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摘要：对三维地质建模数据模型、算法、方法及软件开发等方面的进展情况进行了总结，并探讨了三维地质建模在工程地质勘察应用中遇到的问题及面临的挑战：（1）没有统一的三维地质建模标准；（2）三维地质模型的实时更新困难；（3）“正演”三维地质建模尚未实现，三维地质模型的准确性、精确度难以保障；（4）三维地质建模在工程地质勘察工作中的实用性有待加强。
关键词：三维地质建模；研究现状；工程地质勘察
Abstract：Thisarticlesummarizestheprogressofdatamodel，methods，andthesoftwaredevelopmentofthethree-dimensionalgeologicalmodeling.Thentheproblemandchallengewefacedintheapplicationofthethree-dimensionalgeologicalmodelinginengineeringgeologicalinvestigationarediscussed：（1）thereisnouniform3dgeologicalmodelingstandard；（2）thedifficultiesinupdating3dgeologicalmodelinrealtime；（3）3dgeologicalmodelhasnotbeenconstructedin"forward"way.Theaccuracyof3dgeologicalmodelishardtobeguaranteed；（4）thepracticabilityof3dgeologicalmodelinginengineeringgeologicalinvestigationneedstobestrengthened.
Keywords：three-dimensionalgeologicalmodeling；theprogressoftheresearch；engineeringgeologicalinvestigation
引言
所谓三维地质模型是指：使用适当的数据结构在计算机中建立起能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的数学模型[1]。它是基于现场勘测资料，通过数学曲面拟合与现代计算机图形学，利用点、线、面、体、网格、属性等元素[2]，将不均匀、不连续的地质信息可视化，能够形象直观的展示地下地质体结构，反应岩层界面与结构面组合关系，便于实现更准确、经济、高效的工程设计和施工方案，从而减少人类对地质问题认识的盲目性，降低地下工程设计和施工面临的风险。
自20世纪90年代提出“三维地质建模”概念以来，国内外学者对其理论及技术应用进行了大量的研究和探索，在三维地质建模数据模型、三维建模算法、三维建模方法及三维地质建模软件开发等方面都取得了一些有意义的成果。
1三维地质空间数据模型研究现状
空间数据模型是根据一定方案建立数据的逻辑组织方式，来描述空间数据的概念集合，包括对大量空间实体和空间关系的归纳[3]。可分为表面模型（FacialModel）、体元模型（VolumetricModel）和混合模型（MixedModel）三大类。
表面模型主要包括格网（Grid）模型、不规则三角网（TIN）模型[4.5]、边界表示（B-Rep）模型、线框模型（WireFrame）、多层DEMs模型、多面体表面模型等。表面模型可以形象、立体、较精确的描述三维空间体，但是难以进行空间分析。
体元模型分为规则体元模型和非规则体元模型，规则体元主要包括结构实体几何模型（CSG）、体素模型（Voxel）、八叉树模型（Octree）、针体模型（Needle）、块段模型（RegularBlock），非规则体元包括四面体格网模型（TEN）、三棱柱模型（TP）、金字塔模型（Pyramid）、地质细胞模型（Geocellular）、非规则块段模型（IrregularBlock）、实体模型（Solid）、3DVoronoi图模型等，另外，基于三棱柱模型还有类三棱柱模型（ATP）、广义三棱柱模型（GTP），似直三棱柱模型（ARTP）[6]。体元模型适用于空间操作和分析，存储空间大。
混合模型是将两种或两种以上数据模型加以综合，主要有Tin+Qctree混合构模、TIN+CSG混合构模、TEN+Octree混合构模等；基于混合结构的数据模型结合了不同单一数据模型的优点，但也存在数据量大、模型边界处不断转换以保持表示一致性的问题。
