖形數(shù)據(jù)格式，地下水三維地質建模系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入可留出這兩種圖形文件數(shù)據(jù)接口。具體地說，若是MAPGIS-圖形格式，采用 把圖形數(shù)據(jù)轉換成MAPGIS明碼文件文本數(shù)據(jù)格式，再讀入系統(tǒng)進行復原即可；若是AU TOCAD圖形數(shù)據(jù)格式，可把DWG圖形文件格式轉換成DXF標準圖形文件格式，讀人系 統(tǒng)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巖 性顏色，即可在MAPGIS中調用剖面，做巖性顏色區(qū)文件，再輸出MAPGIS明碼文件，可 很好地解決剖面圖剖面數(shù)據(jù)輸入問題。對于三維建模系統(tǒng)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(shù)據(jù)中必須包含橫向比例尺、縱向比例尺、圖例等信息，方便系統(tǒng)對不同來源 62的剖面數(shù)據(jù)進行轉換。 7地層等值線數(shù)據(jù) 地層等值線數(shù)據(jù)是根據(jù)鉆孔資料、物探資料等，由專業(yè)技術人員繪制出的，反映地層 界面在空間中的變化情況。由于鉆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(shù)據(jù)可以表達一個面的信息，因此等值線數(shù)據(jù)對于精確建立各個地層 面位置及幾何形態(tài)具有很大的幫助作用。 在GIs軟件存放地層等值線數(shù)據(jù)，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(shù)值。 8斷層數(shù)據(jù) 斷層是地質構造的產(chǎn)物，表示地層的斷裂和錯動，它對于地質研究、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于地質體的生成、工區(qū)邊界 的確定起重要的作用，因此，逼真地刻畫斷層對于地質建模來說，是一項重要的工作。 斷層作為刻畫地下水系統(tǒng)模型空間面的一種數(shù)據(jù)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(chǎn)狀，斷層的水理性質。 斷層數(shù)據(jù)主要是以圖形的方式輸入，然后用來建模的。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了然，斷層產(chǎn)狀可由系 統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)或人工給定。斷層的水理性質對于后期地下水模擬計算是必須的，可存 放在數(shù)據(jù)庫中或直接存放于模型斷層屬性中。 9物探數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)中可得到：點位資料、層位劃分及其屬性。在地下水系統(tǒng)建模中，物探數(shù)據(jù)和 鉆孔數(shù)據(jù)具有相同的作用，根據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)，建模系統(tǒng)可以插值擬和地層面或斷層面。 10動態(tài)數(shù)據(jù) 動態(tài)數(shù)據(jù)是監(jiān)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征。影響地下水變動的主要因素是河川徑流、蒸發(fā)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(fā)展，人類活動對地下水動態(tài)過程 的干擾逐漸加劇。因此，利用地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，或系統(tǒng)模擬分析某時刻的水位數(shù)據(jù)，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(xiàn)地下水移動的動 態(tài)仿真。在地下水三維地質建模過程中，需建立專門的數(shù)據(jù)庫存放此類數(shù)據(jù)。 11相關文檔資料 文檔資料為建模區(qū)的勘探、科研報告，包括各種項目匯報書、區(qū)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(shù)據(jù)概化預處理 建立地下水三維可視化模型所需要的數(shù)據(jù)資料既有原始數(shù)據(jù)資料，又有模型所生成的 次生數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)可分為地表數(shù)據(jù)和地下數(shù)據(jù)。地表數(shù)據(jù)主要為衛(wèi)星影像和地表地理信 息數(shù)據(jù)，地下數(shù)據(jù)有鉆孔、剖面等反映地質結構的圖文數(shù)據(jù)。 