地質(zhì)體三維建模方法與技術(shù)指南.doc

內(nèi) 容簡(jiǎn) 介 本書(shū)系統(tǒng)分析了目前國(guó)內(nèi)外地質(zhì)體三維模擬技術(shù)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，由此提出了不同領(lǐng)域地質(zhì)體三維建模的數(shù)據(jù)需求、技術(shù)流程和主要建模軟件的數(shù)據(jù)接口；詳細(xì)闡述了Micmmine、surpac、Mapgis、3D-Grid等三維地質(zhì)體模擬軟件在礦山、地下水、城市地質(zhì)等領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐和示范工作，以及提交的相應(yīng)三維模型成果；并對(duì)今后如何展開(kāi)相關(guān)工作提出了建議。 本書(shū)可作為開(kāi)展三維地質(zhì)建模工作的指導(dǎo)用書(shū)，同時(shí)亦可作為地質(zhì)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)參考書(shū)?！竟?jié)選】(一)地下水三維地質(zhì)建模所需數(shù)據(jù)類型 在地下水三維地質(zhì)建模中，會(huì)涉及的地質(zhì)現(xiàn)象主要有：地貌(或地形)、地層、褶皺、斷裂、透鏡體及侵人體等，為刻畫(huà)這些地質(zhì)現(xiàn)象，就需要用到地表數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、遙感影像數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)及剖面數(shù)據(jù)等。具體來(lái)說(shuō)，為刻畫(huà)三維模型中的各種地質(zhì)現(xiàn)象，需要的相關(guān)數(shù)據(jù)包括以下幾種： 1地表數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù) 地表數(shù)學(xué)高程模型數(shù)據(jù)用于生成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型頂面(地表面)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)可以從測(cè)繪主管部門獲取或向國(guó)家測(cè)繪局基礎(chǔ)地理信息中心購(gòu)買，從基礎(chǔ)地理信息中心購(gòu)買的數(shù)據(jù)屬于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以ARCINFO數(shù)據(jù)格式存放。DEM數(shù)據(jù)比例尺有多種，其中，全國(guó)的1：25萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)在空間上包含816幅地形圖數(shù)據(jù)，覆蓋整個(gè)國(guó)土范圍，國(guó)外部分沿國(guó)界外延25公里采集數(shù)據(jù)。地貌統(tǒng)一在TERLK層中存放，包括等高線、等深線、沖溝等，DEM等高線的等高距，在全國(guó)范圍內(nèi)共分40 m、50 m、100 m三種，使用時(shí)可參照等分布圖確定。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、比例變換、投影變換等多種處理。 另外，如果不能獲取現(xiàn)成的DEM數(shù)據(jù)，也可以自己使用專門的地理信息系統(tǒng)軟件用地形圖生產(chǎn)。即把紙質(zhì)地形圖數(shù)字化及幾何糾正校準(zhǔn)，然后進(jìn)行高程信息的提取對(duì)等高線進(jìn)行屏幕矢量跟蹤并對(duì)等高線標(biāo)賦高程值，同時(shí)編輯、檢查、拼接以生成各種拓?fù)潢P(guān)系，最后用軟件進(jìn)行內(nèi)插值、裁剪生成DEM數(shù)據(jù)。 2遙感影像數(shù)據(jù) 遙感影像是地球空問(wèn)數(shù)據(jù)最直接、時(shí)效性最強(qiáng)的數(shù)據(jù)形式，模型的表面需要用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖，來(lái)表達(dá)真實(shí)的地表景觀。由于影像數(shù)據(jù)的容量大，為了能夠快速、高質(zhì)量地進(jìn)行顯示，需要根據(jù)顯示的范圍、顯示的比例選擇分辨率最合適的影像進(jìn)行紋理映射。一個(gè)模型可以有不同分辨率的多套衛(wèi)星航測(cè)影像數(shù)據(jù)，某些影像數(shù)據(jù)有可能只局限于某個(gè)局部。