適於數值模擬的三維工程地質建模方法

① 地質體三維建模方法

在分析三維空間建模方面的國內外大量研究文獻的基礎上，目前主要有四種類型的建模方法：基於體的建模方法、基於面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛權建模方法。

表1-1 3D空間建模方法分類

1.基於體的建模方法

體模型基於3D空間的體元分割和真3D實體表達，體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行3D空間操作和分析。體元模型可以按體元的面數分為四面體（Tetrahedral）、六面體（Hexahedral）、稜柱體（Prismatic）和多面體（Polyhedral）等類型，也可以根據體元的規整性分為規則體元和不規則體元兩個大類。建模方法如下：

（1）規則塊體（Regular Block）建模；

（2）結構實體幾何（CSG）建模；

（3）3D體素（Voxel）建模；

（4）八叉樹（Octree）建模；

（5）針體（Needle）建模；

（6）四面體格網（TEN）建模；

（7）金字塔（Pyramid）模型；

（8）三稜柱（Tri-Prism，TP）建模；

（9）地質細胞（Geocellular）模型；

（10）不規則塊體（Irregular Block）建模；

（11）實體（Solid）建模；

（12）3D Voronoi圖模型；

（13）廣義三稜柱（GTP）建模。

2.基於面的建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面、構築物（建築物）及地下工程的輪廓與空間框架。所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。基於采樣點的TIN模型和基於數據內插的Grid模型通常用於非封閉表面模擬；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用於封閉表面或外部輪廓模擬。Section模型、Section-TIN混合模型及多層DEM模型通常用於地質建模。通過表面表示形成3D空間目標輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處由於缺少3D幾何描述和內部屬性記錄而難以進行3D空間查詢與分析。建模方法如下：

（1）TIN和Grid模型；

（2）邊界表示（B-Rep）模型；

（3）線框（Wire Frame）模型；

（4）斷面（Section）模型；

（5）斷面-三角網混合模型；

（6）多層DEM建模。

3.混合建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面等，通過表面表示形成3D目標的空間輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處是難以進行空間分析。基於體模型的建模方法側重於3D空間實體的邊界與內部的整體表示，如地層、礦體、水體、建築物等，通過對體的描述實現3D目標的空間表示，優點是易於進行空間操作和分析，但存儲空間大，計算速度慢。混合模型的目的則是綜合面模型和體模型的優點，以及綜合規則體元與不規則體元的優點，取長補短。主要包括如下混合建模方法：

（1）TIN-CSG混合建模；

（2）TIN-Octree混合建模；

（3）Wire Frame-Block混合建模；

（4）Octree-TEN混合建模；

（5）GTP-TEN混合建模。

4.泛權建模方法

陳樹銘認為地質三維領域中，地礦、石油的三維分析相對來說是比較簡單的，相比之下工程地質、水文地質等的三維分析更復雜，比如說在地礦、石油領域應用克里格方法基本就可以分析，但是對於工程地質、水文地質分析來說，克里格方法基本是不可行的。他認為目前主要有三類地質三維重構演算法，即剖面成面法、直接點面法，以及拓撲分析方法。在綜合應用概率統計、模糊、神經網路、插值、積分等理論的基礎上，構造了一種新演算法（他稱之為「泛權」演算法），其核心思想就是能對任意M維的連續、非連續邊界進行重構分析，並同時能耦合地模擬各種復雜背景因素的影響。

（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地質剖面的基礎上，再應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面，進而來表達三維體。比如國外的三維地質分析軟體GEOCOM就是採取此種思路的一個典型。具體的解決步驟如下：

①收集、整理原始地質資料，並進行柱狀和綜合分層；

②建立地質空間多參數資料庫；

③根據以上資料，應用人工互動式的地質剖面生成軟體平台，加上專家的人工干預生成各種各樣的空間地質剖面；

④分別根據各已計算剖面的地層分布結果，加上專家的干預、分析參數的控制來生成各個地質曲面；

⑤建立地層空間曲面構架資料庫；

⑥應用地質三維展示平台，基於地層空間曲面構架資料庫、地質空間多參數資料庫，來進行地質三維展示，三維切割分析、方量計算等功能。

（2）直接點面法。直接點面法的基本思路是，直接將原始的散狀數據進行有效的分層，直接根據各個層面的標高，應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面。比如國外的三維地質分析軟體ROCKWARE就是採取此種思路的一個典型。其解決步驟基本同於剖面成面法，只是沒有下文第3）步，但是地層曲面生成技術相對前者來說要更難一些。