63【目錄】目 次第一章緒言 (1) 一、必要性與可行性(1) 二、主要工作(1) 三、主要成果(3)第二章地質體三維建模技術與軟件的現(xiàn)狀分析(5) 第一節(jié)地質體三維建模技術的現(xiàn)狀分析(5) 一、基于體的建模方法(5) 二、基于面的建模方法(9) 三、混合建模方法(10) 四、泛權建模方法(11) 第二節(jié)地質體三維建模軟件的現(xiàn)狀分析(13) 一、國外主要地質體三維模擬軟件(14) 二、國內主要地質體三維模擬軟件(38) 三、國內外地質體三維模擬軟件現(xiàn)狀的探討分析(48)第三章地質體三維建模技術的應用體系研究(51) 第一節(jié)地質體三維建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(51) 一、礦區(qū)三維地質建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(51) 二、城市地質三維建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(53) 三、地下水三維地質建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(60) 第二節(jié)地質體三維建模的技術流程(65) 一、礦區(qū)三維地質建模的技術流程(65) 二、城市地質三維建模的技術流程(69) 三、地下水三維地質建模的技術流程(92)第四章主要地質體三維建模軟件的數(shù)據(jù)接口(97) 第一節(jié)Micromine軟件的數(shù)據(jù)接口(97) 一、地形等高線轉換(97) 二、剖面圖轉換(99) 三、探礦工程數(shù)據(jù)的轉換(109) 第二節(jié) surpac軟件的數(shù)據(jù)接口(113) 一、地形等高線轉換(113) 二、剖面圖轉換(115) 三、探礦工程數(shù)據(jù)的轉換(117)第三節(jié)3DGrid胡軟件的數(shù)據(jù)庫接口(121) 一、地形圖(121) 二、地表等高線DEM數(shù)據(jù)(121) 三、地表衛(wèi)星圖片(122) 四、剖面接口(122) 五、鉆孔接口(124)第四節(jié)Mapgis三維地質軟件的數(shù)據(jù)庫接口(127) 一、三維數(shù)據(jù)管理體系結構(127) 二、輸入輸出數(shù)據(jù)基本格式(128) 三、二維矢量數(shù)據(jù)轉換接口(129) 四、三維空間數(shù)據(jù)轉換接口(129) 五、基礎地理數(shù)據(jù)入庫接口(130) 六、鉆孔類屬性數(shù)據(jù)入庫接口(133)第五章主要地質體三維建模軟件的應用示范研究(137)第一節(jié)鶴慶北衙金礦三維地質建模示范(Micromine) (137) 一、示范區(qū)概況(137) 二、數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)組織(140) 三、建模流程(142) 四、小結(162)第二節(jié)迪慶普朗銅礦三維地質建模示范(Micromine) (166) 一、示范區(qū)概況(166) 二、數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)組織(168) 三、建模流程(170)第三節(jié)迪慶普朗銅礦三維地質建模示范(Surpac) (175) 一、數(shù)據(jù)庫的建立與操作(175) 二、創(chuàng)建輪廓線(176) 三、創(chuàng)建實體模型(176) 四、創(chuàng)建塊體模型(176) 五、資源量估算(182) 六、剖面分析(184)第四節(jié)基于Mapgis三維地質軟件的上海城市地質三維建模示范(184) 一、上海人民廣場地區(qū)三維地質建模研究(184) 二、上海臨港新城區(qū)三維地質結構建模研究(193) 第五節(jié)基于3D-Grid胡的上海城市地質三維建模示范(194) 一、結構模型(194) 二、屬性模型(196) 第六節(jié)基于3D-Grid的華北地下水三維地質建模示范(197) 一、建模所需資料概況(197) 二、建模流程(198) 三、華北平原三維地質分析(217) 第七節(jié)基于Mapgis的華北地下水三維地質建模示范(218) 一、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量(219) 二、水文地質剖面數(shù)據(jù)整理(219) 三、等值線與高程點數(shù)據(jù)整理(224) 四、水文地質鉆孔數(shù)據(jù)整理(225) 五、立體剖面構建(225) 六、實體模型的構建(225) 七、華北平原地下水三維地質模型介紹(230)第六章主要地質體三維建模軟件的對比分析(233) 第一節(jié)面向礦區(qū)三維地質建模的示范軟件的主要特點(233) 一、Micromine的主要特點(233) 二、Surpac的主要特點(234) 第二節(jié)MAPGIS三維