因此，在顯示時(shí)，所有的影像數(shù)據(jù)都需要讀入內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)多分辨顯示。這就需要在技術(shù)上做一些處理，比如圖像格式的轉(zhuǎn)換，根據(jù)顯示分辨率和比例的不同，轉(zhuǎn)換為不同分辨率的圖像如BMP、TIFF、GIF等圖像格式。 對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的處理主要包括對(duì)遙感影像的幾何精糾正和不同分辨率影像數(shù)據(jù)的融合。一般使用遙感處理軟件ERDAS和ENVI軟件進(jìn)行處理。遙感影像幾何精糾正的目的是對(duì)圖像地物象元進(jìn)行坐標(biāo)匹備，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換運(yùn)算和重采樣，使得遙感影像帶上地圖投影和地理坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)。遙感影像數(shù)據(jù)融合是將多波段低分辨率影像數(shù)據(jù)的光譜信息與單波段高分辨率影像數(shù)據(jù)的分辨率信息進(jìn)行融合，以獲取在盡量不減少光譜信息的基礎(chǔ)上，提高遙感影像的空間分辨率。 一個(gè)地表衛(wèi)星航測(cè)影像數(shù)據(jù)是一幅圖像和一些坐標(biāo)配準(zhǔn)參數(shù)。對(duì)于具體的影像圖片，要根據(jù)高程數(shù)據(jù)和相關(guān)軟件進(jìn)行集成融合，精度匹配，即解決投影變換、比例縮放、范圍裁減、坐標(biāo)匹配等問(wèn)題。為此，在專門的數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)記錄不同分辨率、不同區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。 3地表地理信息數(shù)據(jù) 地表地理信息數(shù)據(jù)，可以根據(jù)專業(yè)要求在三維模型的表面進(jìn)行各種圖元的標(biāo)注，不僅可以繪制點(diǎn)、線、區(qū)的圖元，而且可以標(biāo)注文字及圖形圖像，來(lái)表達(dá)與模型地表幾何模型有關(guān)的屬性信息，如河流、鐵路、公路、湖泊、城市、政區(qū)、居民地、鐵路、公路、水系、土地覆蓋等信息，并且可以簡(jiǎn)單管理這些信息。這些數(shù)據(jù)可以是野外采集而來(lái)，也可由專用GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來(lái)。這些圖元信息要在模型頂面展現(xiàn)。 4鉆孔數(shù)據(jù) 鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)技術(shù)人員在野外鉆探現(xiàn)場(chǎng)記錄并整理的第一手技術(shù)資料，它對(duì)于模型的生成起直接或間接校正的作用，鉆孔數(shù)據(jù)一般在EXCEL表或ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中存放。存放于EXCEL表的鉆孔數(shù)據(jù)，一般是區(qū)域數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不大，鉆孔信息分存于不同的表單中；存放于ACCESSS數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔數(shù)據(jù)，一般數(shù)據(jù)量大，為某一區(qū)域或區(qū)塊的鉆探數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)從ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中讀入后，并不是直接應(yīng)用，還需要進(jìn)行人工或系統(tǒng)按照一定規(guī)則進(jìn)行概化處理，才能參與建模，在進(jìn)行模型編輯生成時(shí)，還可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)將鉆孔軌跡以圖形方式顯示在屏幕上。 不論是以EXCEL表還是ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的鉆孔數(shù)據(jù)信息，它必須包含以下幾種基本信息：鉆孔編號(hào)、地理位置、孔口標(biāo)高、終孔深度、分層信息及巖性等。