（3）拓撲分析法。拓撲分析法的基本思路就是，基於各個層面的離散點，通過分析這些點的空間拓撲關系，構造地質體。目前來說進行拓撲分析基本採用六面體、四面體模型，或者是Delaunay四面體模型等。其與剖面成面法、直接點面法，在本質上沒有什麼區別，還是從離散的點出發去構造地質層面。

② 三維地質建模方法

自20世紀80年代以來，研究人員提出了許多三維地質模型來模擬地質體，使這方面的研究有了長足的發展。通過對國內外大量的三維地質建模方面的文獻和專業軟體的研究分析，三維地質建模方法大體可歸納為三類：離散點源法、剖面框架法和多源數據耦合建模法。

1.2.3.1 離散點源法

在地質找礦中，經常需要根據少量的離散點采樣數據(如地質測繪或鑽孔資料)來獲取地質體的形狀，從而為進一步指導找礦起指導性的作用。因此，研究如何實現空間散亂點數據場可視化的方法具有一定的意義。

Carlson(1987)從地質學的角度提出了地下空間結構的三維概念模型，並提出用單純復形模型(Simplicial Complex Model)來建立地質模型。Victor(1993)、Pilout(1994)則具體應用Delaunay四面體的三維矢量數據模型研究離散點地質建模問題。Lattuada(1995)對3DDT(3 Dimensional Delaunay Triangulation)在地質領域內的應用進行了研究，表明四面體格網能很好地用於地質體的三維建模，優點包括：四面體單元易於建立索引；模型易於手工編輯；可通過相鄰關系導出拓撲結構；約束三角剖分易於實現面約束；四面體非常便於可視化，同時具有較高的表達精度；易於實現搜索和關系查詢等。Courrioux et al.(2001)基於Voronoi圖實現了地質對象實體的自動重構。Frank et al.(2007)採用隱函數法(implicit function)表達三維曲面，對離散點集進行三維重構(reconstruction)，用來模擬斷層和鹽丘(salt dome)。楊欽(2001，2005)利用離散點源信息構建地層與斷層結構面，依此作為約束條件約束Delaunay剖分建立三維地質模型。

鑽孔數據也屬於一種點源信息。它實質上是將原始的點、線數據進行有效的分層，根據各層面標高應用曲面構造法來生成各個層面或實體。圍繞鑽孔數據進行三維地質建模已有許多學者進行了研究，其中較早利用鑽孔數據進行三維地質模擬的是加拿大學者Houlding(1994，2000)，利用鑽孔孔口點位信息進行 Delaunay三角剖分，作為「主 TIN(Primary TIN)」，其他地層面則通過高程映射實現。張煜等(2001)對其建模方法進行了深入研究與發展，在垂直鑽孔的理想狀態下，採用三稜柱(Tri-prism，TP)數據模型建立三維地質模型，並給出了相關的剖切演算法。Lemon et al.(2003)採用「地層層位法」建立三維地層模型，並採用自定義剖面(user-defined cross-sections)的方法對地質模型進行局部交互修正。吳江斌(2003)、朱合華等(2003)提出一種基於鑽孔數據的二分拓撲數據結構的建模演算法，嘗試採用基於鑽孔數據的四面體體元模型構建地下三維地質模型；四面體結構在表達復雜結構上則較靈活，但是使用四面體表示空間實體會產生大量的冗餘，且生成四面體的演算法比較復雜。張芳(2005)採用Delaunay三角構網技術，利用鑽孔數據構建三維地層層面模型，同時引入「界面分片」思想，以適應於海量數據模型的可視化表達，但缺少對地質體屬性信息的表達。在三稜柱模型的基礎上，針對鑽孔存在偏斜問題，類三稜柱(Analogical Tri-prism，ATP)(齊安文等，2002)、廣義三稜柱(Generalized Tri-prism，GTP)(Wu，2004)方法先後被提出，用來進行三維地質建模，已被證明廣泛適應於礦山、石油等深部地質問題建模；同時，似三稜柱(Similar Triprism，STP)(Gong et al.，2004)也被提出用於解決鑽孔傾斜問題，如鄭蔚等(2005)基於鑽孔數據採用STP建立三維地質模型對地下空間進行虛擬漫遊。STP與GTP本質上是相同的。基於鑽孔數據建立三維地質建模，這一看似簡單的數據模型方法，經歷了10多年的發展歷程：從初期的TP數據模型，適用於鑽孔垂直成層、地層等厚的理想情況，發展到STP、GTP適用於鑽孔不垂直且地層不等厚的常見情況。

