三维地质建模及其在数字城市中的实际应用,对城市地下空间的信息管理、处理和应用是数字城市建设工程的一个重要的领域，随着地下空间的利用提到议事日程中来以后，其重要性更加凸现出来。 如下状况使得地下空间信息的重要性日益增强： 上海、杭州等城市的许多高楼坐落在厚层软弱泥岩层上，结果由于抽取地下水而造成大规模地面塌陷，对交通线、建筑物与防洪能力造成严重破坏； 桂林等城市整体坐落在溶洞群和阴河网络之上，溶洞崩塌和地面陷落的危险制约着城市的建设，安全隐患严重； 武汉市地下分布着一条宽1km、长45km的石灰岩带，由于岩溶发育和过量抽取地下水，引起地表陷落、楼房倒塌； 平顶山和焦作市地下采煤造成地面数十km2塌陷，但采空区分布状况至今不甚明了，潜在安全隐患且建设规划困难；,一、地下数字城市建设与三维地质建模,厦门市某房地产开发商将厦门市第一栋高楼的地盘选在古流沙体之上，地基开挖后因遇暴雨而发生沙基液化，花费了数千万元进行治理，仍因危及旁侧大楼而被迫停止； 香港和重庆等坐落于山麓的城市，因平整地基而致成千上万处危险边坡，建筑物和居民处于滑坡灾害的严重威胁之中； 唐山、海城、邢台、都江堰等地震灾区，一些楼房和建筑群处于活动断裂带上，地震时出现烈度异常，损失极为惨重； 香港特区的一个大型地下排污隧道工程，由于没有事先掌握地下地质结构信息，施工后被频繁发生的崩塌和涌水事故弄得措手不及，不仅安全没保证，而且浪费金钱、经常窝工。 北京市地下铁路、人防工程、地下商场、地下旅馆、地下仓库、地下管道，总面积几千万m2，每天有150万人进出，由于缺乏有效的空间信息管理手段，其安全与消防都存在严重问题。,一、地下数字城市与三维地质建模,地质体通常存在复杂结构和复杂演化历史，而且存在显著的参数信息不完全、结构信息不完全、关系信息不完全和演化信息不完全的情况。 对这种不良结构化或半结构化问题进行定量化描述十分困难，需要借助三维可视化建模技术，甚至三维动态可视化技术来提供新的洞察力，启迪思路，以便直观地感知和了解地质体、地质现象和地质过程。 同时，为了合理规划城市建设、充分利用地下空间，并且搞好城市地质灾害预防，也需要借助地质信息系统技术和三维可视化建模技术，建立起一个地下数字城市。,一、地下数字城市与三维地质建模,地质体的三维可视化建模，应当满足如下条件，方能满足城市地质勘查(察)与地下数字城市建设的实际需要： 提供完善的工具，可分别采用或混合采用钻孔、地震勘探、剖面图和平面图，甚至平洞、浅井和探槽资料，并且能与DEM、DOM及地表景观影象结合，实现地面、地下一体三维可视化建模； 能够方便地把测量、勘探、设计、施工等数据和工作流程集成起来，并能根据地质知识和经验对剖面进行编辑和信息补充，实现含地层尖灭、透镜体、溶洞、褶皱和断层的地质体自动建模； 能够有效地处理和描述复杂的地层结构、岩石组成、矿物成分、化学成分、物理参数、褶皱断裂、地下水的三维空间分布； 所建立的三维数字地质体应是矢量的，可支持进行地质空间和过程分析，以及地下工程设计，实现地下水动态和成矿成藏过程的三维动态模拟，以及地基稳定性评价和地质灾害的预测预报。,一、地下数字城市与三维地质建模,三维地质建模的关键技术包括： (1)符合地质体、地质结构空间特性的三维数据结构模型； (2)符合地质数据及其应用特点的三维动态建模技术； (3)复杂地质体与地质结构的三维可视化剪切分析技术； (4)基于多源、多维、多类数据的数字地质体自动重构技术； (5)基于多源、多维、多类数据的拓扑推理虚拟插值技术； (6)适应多源、多维、多类、多尺度、多时态、多主题特征地质数据及其空间对象相邻相关性的多种索引技术。