其中，鉆孔編號(hào)字段類型為字符型，用于唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)鉆孑L，方便鉆孔對(duì)象的查找和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)；地理位置信息是為了記錄鉆孑L所處的空間位置，它包含兩個(gè)字段類型，均為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，若為經(jīng)緯度形式的，則一個(gè)字段記錄經(jīng)度，另一字段記錄緯度，若為大地坐標(biāo)形式的，則一個(gè)字段記錄x坐標(biāo)，另一字段記錄Y坐標(biāo)；孔口標(biāo)高用于記錄鉆孔起始位置，字段類型為浮點(diǎn)型；終孔深度字段類型為浮點(diǎn)型，用于記錄鉆孔在垂向上的長(zhǎng)度；分層信息字段類型為浮點(diǎn)型，用于記錄鉆孔所經(jīng)過(guò)地層的分層情況(一般記錄各分層的頂界面標(biāo)高)；巖性字段類型為字符型，主要用于描述各個(gè)層位的巖性。 5地質(zhì)平面數(shù)據(jù) 地質(zhì)平面數(shù)據(jù)即地質(zhì)平面圖，它主要反映各地層在地表出露的情況，對(duì)于控制三維模型中地層在地表的分布狀況起著至關(guān)重要的作用。在各種GIS軟件中存放的數(shù)字形式的地質(zhì)平面圖中，要求對(duì)于剝蝕線數(shù)據(jù)或地層出露線數(shù)據(jù)賦予高程屬性，否則無(wú)法在三維空間中定位這些線信息。 6剖面數(shù)據(jù) 剖面是地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)工作要求，依據(jù)鉆孔信息繪出的地層斷面圖，需要說(shuō)明的是，剖面圖也許不是地質(zhì)情況的真實(shí)反映，但它包含著技術(shù)人員的推理和經(jīng)驗(yàn)，可以說(shuō)是地層情況最接近真實(shí)的反映。 剖面圖的存放格式，由于各技術(shù)隊(duì)伍作圖采用軟件不同，圖形存放的文件格式也不盡 相同，主要有MAPGIS圖形數(shù)據(jù)格式和AUTOCAD圖形數(shù)據(jù)格式，地下水三維地質(zhì)建模系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入可留出這兩種圖形文件數(shù)據(jù)接口。具體地說(shuō)，若是MAPGIS-圖形格式，采用 把圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MAPGIS明碼文件文本數(shù)據(jù)格式，再讀入系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)原即可；若是AU TOCAD圖形數(shù)據(jù)格式，可把DWG圖形文件格式轉(zhuǎn)換成DXF標(biāo)準(zhǔn)圖形文件格式，讀人系 統(tǒng)即可。還可把MAPGIS和AUTOCAD兩種圖形文件混合輸入，例如需在剖面圖上添加巖 性顏色，即可在MAPGIS中調(diào)用剖面，做巖性顏色區(qū)文件，再輸出MAPGIS明碼文件，可 很好地解決剖面圖剖面數(shù)據(jù)輸入問(wèn)題。對(duì)于三維建模系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方式可很好地解決地 下各含水層的表達(dá)問(wèn)題。 在剖面數(shù)據(jù)中必須包含橫向比例尺、縱向比例尺、圖例等信息，方便系統(tǒng)對(duì)不同來(lái)源 62的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 7地層等值線數(shù)據(jù) 地層等值線數(shù)據(jù)是根據(jù)鉆孔資料、物探資料等，由專業(yè)技術(shù)人員繪制出的，反映地層 界面在空間中的變化情況。由于鉆孔只能反映一個(gè)點(diǎn)上的信息，剖面只能反映一條線上的 信息，而地層等值線數(shù)據(jù)可以表達(dá)一個(gè)面的信息，因此等值線數(shù)據(jù)對(duì)于精確建立各個(gè)地層 面位置及幾何形態(tài)具有很大的幫助作用。 在GIs軟件存放地層等值線數(shù)據(jù)，需要在其屬性中賦上每條等值線代表的高程(或厚度、埋深等）數(shù)值。 8斷層數(shù)據(jù) 斷層是地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)物，表示地層的斷裂和錯(cuò)動(dòng)，它對(duì)于地質(zhì)研究、地質(zhì)資源勘探、 地下水流場(chǎng)分布都有重要的意義，另外，斷層在地質(zhì)建模中對(duì)于地質(zhì)體的生成、工區(qū)邊界 的確定起重要的作用，因此，逼真地刻畫(huà)斷層對(duì)于地質(zhì)建模來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)重要的工作。 斷層作為刻畫(huà)地下水系統(tǒng)模型空間面的一種數(shù)據(jù)類型，在建模過(guò)程中需要明確：斷層 面的空間展布，斷層不同點(diǎn)的產(chǎn)狀，斷層的水理性質(zhì)。 