1.2.3.2 剖面框架法

剖面框架法就是在收集整理原始地質勘探資料的基礎上，建立分類資料庫，人工交互生成大量的二維地質剖面，然後應用曲面構造法生成各層位面表達三維地質模型，或者利用體元表示法直接進行地質體建模(Chae et al.，1999)。

利用地質剖面表達研究區域三維地質現象的初級形式是序列地質剖面法(朱小弟等，2001)。序列地質剖面構模技術實質是傳統地質制圖方法的計算機實現，即通過平面圖或剖面圖來描述地質構造，記錄地質信息，如圖1.2所示。其特點是將3D問題2D化，在空間上採用若干平行或近似平行的地質剖面來表達研究區域的地質分布特徵，但它在空間表達上是不完整的，它把剖面之間的地層或構造分布情況留給工程設計人員去「想像」。這種構模方法難以完整表達3D礦床及其內部構造。

基於剖面信息建立真三維模型具有很大的發展空間，對於復雜地質構造區域具有很好的適應性，成為當前地質建模的主要方法之一。然而，基於剖面進行三維重構得到完善發展的是在醫學領域，後來迅速擴展到其他領域。在醫學領域里，通過電腦斷層掃描(CAT)或者核磁共振(MRI)等技術，可以獲得一系列相互平行的人體切片圖像，通過提取對象的邊界，基於輪廓線演算法，生成三維人體模型。地質剖面信息同醫學切片信息一樣，都是反映研究對象的某一特定斷面上的構造分布，可以藉助醫學三維人體建模技術來構造三維地質模型。較早將醫學領域的切面三維建模引入地學領域的是在考古學方面的應用(Tipper，1976，1977；Herbert et al.，1995)，主要應用在古生物的三維重構方面，而應用在三維地質建模方面的文獻並不很多。

圖1.2 序列地質剖面構模實例

公認的剖面三維重構的代表之作是Keppel的文章(Meyres et al.，1992；Herbert et al.，1995，2001；Xu et al.，2003；屈紅剛等，2003)。在Keppel的研究基礎上，Meyres(1992)將剖面建模方法分為4個子問題：對應問題(correspondence problem)、構網問題(tiling problem)、分支問題(branching problem)和光滑問題(fitting problem)：①對應問題解決相鄰剖面之間的輪廓線匹配問題；②構網問題主要解決輪廓線之間的三角形構網問題，考慮滿足某個准則，例如最大體積法(Keppel，1975)、最小面積法(Fuchsetal.，1977)等；③分支問題是解決同一對象在不同剖面上的組成部分的個數不同的問題；④光滑問題主要解決將初始生成的三角網進行插值，從而得到更加光滑的三角網。

屈紅剛等(2003)提出基於含拓撲剖面地質建模方法來實現復雜地質的三維建模的對應問題，鄧飛等(2007)則對一般意義上的剖面地質建模進行了討論。

1.2.3.3 多源數據耦合建模法

隨著計算機性能的提高，具備了對海量數據的處理能力，人們對建立的地質模型要求也不斷提高，希望能夠建立高精度和高復雜度的地質模型(Turner，2003，2006；Calcagno et al.，2006；Kaufmann et al.，2008)。提高模型的精度可以通過插值的方法來實現，但更好的方法是通過增加約束信息來對初始地質模型進行細化，這就涉及耦合多源數據來建立地質模型的問題。

