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摘要：应用三维设计方法生成地质勘探中的一维地质模型，不仅可以直接显示地质体的空间形态和分布，还能快速生成各种地质剖面，有效地解决传统地质编制的各种问题。
关键词：地质三维勘察设计系统；建模；关键技术
前言
传统的地质信息都是基于二维的形式如地质平面图、剖面图等来表达，不能展示地质体在空间的展布情况及其相互关系，难于较直观、准确地对地质情况进行判断，造成隐伏地质信息的缺失。三维地质建模技术是地球空间信息科学的重要组成部分，是地质理论与计算机三维可视化技术有机结合的产物，随着计算机技术的不断发展，三维建模技术日渐成熟，建模软件应运而生，在各领域取得了一定的成果。
1三维构造建模的要素与地质规则
1.1三维构造建模的要素
几何、拓扑和属性是三维地质建模的３个基本要素。这３个要素也是三维构造建模的必要组成成分。
几何要素：其反映地质要素本身的空间位置及几何形态。地质对象般采用点、线、面、体来进行表达。
拓扑要素：拓扑学是几何学的一个重要分支，主要研究几何图形在连续变形（拓扑变换）下保持不变的性质。直线上的点和线的结合关系、顺序关系，以及曲线和曲面的闭合性质都是拓扑性质。这些拓扑不变性质对模型的表达和质量控制有着重要作用。拓扑可以分为微观拓扑和宏观拓扑。微观拓扑是在表达地质要素几何形态时反映几何元素（点、边、面等）之间的邻接关系，往往直接存储于相关的几何数据结构中；宏观拓扑反映地质界面或地质体之间的宏观接触关系，是对地质对象之间空间接触关系的逻辑表达，与其本身的几何形态无关。
属性要素：属性既可以是岩石物性（岩性、孔隙度、渗透率等），也可以是环境物理性质（温度、压力等），甚至也可以是几何属性（如产状、曲率等）。
1.2三维构造建模的地质规则
地质构造的边界表达模型本质上是非流形的（流形是局部具有欧几里得空间性质的空间，ｎ维流形实体内部任意点的局部拓扑维数为ｎ；如果存在一点的局部拓扑维数是不确定的，则称为非流形实体），但建模算法通常是在流形实体上实现，所以在建模过程中必须要有一定的规则来约束构造模型使其满足真实的地质情况。
1.2.1地质界面的可定侧性。地质界面的可定侧性是指它具有两个定义明确的侧面，如岩性的分界面，断层的定侧可以区分上盘、下盘等。不是所有三维曲面都可能成为地质界面，例如牟比乌斯环在地质上不存在，因其无法定侧。同样，三维地质体也不可能出现克莱因瓶那样的情况。
1.2.2地质界面的不自相交性。不同的地质实体由其表面分割开来，由于地质界面的可定侧原则，地质界面也就不可能自我相交，否则会出现二义性。
1.2.3地质界面接触关系的有效性。地质界面之间的接触关系主要是指断层与断层之间、地层与地层之间、断层与地层之间的宏观接触关系。根据拓扑原理，在用边界表达的实体模型建模中，表面只能在共同边界处相交。因此，在三维构造建模中，任何两个表面不能相互交叉，除非其中一个被另一个切断。这也就意味着地层单元也不能出现相交，即对于任意两个地层分界面Ｈｉ和Ｈｊ，Ｈｉ可能只处于Ｈｊ的一侧，或者只处于其另一侧。此时可能出现两种不同的地质接触关系：侵入或者剥蚀。一个地质界面可以通过一组连贯的边界曲线定义。考虑到地质建模的需要，地质界面的边界可以根据其来源或作用被分割成若干块逻辑边界。例如，一个地层面上的断层线由上盘和下盘两个逻辑边界构成。实际上，地层分界面必然会在断层、不整合和模型边界处终止；在岩石单位内部，当断层位移变为零时，断层就会消失。
1.2.4三维构造模型的一致性。三维构造模型的一致性是指地质界面接触处（相交处）保持拓扑和几何的一致性，简单的理解就是要保证在接触位置两个界面的边界共用相同顶点和边。三维构造模型的一致性是实现体积计算、三维网格剖分等数值运算和构造模型组织管理的基础。