斷層數(shù)據(jù)主要是以圖形的方式輸入，然后用來(lái)建模的。平面上斷層的表達(dá)方法有兩 種，一種是在平面圖上繪制斷層走向及標(biāo)注傾角，如平面圖或地質(zhì)圖；另一種是在剖面圖 上繪制斷層線。結(jié)合這兩種圖件，斷層在空間的展布情況就會(huì)一目了然，斷層產(chǎn)狀可由系 統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)或人工給定。斷層的水理性質(zhì)對(duì)于后期地下水模擬計(jì)算是必須的，可存 放在數(shù)據(jù)庫(kù)中或直接存放于模型斷層屬性中。 9物探數(shù)據(jù) 物探技術(shù)在地質(zhì)勘探中具有重要作用，勘探方法主要有地震、電法、磁法、重力等， 從物探數(shù)據(jù)中可得到：點(diǎn)位資料、層位劃分及其屬性。在地下水系統(tǒng)建模中，物探數(shù)據(jù)和 鉆孔數(shù)據(jù)具有相同的作用，根據(jù)物性的差異提供含水層的劃分情況，表達(dá)地層具有相同的 物理力學(xué)參數(shù)或位置，如地下含水層頂板、底板、地下水位等值線信息。使用這些等值線 數(shù)據(jù)，建模系統(tǒng)可以插值擬和地層面或斷層面。 10動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是監(jiān)測(cè)到的地下水位、水質(zhì)、水溫等波動(dòng)過(guò)程的信息，這種波動(dòng)不同程度地 反映了河流徑流在時(shí)空上分布的特征。影響地下水變動(dòng)的主要因素是河川徑流、蒸發(fā)蒸騰 和人類的灌溉過(guò)程。隨著大批水利工程的建設(shè)和井灌的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)過(guò)程 的干擾逐漸加劇。因此，利用地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，或系統(tǒng)模擬分析某時(shí)刻的水位數(shù)據(jù)，生 成指定含水層指定時(shí)刻的地下水流場(chǎng)圖。建立地下水水位變化模型，實(shí)現(xiàn)地下水移動(dòng)的動(dòng) 態(tài)仿真。在地下水三維地質(zhì)建模過(guò)程中，需建立專門的數(shù)據(jù)庫(kù)存放此類數(shù)據(jù)。 11相關(guān)文檔資料 文檔資料為建模區(qū)的勘探、科研報(bào)告，包括各種項(xiàng)目匯報(bào)書(shū)、區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào) 告、專題研究報(bào)告等。這些資料為模型的建立具有重要的參考價(jià)值。 (二)數(shù)據(jù)概化預(yù)處理 建立地下水三維可視化模型所需要的數(shù)據(jù)資料既有原始數(shù)據(jù)資料，又有模型所生成的 次生數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)可分為地表數(shù)據(jù)和地下數(shù)據(jù)。地表數(shù)據(jù)主要為衛(wèi)星影像和地表地理信 息數(shù)據(jù)，地下數(shù)據(jù)有鉆孔、剖面等反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖文數(shù)據(jù)。 63【目錄】目 次第一章緒言 (1) 一、必要性與可行性(1) 二、主要工作(1) 三、主要成果(3)第二章地質(zhì)體三維建模技術(shù)與軟件的現(xiàn)狀分析(5) 第一節(jié)地質(zhì)體三維建模技術(shù)的現(xiàn)狀分析(5) 一、基于體的建模方法(5) 二、基于面的建模方法(9) 三、混合建模方法(10) 四、泛權(quán)建模方法(11) 第二節(jié)地質(zhì)體三維建模軟件的現(xiàn)狀分析(13) 一、國(guó)外主要地質(zhì)體三維模擬軟件(14) 二、國(guó)內(nèi)主要地質(zhì)體三維模擬軟件(38) 三、國(guó)內(nèi)外地質(zhì)體三維模擬軟件現(xiàn)狀的探討分析(48)第三章地質(zhì)體三維建模技術(shù)的應(yīng)用體系研究(51) 第一節(jié)地質(zhì)體三維建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(51) 一、礦區(qū)三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(51) 二、城市地質(zhì)三維建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(53) 三、地下水三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)組織(60) 