早在1993年，Houlding提出三維地學建模概念的時候就強調地質解釋信息具備對模型的修正(revision)功能。並且指出礦業工程有地質勘探數據、人工繪制數據及施工數據，還有不確定性的需要通過地質統計學進行估計的數據(Houlding，2000)，最終的地質模型需要綜合考慮這些種類不同的數據。

McInerney et al.(2005a，b)認為三維地質建模只能部分上是一個數字地質采樣過程，更重要的是地質學家的人工解釋過程。並且尖銳地指出，不要指望一些計算機軟體能夠自動並成功地「建模」! 讓一個有經驗的地質學家輸入解釋性的信息進行建模，是現實和必要的；而軟體只是建模過程中提供便利的一個工具(There is no expectation that some computer software will successfully and automatically「builda model」! The reality is that interpretative input from a skilled geologist is essential to build a model；the software is simply a tool to facilitate the model-building process)。其要求實際上是，地質建模不僅要考慮地質勘探所獲取的確定性數據，還應加入地質工程人員對地質構造的解釋性數據，這就構成多源地質建模的基本思想。

Mallet(2002)針對地質體建模的特殊性和復雜性，以點、線數據為主要數據源，建立以三角形為基本單元的三維曲面，採用離散光滑插值技術(Discrete Smooth Interploate，DSI)使曲面的粗糙度最小，並作為GOCAD的核心技術，得到了許多地球物理公司和石油公司的支持。

相比較國外以石油、礦業工程為主要應用領域的三維地質建模，鍾登華等(2006)則從水利水電工程地質領域，研究多源地質數據建立壩區的三維地質模型。Wu et al.(2005)提出一種逐步細分的多源數據集成地質建模方法，考慮到地質數據大多比較稀疏和低采樣率的特徵，採用逐步細化的方法對初始地質模型不斷修正。

地質構造的復雜性和認識的階段性，使多源地質建模引起越來越多的研究興趣。32屆國際地質大會(International Geological Conference，IGC)於2004年在義大利佛羅倫薩召開，在「地質的復興(The Renaissance of Geology)」(Zanchi et al.，2007)議題上，多名國際知名的地學建模專家共同提到了多源地質建模問題。其中，Zanchi et al.(2008)藉助商業軟體對義大利境內阿爾卑斯山(Alps)利用多源地質建模問題進行研究，並應用於滑坡穩定性分析。西方發達國家主要將地質建模應用於能源與環境領域，這是為數不多的在工程建設領域開辟蹊徑的研究。無獨有偶，Kaufmann et al.(2008)嘗試採用多源地質建模，研究在廢棄煤礦巷道內進行天然氣儲存問題。

總體來看，三維地質建模技術是一個從簡單地層模擬到復雜地質構造模擬的發展過程。從最初基於單一數據建立簡單層狀三維地質模型，到綜合利用多源數據建立復雜地質模型，能夠反映地質構造的空間特徵。

③ 三維地質建模的簡介

三維地質建模（Three-dimensionalgeological modeling ）是一個基於數據/ 信息分析，合成的學科，或者說是一個整合各種學科的學科。這樣建立的地質模型匯總了各種信息和解釋結果。所以是否了解各種輸入數據/ 信息的優勢和不足是合理整合這些數據的關鍵。我們的儲層一般都會有多尺度上的非均質性和連續性，但是由於各種原因我們不可能直接測量到所有的這些細節。
那麼藉助於地質統計技術來生成比較真實的，代表我們對儲層非均質性和連續性的認識的模型是一個比較有效的研究儲層的手段。同一套數據可以生成很多相似的但是又不同的模型，這些模型就是隨機（stochastic）的。
那麼什麼是地質模型呢？地質模型是一個三維網格體。這些網格建立在surface，斷層和層位的基礎之上。它決定了儲層的構造和幾何形態。網格中的每一個節點都有一系列屬性，比如孔隙度，滲透率，含水飽和度等等。一般來說，節點的尺度為200英尺×200英尺×1英尺。不過具體的模型節點尺度要取決於油田的大小，要解決的關鍵地質問題的尺度以及模型的商業用途。不同情況下建立的地質模型節點尺度會有很大差別。地質模型的建立可以細分為三步：建立模型框架，建立岩相模型，建立岩石物性模型。

