地质体三维建模方法与技术指南

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容简

介

本书系统分析了目前国内外地质体三维模拟技术和应用软件开发的现状，由此提出了不同领域地质体

三维建模的数据需求、技术流程和主要建模软件的数据接口；详细阐述了Micmmine、surpac、Mapgis、

3D-Grid等三维地质体模拟软件在矿山、地下水、城市地质等领域的应用实践和示范工作，以及提交的相

应三维模型成果；并对今后如何展开相关工作提出了建议。

本书可作为开展三维地质建模工作的指导用书，同时亦可作为地质及相关专业学生的专业参考书。【节选】

(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、透镜体及侵人体等，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

地表数学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

遥感影像是地球空问数据最直接、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孑L，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孑L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，读人系

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

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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。

63【目录】目

次

第一章绪言……………………(1)

一、必要性与可行性……………………(1)

二、主要工作……………(1)

三、主要成果……………(3)

第二章地质体三维建模技术与软件的现状分析…………………(5)

第一节地质体三维建模技术的现状分析…………(5)

一、基于体的建模方法…………………(5)

二、基于面的建模方法…………………(9)

三、混合建模方法……………………(10)

四、泛权建模方法……………………(11)

第二节地质体三维建模软件的现状分析………(13)

一、国外主要地质体三维模拟软件…………………(14)

二、国内主要地质体三维模拟软件…………………(38)

三、国内外地质体三维模拟软件现状的探讨分析…………………(48)

第三章地质体三维建模技术的应用体系研究……(51)

第一节地质体三维建模的数据需求与数据组织…………………(51)

一、矿区三维地质建模的数据需求与数据组织……………………(51)

二、城市地质三维建模的数据需求与数据组织……………………(53)

三、地下水三维地质建模的数据需求与数据组织…………………(60)

第二节地质体三维建模的技术流程……………(65)

一、矿区三维地质建模的技术流程…………………(65)

二、城市地质三维建模的技术流程…………………(69)

三、地下水三维地质建模的技术流程………………(92)

第四章主要地质体三维建模软件的数据接口……(97)

第一节Micromine软件的数据接口……………(97)

一、地形等高线转换…………………(97)

二、剖面图转换………………………(99)

三、探矿工程数据的转换……………(109)

第二节

surpac软件的数据接口………………(113)

一、地形等高线转换…………………(113)

二、剖面图转换………………………(115)

三、探矿工程数据的转换……………(117)

第三节3D—Grid胡软件的数据库接口……………(121)

一、地形图……………(121)

二、地表等高线DEM数据…………(121)

三、地表卫星图片……………………(122)

四、剖面接口…………………………(122)

五、钻孔接口…………………………(124)

第四节Mapgis三维地质软件的数据库接口……(127)

一、三维数据管理体系结构…………(127)

二、输入输出数据基本格式…………(128)

三、二维矢量数据转换接口…………(129)

四、三维空间数据转换接口…………(129)

五、基础地理数据入库接口…………(130)

六、钻孔类属性数据入库接口……………………(133)

第五章主要地质体三维建模软件的应用示范研究………………(137)

第一节鹤庆北衙金矿三维地质建模示范(Micromine)

………(137)

一、示范区概况………………………(137)

二、数据源与数据组织………………(140)

三、建模流程…………………………(142)

四、小结………………(162)

第二节迪庆普朗铜矿三维地质建模示范(Micromine)

………(166)

一、示范区概况………………………(166)

二、数据源与数据组织………………(168)

三、建模流程…………………………(170)

第三节迪庆普朗铜矿三维地质建模示范(Surpac)

…………(175)

一、数据库的建立与操作……………(175)

二、创建轮廓线………………………(176)

三、创建实体模型…………(176)

四、创建块体模型……………………(176)

五、资源量估算……………………(182)

六、剖面分析…………………………(184)

第四节基于Mapgis三维地质软件的上海城市地质三维建模示范………………(184)

一、上海人民广场地区三维地质建模研究…………(184)

二、上海临港新城区三维地质结构建模研究………(193)

Ⅱ

第五节基于3D-Grid胡的上海城市地质三维建模示范…………(194)

一、结构模型…………………………(194)

二、属性模型…………………………(196)

第六节基于3D-Grid的华北地下水三维地质建模示范…………(197)

一、建模所需资料概况……………(197)

二、建模流程………………………(198)

三、华北平原三维地质分析…………(217)

第七节基于Mapgis的华北地下水三维地质建模示范…………(218)

一、数据类型及数据量………………(219)

二、水文地质剖面数据整理…………(219)

三、等值线与高程点数据整理………………………(224)

四、水文地质钻孔数据整理…………(225)

五、立体剖面构建……………………(225)

六、实体模型的构建……………………