,二、三维地质建模的关键技术,基于地质点源信息系统的三维地质建模技术平台GeoView,通过钻孔岩心柱的空间数据及其地质参数进行三维地质建模,香港元朗区,通过二维地质剖面图及其 地质参数进行真三维地质体与地质结构建模,通过二维地质剖面图生成 真三维地质体与地质结构的过程,先将构造平面图转变为空间曲面,通过地质平面图及其地质参数进行三维地质建模,再叠加岩相、岩性、地化和结构参数，进行真三维地质体建模,我国西部某特大型水电站的基底地质结构图,可任意切制剖面图、水平切面图，制作栅状图,特色是带断层的三维化,可任意切制剖面图、水平切面图，制作栅状图,我们可以旋转图形，从不同角度进行观察,可以抽出任意一个或几个目标层进行透视观察,例如，抽出棕黑色的一个软弱夹层进行透视观察,可以对所生成三维数字地质体进行空间查询,地下流沙层的空间查询结果显示,地下软弱夹层的空间查询结果显示,地下活动断层的空间查询结果显示,还可以任意地进行隧道、巷道、 竖井、斜井等挖刻分析,三维模型分析,浦口新市区,火车南站,三维可视化,31,空间矢量剪切分析,等值线分析,开挖分析,制作栅栏图,剖面自动生成,地质分析,32,实际应用演示,浦口新市区地下地质结构,实际应用演示,临清坳陷油气 运移和聚集动态模拟,腰站,沈庄,恩城,八里刘,松林,韩庄,许家屯,聊城,王果铺,堂邑,高塘,平原,现今(5Ma以来)C+P天然气运移聚集模拟结果 (图上编号为圈闭号),石炭-二叠系煤成气运移聚集模拟结果,模拟结果表明，16个具有天然气勘探前景的潜在气藏中，有个集中在堂邑凸起上，总聚集量占全盆地的 85以上。其中，号圈闭已经取得日产十几万立方的天然气产能。这是临清坳陷勘探50年来的第一次重大突破。,谢谢大家 ！,1.2.1 国外三维地质建模研究现状 国外的三维地质建模研究经历了从简单的线框建模、表面建模、体三维建模到集成建模的发展阶段。 地矿行业最早的 3D空间信息系统是由 Notley 和 Wilson 于20世纪70年代初开发的。 该系统基于三维线框模型(3D Wire Frames)。它通过平面和剖面图的数字化而得到的三维坐标，然后生成各种透视图。 该系统的功能非常简单，甚至没有达到真正意义上的三维可视化，但其开创性意义却是重大的，目前基于剖面图和平面图建立三维空间实体的方法，与此并无原则上差别。 到20世纪80年代，随着计算机技术的不断更新和三维造型技术的不断进步，出现了大量的表面建模软件，但其中较为著名的是法国的GOCAD。,GOCAD 是“地质对象计算机辅助设计”的英文缩写。地质体有简单、有复杂，但绝大部分非常复杂，因为地质体经常会受倒转褶皱、盐丘、以及逆向断层等构造事件的影响，因而建模较不容易。因为这种原因 GOCAD的研究组于 1989 年提出了一种全新的离散建模战略。 该战略的基本思想为：任何对象的表面形状是由三维空间的结点(点)的有限集合来定义；拓扑关系通过这些结点之间的连接来模拟；物理属性作为附加在这些结点上的值来模拟。 在实际当中这种离散的方法必须要通过一种功能强大的数学工具来帮助定义空间对象的结点进行物理属性和位置(x,y,z)的插值。出于这种要求，Mallet J.L.教授提出了著名的“离散光滑插值法” (Mallet,1989)。,在 GOCAD中，线表示为一维图形或一组相邻的线段，表面表示为二维图形或一套相邻的三角形。线或三角形结点的三维位置通过离散光滑插值计算得到，该法使得线或表面的粗糙度最小。 GOCAD系统均简化了可视化和模型创建的功能，在建模和可视化方面取得了很高的成就，尤其适合于表示非常复杂的地质构造. 但在表示非均质实体内部属性变化时存在局限性；并且该系统不具备对建成模型的动态修改功能。,到20世纪90年代以后，三维地质建模理论与方法开始向集成化方向发展。1994年加拿大Houlding提出三维地学建模(3D Geoscience Modeling)的概念，即在三维环境下将地质解译、空间信息管理、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析以及图形可视化等结合起来，并用于地质分析的技术。 他用专著详细阐述了基于有限的数据如何建立计算机模型来满足地质学家扩展地质解释、地质统计预测和图形显示的需要，基本技术方法包括空间数据库的建立、三角网生成方法、三角网面模型构建方法、三维三角网固化方法、地质体边界的划定和连接等许多方面。