④ 對三維地質建模的一些新認識

三維地質模擬的目標是將離散的空間地質采樣樣本點數據轉變為連續、可視的三維地質模型。國內外在該領域的研究重點、研究方法及應用領域等方面存在一定的不同。

(1)西方發達國家越來越重視能源與環保在國家戰略中的重要地位，研究重點集中在石油、天然氣的開采，地熱、水資源保護與利用等方面；而國內處於經濟快速發展階段，對基礎設施，尤其是城市地下空間開發、高速公路隧道等方面，有巨大的需求，從而推動地質建模方法的研究開發與利用。實質上，這里存在一個地質建模尺度問題，地質建模分為區域尺度、工程尺度、統計尺度、標本尺度(張發明，2007)，國外地質建模重點在於表現區域尺度特徵(如波蘭已建立的國家級地質模型)，就可以忽略地質中的一些細節，比如地層以系為單位，則做出來的模型大氣而又漂亮。而國內現在的重點在工程尺度上，需要對影響工程建設的褶皺、斷層等構造進行精確描述，對建模技術有相對較高的要求。國外以其雄厚的技術實力，在礦山開采地質建模方面處於技術領先地位，但礦山行業的重點在於對礦石品位及儲量的評價和預測方面。

(2)從對地質體內部屬性的處理分析方面，可將地質建模分為結構建模和屬性建模(潘懋等，2007)。結構建模側重於對地質體空間位置、幾何形態和空間關系的表達，認為地質體內部屬性是均一的；屬性建模則通過地質統計學等方法實現地質體內部屬性的非均一性表達。結合地質勘探的數據成果，地質建模可從結構建模開始，由結構建模來展現地層和構造的宏觀分布，然後經過屬性插值來反映其內部差異。

(3)目前，還沒有一種地質建模方法能適合所有的應用領域。試圖以一種方法來建立研究區域的三維地質模型，缺少對不同場地特徵的層次性考慮。實際應用中，應根據具體的三維建模目的、地質構造特徵及現有地質資料來選擇合適的建模方法。根據建模所使用的數據源不同，如野外實測數據(地質測繪、鑽井數據)、人工繪制數據(如地質剖面)及多源數據等，並結合場地特徵，選擇適合的地質建模方法。可以對地質建模從技術上進行總體分類：數據驅動型和技術驅動型。在當前工程實踐中，地質信息的獲取以地表的地形地質測繪、地下的地質勘探為主，以衛星遙感、物探等技術為輔，以現有工程地質數據建立研究區域三維地質模型構成數據驅動型建模方法。隨著建模技術的發展和三維地質信息獲取手段的豐富，以已有建模技術和應用目標為導向，進行相應的地質信息獲取，然後建立三維地質模型，這種方法稱為技術驅動型建模方法。

(4)將三維地質模型應用於實際工程中才是地質建模的本質目標，通過工程應用發現問題，反過來可以推動地質建模方法的發展。對比國內外在三維地質建模研究方面的差距，可以發現國外集中在三維地質體的可視化表達、建模技術及應用技術三個領域，而國內則集中在系統架構、外在表現形式方面研究較多，對於其中可能涉及的關鍵技術研究的相對較少。