在此基础上，国内外学者相继提出许多新的三维空间数据模型。李青元、常燕卿、曹代勇等人研究了由五组拓扑关系结构组成的3D矢量模型[7]。陈军、郭薇、孙敏等人提出了单纯性拓扑空间的数据模型[8.9]。MoleNaar定义了由三维形式化矢量数据结构[10]。程朋根、龚健雅、刘少华等人研究了矢量与栅格集成的数据结构[11]。侯恩科、吴立新等提出的面向对象的三维体元拓扑数据模型，对所有对象类设计了12种拓扑关系和相应的数据结构[12]。崔阳、王华设计出具有较好通用性的地下管线三维矢量数据结构[13]。沙浩，杨洪军，杜群乐，马亚飞，王占刚实现了基于Geo3DML标准的三维地质模型数据与GOCAD三维地质模型数据的相互转换[14]。
2空间数据插值研究现状
空间数据的插值可描述为：给定一组已知空间数据，它们可以是离散点的形式，也可以是分区数据的形式，从这些数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并根据该函数关系式推求出区域范围其它任意点或任意分区的值[15]。根据利用己知点的空间分布范围，地质空间插值可以分为整体插值和局部插值两类[16]。地质空间常用的插值方法有：线性插值、多项式插值、距离幂次反比法（IDW；又称反距离权法）、非均匀有理样条（NURBS）、克里格插值法（Kriging）、离散光滑插值（DSI）、人工神经网络插值法、控制体有限元法、分形插值法等。克里格插值法（Kriging）为GIS软件地理统计插值的重要组成部[17.18]，包括普通克里格方法、泛克里格法、协同克里格法、对数正态克里格法、指示克里格法、折取克里格法等。随着与其他学科渗透形成的边缘学科，发展了一些新的克里格方法，如分形克里金法、三角克里金法、模糊克里金法，FanYang等通过克里格插值和贪心算法实现了不匹配网格的转换[19]。离散光滑插值（DSI）技术，目前已经成为地质模型计算机辅助设计系统（GoCAD）的核心技术之一[20.21]。
3三维地质建模软件发展现状
三维地质建模软件研究在国外开展的较早，主要集中在美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家。最初应用于矿产和石油领域，逐步过渡到工程地质领域。如澳大利亚Maptek公司的Vulcan，加拿大GemcomSoftwareInternational公司的Gemcom，KirkhamGeosystems公司的MicroLynx，英国VoluMetrix公司的FastTracker，美国德士古石油公司技术部开发的GridstatPro，CogniSeisDevelopment公司（CSD）研制的TerraCube、GeoSec3D，DynamicGraphics公司（DGI）的EarthVision，Rockware公司的Rockware系列，以色列ParadigmGeophysical的EarthModel，法国Schlumberger公司的PetrelWorkflow，Nancy大学开发的GoCAD、ItasCAD等。另外，还有三维建模和动画制作软件SoftImage、Maya、Solidwork和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等。
在国内，这方面的研究起步相对较晚，在诸多优秀学者和专家的研究下，获得了丰硕的成果。如北京华油吉澳开发的GeoTools系统、北京理正开发的LeadingGIS地理信息系统、北京东方泰坦公司和加拿大阿波罗集团共同研制开发的TitanGIS、北京灵图公司开发的VRMap三维地理信息系统、北京三地曼公司的3DMine软件、中国地质科学研究院矿产资源研究所开发的“探矿者（MinExplorer）”软件、武汉地大坤迪公司开发的GeoView和QuantyMine、以中国地质大学为研发基地发展起来的中地数码集团研发的MaPGIS系统等。
4三维地质建模方法研究现状
目前已有的三维地质建模方法很多，主要包括钻孔数据建模、剖面数据建模、多源数据的建模等。
钻孔数据建模是由LemonandJones提出的基于现有的钻孔数据构建三维地质模型的一种方法，朱良峰等人改进了地层高程调整方法，提出了河流倾淤作用下三维地层模型的构建[22]，并从理论上探讨考虑断层构造后对水平地层法的改进[23]。张煜等讨论了建模算法中确实地层尖灭处理细节[24]。施木俊等提出的用三角形面构实体作为基本单元，实现基于钻孔数据自动构建三维地层模型[25]。朱良峰、钟频等对于稀疏钻孔点引入虚拟钻孔点的建模方法，实现构建精细的三维地层模型[26.27]。刘振平等提出了一种利用GA-Kriging插值手段对地层属性进行插值，最终实现三维可视化快速建模[28]。唐丙寅等提出了一种直接基于钻孔的点→线→面→体快速递进三维地质建模方法，实现三维地质模型的快速构建[29]。李璐等首次引入子钻孔递归思想，利用表面建模方法，自下而上逐层创建三维地层模型，能适应地层尖灭、地层超覆、透镜体等复杂地质构造[30]。