,随着相应理论基础的研究和深入，以及计算机技术的迅速发展，从20世纪90年代以来，国外出现了较多的大型的三维地学信息可视化软件。例如： 基于Unix 的有Datamine、Minecom、Surpac、Lynx、Vulcan等； 基于Windows的主要有GOCAD、SurpacVision、PC-Mine、MicroMine、Minemap等。 主要应用于地球物理、石油物探、石油开采和露天矿开采等领域 但是，由于受到具体地质条件的限制，这些国外软件对于地质空间三维建模，主要采用基于手工交互的静态建模方式，如何提高复杂地质体的三维建模效率，实现模型的动态重构与快速更新对于这些国外的三维建模软件依然是一个有待解决的难点问题。,1.2.2 国内三维地质建模研究现状 在国内三维地质建模的研究与应用开始于20世纪90年代初期，并逐渐成为研究热点领域。目前，很多高等院校和研究单位结合所属领域开展了这项研究工作，取得了一定的理论和应用成果。 中国科学院张菊明、陈昌彦等应用拟和函数法开发研制了边坡工程地质信息的三维可视化系统，应用于长江三峡永久船闸边坡工程中。 中国矿业大学吴立新、武强等(2001)设计了GTP实体模型，建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构，探讨了基于钻孔的局部更新建模。 中国地质大学(武汉)吴冲龙、刘刚、毛小平、田宜平等从1993年起对盆地三维地层格架建模方法进行了研究，并在IDL基础上开发了三维盆地建模与油气模拟软件GeoPtroModeling软件。 北京大学、武汉大学、南京大学、北京航空航天大学、中科院武汉岩土力学研究所等单位也结合特定研究取得了一些好成果。 在国内也出现了IMAGIS，GeoMo3D，TITIAN3D，VRMAP等地学三维可视化软件。总的看来，这些软件也有较高水平，但从稳定性、实用性和规模上都低于国外相关软件，并且基本上属于静态建模。,国外软件以GOCAD、Datamine、MicroMine、Surpac、Lynx等为代表，功能较优，但在表示非均质实体内部属性变化时存在局限性，并且该系统不具备对建成模型的动态修改功能，即实现模型的动态重构与快速更新；对于地质空间三维建模，主要采用基于手工交互的静态建模方式，对于复杂地质体的三维建模效率较低。 国内近期也出现了一系列如IMAGIS，GeoMo3D，TITIAN3D，VRMAP等地学三维可视化软件，总的看来也有较高水平，但从稳定性、实用性和规模上都低于国外相关软件，并且基本上属于静态建模，同样不方便实现模型的动态重构与快速更新。 为了解决这些问题，必须着重研究三维地质空间认知、三维地质体数据结构、三维地质建模体系与方法等，同时攻克三维地质体动态构模算法、三维地质体模型的插值拟合算法、三维地质体模型的简化算法以及三维混合空间索引方法等关键技术。,本文的主要研究内容包括： (1)通过对地质空间性质的归纳总结，提出三维地质空间的“混合空间认知模型”；并基于该空间认知提出了“EBRIM集成数据结构模型”。 (2)研究了基于钻孔、基于剖面和基于散点的三维地质体动态建模方法进行；提出了“基于钻孔的连续地层序列匹配动态建模算法”，实现钻孔地层自动对比与连接，有效的解决了在有断层和地层歼灭情况下基于钻孔的自动建模问题。 (3)提出了体元B-Rep混合表达的二体式三维数据结构，实现了复杂地质结构和属性值的三维可视化建模，并为解决数字复杂地质体的可视化剪切分析打下基础。 (4)提出了“基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构算法”,实现了无拓扑变化、地层尖灭、地层分叉情况和断层滑移等四种情况的拓扑推理自动判别与剖面自动对比构模，实现了这四种情况下基于任意剖面序列的三维地质体自动重构。 (5)提出“基于凸包剪切与限定散点集剖分的动态重构算法”，解决面模型不支持自动构模，而支持自动构模的体元剖分构模又由于数据量巨大而不具有实用性的问题