⑤ 三維建模方法對比

根據地質標本的體積形態、外表色彩多樣、表面不平滑的特性，以及建模的精內度和工作量等，重點分容析了3種建模技術的適應性。

1）三維激光掃描技術：建模方法精度高、速度快、省時省力，適合一些價值高的實物建模，並明顯優於其他的三維建模軟體，但成本相對較高。

2）三維全景照相技術（360°全景）：建模方法比三維激光掃描技術精度低，可以降低建模成本，適用於價值中等的實物地質資料建模。

3）三維虛擬模型技術：建模方法採用多邊形網格將三維模型的表面連接成以多邊形為單位的網格，來表現復雜的物體表面，提供了更強的適應性，可人工調整模型，處理色彩、文字。該方法工作量較大、構建過程復雜、精度偏低，適用於結構簡單的物體建模。但對於凹陷、穿孔、色澤較暗的岩石標本，優於三維激光掃描建模、三維全景合成建模。

⑥ 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。

⑦ §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。

⑧ 三維地質建模的地質模型

地質模型的主要用途有以下幾種：
1、為油藏數值模擬提供三位地質數據體。因為控制油藏流體流動的許多因素來自於儲層的地質特徵。在許多情況下正是因為油藏工程師需要准確預測油藏的生產情況，我們才進行儲層建模。地質模型的網格一般都比油藏數值模型的網格要細，所以地質模型在輸入數值模擬器之前需要經過一個網格粗化過程。在網格粗化過程中，如何保留住小尺度地質特徵對流體的影響是一個關鍵。如果網格粗化過程過濾掉/ 忽略了小尺度地質特徵對流體的影響，那麼這個粗化的地質模型並不能代表原來的精細地質模型，可想而知用這個變形的地質模型進行數值模擬，其結果的參考價值也就大大降低。
2、用來計算含油氣孔隙體積，或者儲量。與二維模型相比，三維地質模型具有獨特的優勢，可以用來計算比較真實的孔隙體積，它也可以用來計算油田儲量。在某些情況下，油田開發和生產階段需要一個嚴格的儲量計算，這可以通過地質建模得到。
3、幫助布井。地質模型可以用來優化評價井的數目和其井位部署；我們也可以從地質模型識別出儲層的「sweetspots」，或者計算單井的可產出量；通過三維地質模型，我們可以設計井的鑽探軌跡以鑽遇單個砂體，或者對井位部署/ 鑽探軌跡vs。油氣目標層進行詳細的三維空間分析。這樣就會減少鑽遇差儲層的機會。當然地質模型對布井的價值完全取決於模型本身的准確度。如果地質模型幾乎沒有整合可靠的數據（harddata，如井資料）或者模型所依據的地質概念並不可靠（還屬於推測階段），那麼這樣建立的地質模型對詳細布井並沒有多大幫助。隨著井資料的增多和地質概念的成熟，地質模型的價值也會增加。
4、進行斷層封堵分析和預測。地質模型把構造和地層格架結合到一起，這有利於我們進行斷層的封堵性預測。一般來說斷層的封堵有兩種情況：一是斷層兩邊砂岩對砂岩接觸面的減少，二是斷層處由於斷層泥的存在，其對流體的傳導性降低。我們可以通過計算斷層的垂向和橫向上的斷距，或者計算砂岩對砂岩的疊置關系，或者估算斷層泥存在的可能性及其影響來預測斷層的封堵性。實際上，斷層的封堵性預測工作很復雜，需要大量的解釋和對比校對，目前這是一個比較熱門的研究課題。
5、進行油田監測。無論是一次採油階段還是二次採油階段，地質模型都是一個監測油田含水飽和度的有效工具。地質模型可以用來監測油藏的動態。
6、有效的交流平台。地質模型的存在，為地質師、油藏工程師、鑽井師提供了一個交流的平台。這些不同領域的工作人員關心的問題不同，行業語言也不凈相同，但是當他們聚集在一起對著同一個地質模型進行交流的時候，相同的討論目標（這里指地質模型）會促進他們之間的相互理解，同時地質模型的可視化也可以提高他們對油藏的認識。當然模型的可視化也可以幫助我們QC地質模型。如果看到很奇怪的特徵就說明模型的什麼地方出錯了。
從地質模型的這些作用我們可以看出地質建模貫穿在油田勘探開發的各個階段。一個油田的生命周期通常可以劃分為四個階段：勘探評估階段，開發規劃階段，油田開發初期，油田開發晚期。不同階段要解決的問題不同，所以建模的精細度也不一樣。從勘探時起到開發晚期，模型的精度不斷增加。
在勘探評估階段，要解決的主要問題通常是：油藏有多大？具有商業價值嗎？主要的不確定因素是什麼？地質建模工作者要回答這些問題，幫助公司決策者做出正確的決定。在這種情況下，很多人認為要把模型建的足夠精細以減少技術上的失誤，從而為決策者提供一個完美的參考模型。其實如果把很多細節都包括到模型中去，反而為妨礙我們對主要地質參數的不確定性分析，這樣也會導致不明智的決策。所以說精細並不意味著准確。這個階段的地質模型應該著重於確定油藏的總容量（確定控制油藏的地層或構造界面）。在尺度上只要劃分出第3和第4級的層序地層界面就行了。至於岩石物性，給模型選區一個合理的平均值也足夠了。這個階段的重要任務是作儲層主要參數（如平均孔隙度）的不確定性分析。