剖面数据建模是在众多建模方法中较早被提出的[31]，也是目前使用较广泛的一种建模方法。它是基于原始地质勘探资料，通过建立分类数据库，人工交互生成大量的二维地质剖面，然后应用曲面构造法（边界表示法）生成各层位面进而表达三维地质模型，或者利用空间拓扑分析法直接进行地质体建模型[3]。薛林福、屈红刚、陈建平、邓飞等从基于平行剖面、基于交叉剖面、基于折剖面等方法构建三维地质模型[32-34]。
多源数据建模是融合原始地质勘探数据和二维解释剖面等多种来源的地质数据进行三维建模的一种方法[35]。郭艳军等提出基于钻孔数据和交叉折剖面约束的三维地层建模方法，解决了钻孔间复杂的地质现象难以控制的问题[36]。朱发华等从处理后的地质雷达数据中提取出虚拟钻孔数据，结合钻孔数据共同用于地层的三维建模[37]。
由于三维地质建模的复杂性，目前，尚未提出通用建模方法，需要根据实际情况选用合适的一种或多种建模方法，甚至采用人工干预手段确保三维地质模型的精确度。
5三维地质建模在工程地质勘察应用中问题探讨
5.1三维地质建模标准
三维地质建模技术应用推广面临许多问题，其中之一便是三维地质建模没有统一的建模方法、流程，实现不同软件构建的三维地质模型协同共享存在一定困难；另外，勘探规范中没有要求三维地质建模，地质勘探人员缺乏对勘探成果进行三维地质建模的积极性。不过，近些年我国三维地质建模技术发展迅速，由国土资源部中国地质调查局发展研究中心牵头制定的数据交换标准——《三维地质模型数据交换格式》（简称Geo3DML）标准已经作为中国地质调查局标准颁布实施。另外，由中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司主编的《行业标准水电工程三维地质建模技术规程》已经作为国家行业标准于2018年3月开始实施。该规程为水电工程三维地质建模的内容、流程和技术要求提供一个的标准，保证建模质量，提高工程地质分析能力和协同工作效率。
5.2二三维联动编辑
目前，在三维地质建模过程中，随着勘探进程的推进，勘探孔数量增加或二维剖面图数量增加、内容更新，经常出现人工干预修改三维图或者重新绘制三维图的情况。多次重复的建模工作影响建模效率，甚至出现在修改三维图过程中，造成已构建好的三维地质模型无法继续使用，需要重新构建的情况。因此，建议软件开发商在设计三维地质建模的过程中需要考虑二维平面图、剖面图、钻孔数据和三维图的一体化与联动编辑，不仅仅是实现二维平面图、剖面图随三维地质模型的改变而联动修改，更是实现三维地质界面随二维平面图、剖面图、钻孔数据更新、修改的联动修改。
5.3正演代替反演
从建模方法思路方面来说，三维地质建模包括正演和反演两种方法，正演模拟地质体的变化过程，反演侧重于利用现有的结果反演其变化历程。目前，三维地质模型的构建多采用“反演”的建模思路，即根据已有的二维平面图、剖面图构建三维地质模型。通过这种思路构建的三维地质模型多用于成果展示，而三维地质模型应体现其在工程地质勘察工作中的应用价值，即利用三维地质模型获取工程地质勘察成果。可以利用“正演”的建模思路实现三维地质模型在工程地质勘察工作中实际应用和展示的双重效果。但是，如何实现“正演”三维地质建模、检验三维地质模型的准确性、确保三维地质模型的精确度也是需要考虑的问题。
5.4应用于工程地质勘察一套式三维地质建模工具
目前，在工程地质勘察工作中多采用常规工程地质勘察和三维地质建模两套工作模式同时进行，重复的工作降低了地质勘察人员对构建三维地质模型的热情，阻碍三维地质建模的推广应用。因此，软件开发商可考虑采用应用于工程地质勘察一套式三维地质建模工具，在构建三维地质模型的同时，实现工程地质勘察中现场资料汇总、报告成图、数据整理分析、三维地质模型展示等功能，积极探索构建三维地质模型过程对实际工程的意义和实用价值。
6总结
三维地质建模从数据模型到技术方法仍然不够成熟，其技术发展从理论到实际应用是一个缓慢渐进的过程。目前，三维地质建模技术及其在工程地质勘察实际应用方面仍面临许多问题和挑战。主要表现在：（1）没有统一的三维地质建模标准；（2）三维地质模型的实时更新困难；（3）“正演”三维地质建模尚未实现，三维地质模型的准确性、精确度难以保障；（4）三维地质建模在工程地质勘察工作中的实用性有待加强。因此，仍需继续探索三维地质建模技术，将该技术在实际生产工作中进行推广应用。
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