1.2.5地质约束的有效性。构造建模在一定程度上就是将地质构造的真实特征要素在模型中体现出来。也就是，在实际应用中将地质数据转换为约束数据来约束构造模型的建立。如所建立的构造模型必须严格经过地层的采样点；在有测斜数据的情况下，测斜数据可转换为地层界面的产状约束等。
2工程地质三维勘察设计系统的关键技术
2.1工程地质三维设计系统架构
三维地质设计系统贯穿工程地质工作流程，包括从资料录入、分析、解释、推测、判断到成果应用、输出等多个环节，与传统的三维地质建模系统、三维地质信息系统的成果可视化不同，它强调地质生产全过程的介入。
2.2工程地质三维设计系统与CATIA三维设计软件的衔接
该系统通过与GOCAD三维地质建模软件相结合，实现了与CATIA三维设计软件的衔接。
2.3工程地质三维设计系统工作流程介绍
地质三维设计系统主要包括三维数据管理与分析模块、三维可视化模块、制图输出模块及系统管理模块。
地质人员将野外勘察成果在数据录入与检验模块中进行录入与检验（可快速录入），数检合格后由三维数据管理与分析模块导入系统；三维数据管理与分析模块负责对系统内所有的数据进行导入、集成存储和分析管理等；三维可视化模块从三维数据管理与分析模块中获取导入的数据，进行可视化显示浏览；制图输出模块从地质数据库或三维数据管理与分析模块中提取数据，进行数据处理、制图，将制图成果输出成dwg格式的CAD文件，在后继工程流程中应用；系统管理模块对本工程系统内的各模块、业务流程和可视化进行管理与控制。
2.4地质数据管理系统
系统能实现地质钻孔的数据录入，数据导入、导出，钻孔复制、删除等钻孔编辑功能，对钻孔的每个地层的属性能进行编辑，在数据录入的同时，能对钻孔地层进行可视化显示，根据地层设置用不同颜色表示钻孔的地层。还能对标贯、渗透、吕荣等原位测试数据进行管理与编辑，具体内容可根据需求进行调整，定制开发。数据录入模块结合理正软件和地质人员的使用习惯，进行了相应的优化配置，使勘探点表和钻孔表的表项数据能定制导入导出，并支持从csv格式文件中导入勘探点表和钻孔表；在数据未保存的状态下，刷新数据提示用户保存；导入导出路径的记忆功能；mark数据的统计剔除（按地层和按地质时代）并导出，支持csv格式导出。系统能导入dxf格式辅助设计数据文件，拥有辅助设计数据文件管理模块，能对数据信息进行查询，并导入dxf文件中点、线数据。系统也能兼容理正地质数据文件接口，利用理正数据库文件*.mdb，导入导出地质数据。
2.5地质三维可视化分析系统
由于GOCAD平台对初学者来说较难使用，不方便野外技术人员在现场录入数据后的成果观察，因此，有必要提供一个能够快速实用的简易化三维地质模型显示系统。野外的原始数据，按照数据录入前处理系统导入数据库后，即可以通过该系统显示出简单的地质结构化模型。这样的模型，既可以作为技术人员的现场参考，又可以作为后期复杂地质模型构建的前期数据基础，能够减少技术人员进行三维建模的难度，增加技术人员对三维系统工效性的理解，有效地提高数据的价值和使用效率。系统可以利用GOCAD对象文件，实现GOCAD数据的导入、导出，并可以在系统中查询、编辑GOCAD对象文件信息，对三维地质模型进行可视化分析。
结束语
随着地质勘察数据库的不断完善，地质勘察成果将实现高效的整合和共享，相关部门将可以通过地质数据服务快速获取工作区域完整、可靠的历史地质勘察资料，从三维数字化的模型和数据库中挖掘更多价值。
参考文献
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