⑨ 三維地質建模任務

三維地質建模的核心任務是建立地質對象的三維地質模型，使其能夠完整准確地表達各種地質現象，描述地質對象的空間分布特徵、空間關系及其屬性特徵等，使地質模型對地質分析、工程決策等實際工作具有宏觀指導作用。

所謂三維地質模型是採用適當的數據結構在計算機中建立的能反映地質構造的形態、各構造要素之間的關系以及地質對象物理、化學屬性分布等地質特徵的數字化模型(宮法明，2002)。簡單地說，就是描述地質體的空間分布特徵、屬性特徵及其空間關系特徵(侯恩科等，2002)。三維地質模型應具有確定性、可視性、可動態修正等基本特徵(McInerney et al.，2005a，b；Kaufmann et al.，2008)。利用三維地質模型可以以三維真實感圖形的形式形象地表達地質構造的真實形態、特徵以及三維空間物化參數的分布規律。

然而，地質對象的形態結構差別較大，內部屬性不均一，盡管如此，仍可以用兩類特性來表達地質對象：即實體的幾何形態及其內部參數變化(Mallet，2002；鄭貴洲等，2004)，也就是通常所說的地質對象的幾何特徵與屬性特徵。潘懋等(2007)指出，地質建模可分為兩類：一類是地質體結構構造模型，即結構模型，另一類是地質體內部的物理、化學屬性參數模型，即屬性模型。通常應該是在三維地質體結構模型的基礎上構建屬性模型，並建立屬性數據與地質體幾何結構模型的對應關系。總之，將地質建模分為結構建模和屬性建模，張發明(2007)持同樣觀點，強調地質結構建模的重要性。因此，本書的研究重點為地質對象的結構建模。

這里，強調地質結構建模的重要性，則必須從地質對象的幾何形態方面考慮。地質對象根據幾何形態特徵可分為層狀實體和非層狀實體(鄭貴洲等，2004)，層狀實體占據地球表面的大部分，包括沉積岩及部分變質岩。按照地質體的連續性和復雜程度，可將層狀地質體分為簡單層狀地質體(連續層狀地質體)和復雜層狀地質體(非連續層狀地質體)兩類。簡單層狀地質體，是指未經變形或輕微變形、形態相對簡單、連續的地質實體，它沒有被斷層或節理切割，層與層之間為整合接觸，在每一層內沒有垂直方向的屬性變化，如構造簡單區內較為完整連續的地層，它們具有水平或傾斜的狀態，形態較為規則。復雜層狀地質體即非連續層狀地質體，是指被斷層或節理切割的地層，斷層兩側的地層發生了顯著的位移。復雜層狀地質體包括被褶皺、斷層破壞的地層、受岩漿岩侵入或鹽丘擠入而產生的具有不規則形態的地層、內部存在復雜變化的地層等，這類地層雖然形態復雜，但仍具有成層性。復雜層狀地質體又可分為斷裂型復雜層狀地質體、褶皺型復雜層狀地質體等。

從地質構造的角度，Pinto和Casas總結了地質體的形態(鄭貴洲等，2004)，歸納為五類：褶皺構造、岩脈和岩礦構造、斷層構造、透鏡體結構、丘狀構造。這五類模型能夠很全面地代表實際地質模型。因此，整個建模的研究重點是對圖2.14所示地質對象的模擬。考慮到問題的復雜性，只對層狀地質體和斷層、褶皺構造進行重點研究，研究其空間形態、分布等結構性特徵。

圖2.14 地質建模分類

事實上，早期的地質學家考慮直接採用計算機技術進行地質建模研究。Kelk＆Challen(1992)曾經嘗試利用CAD系統建立地質模型，結果很不理想。CAD是基於多項式的連續函數的方法，目的是為建立漂亮的曲線或曲面(Mallet，2002)，而地質對象具有復雜的幾何形狀、拓撲關系、尺度依賴性與屬性特徵，難以用簡單的數學函數來表達各種地質構造現象。例如，倒轉褶皺構造的幾何形狀和拓撲關系非常復雜，其邊界難以確定，但是工人製造零部件，形狀規則，各向同性，非常適合用CAD來設計(Turner，2005)。地質體是由各種地質結構面(不連續面、虛擬邊界面)包圍所形成的實體對象(張發明，2007)，是一種離散的結構體系，必須擯棄傳統的CAD方法而採用一種新的視野來考慮(Mallet，2002)。因此，最好的方法是從地質構造出發來研究地質建模方法。

⑩ 無縫地質建模的基本原理

應用於數值模擬的地質模型應符合以下要求:①不僅能夠刻畫復雜地質特徵、地質現象等自然對象，還能夠刻畫工程建築、人工開挖面等非自然對象;②可以被剖分成連續的、拓撲相容且具有較高質量的計算網格;③能夠根據岩體質量評價以及岩體力學試驗的成果，方便地進行岩體力學參數的設置與調整。

本書第2章介紹的三維無縫地質模型滿足幾何連續、拓撲與地質相容條件，是適合於數值模擬的地質模型表達方式。無縫地質模型由若干簡單塊體組成，每個簡單塊體由若干簡單曲面圍成。在保持所有簡單塊體邊界不變的條件下，如果將每個簡單塊體剖分成四面體網格，無縫地質模型將成為一個三維簡單復形。

無縫地質建模是用來創建三維無縫地質模型的方法。該方法的核心思想是:先利用曲面求交與曲線求交方法構建模型的統一線框架，以保證不同界面之間的無縫連接，即實現不同界面在相交處幾何連續、拓撲相容;然後以統一線框架為約束，進行界面的編輯與重構;再利用塊體搜索方法搜索簡單塊體並組建無縫模型;最後按照一定的規模，以簡單塊體的邊界為約束將無縫模型剖分成四面體網格(Xu等，2009)。

該方法的具體步驟如下:

(1)多源數據分析與地質模型的概化。地質建模的原始數據是由鑽探、物探、坑探、地面勘探與測量等手段所獲取的地質特徵的空間分布信息與物理屬性，數據的來源眾多、分布不均勻、可靠程度不一。建模時需要根據這些數據進行地質分析，進行地質概化，建立概念地質模型。

(2)模擬模型中的各類界面形成原始界面集。根據所確定的建模範圍與坐標系，選擇合適的參考面模擬地層界面與斷層界面。對地層界面進行疊合處理，消除地層交叉現象。

(3)創建模型統一線框架。進行原始界面的求交運算，並將交線與所有界面上的界線組成原始線框架;通過界線求交、簡單弧劃分等運算構建模型的線框架，並形成所有原始界面的界線輪廓。

(4)編輯與重構地質界面。根據界面的交切狀況，利用界面編輯規則或人機交互方法，編輯所有原始界面的界線輪廓，刪除多餘部分;以編輯後的界線輪廓為約束，重新剖分與插值所有界面。

(5)搜索簡單塊體。利用塊體搜索技術搜索簡單塊體，並根據屬性將塊體進行歸類，形成三維無縫地質模型。

(6)將無縫地質模型剖分成四面體網格。根據需要，以簡單塊體的邊界為約束，將所有簡單塊體剖分成四面體網格。