第二節(jié)地質(zhì)體三維建模的技術(shù)流程(65) 一、礦區(qū)三維地質(zhì)建模的技術(shù)流程(65) 二、城市地質(zhì)三維建模的技術(shù)流程(69) 三、地下水三維地質(zhì)建模的技術(shù)流程(92)第四章主要地質(zhì)體三維建模軟件的數(shù)據(jù)接口(97) 第一節(jié)Micromine軟件的數(shù)據(jù)接口(97) 一、地形等高線轉(zhuǎn)換(97) 二、剖面圖轉(zhuǎn)換(99) 三、探礦工程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換(109) 第二節(jié) surpac軟件的數(shù)據(jù)接口(113) 一、地形等高線轉(zhuǎn)換(113) 二、剖面圖轉(zhuǎn)換(115) 三、探礦工程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換(117)第三節(jié)3DGrid胡軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)接口(121) 一、地形圖(121) 二、地表等高線DEM數(shù)據(jù)(121) 三、地表衛(wèi)星圖片(122) 四、剖面接口(122) 五、鉆孔接口(124)第四節(jié)Mapgis三維地質(zhì)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)接口(127) 一、三維數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)(127) 二、輸入輸出數(shù)據(jù)基本格式(128) 三、二維矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口(129) 四、三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口(129) 五、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)入庫(kù)接口(130) 六、鉆孔類屬性數(shù)據(jù)入庫(kù)接口(133)第五章主要地質(zhì)體三維建模軟件的應(yīng)用示范研究(137)第一節(jié)鶴慶北衙金礦三維地質(zhì)建模示范(Micromine) (137) 一、示范區(qū)概況(137) 二、數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)組織(140) 三、建模流程(142) 四、小結(jié)(162)第二節(jié)迪慶普朗銅礦三維地質(zhì)建模示范(Micromine) (166) 一、示范區(qū)概況(166) 二、數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)組織(168) 三、建模流程(170)第三節(jié)迪慶普朗銅礦三維地質(zhì)建模示范(Surpac) (175) 一、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與操作(175) 二、創(chuàng)建輪廓線(176) 三、創(chuàng)建實(shí)體模型(176) 四、創(chuàng)建塊體模型(176) 五、資源量估算(182) 六、剖面分析(184)第四節(jié)基于Mapgis三維地質(zhì)軟件的上海城市地質(zhì)三維建模示范(184) 一、上海人民廣場(chǎng)地區(qū)三維地質(zhì)建模研究(184) 二、上海臨港新城區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模研究(193) 第五節(jié)基于3D-Grid胡的上海城市地質(zhì)三維建模示范(194) 一、結(jié)構(gòu)模型(194) 二、屬性模型(196) 第六節(jié)基于3D-Grid的華北地下水三維地質(zhì)建模示范(197) 一、建模所需資料概況(197) 二、建模流程(198) 三、華北平原三維地質(zhì)分析(217) 第七節(jié)基于Mapgis的華北地下水三維地質(zhì)建模示范(218) 一、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量(219) 二、水文地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)整理(219) 三、等值線與高程點(diǎn)數(shù)據(jù)整理(224) 四、水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)整理(225) 五、立體剖面構(gòu)建(225) 六、實(shí)體模型的構(gòu)建(225) 七、華北平原地下水三維地質(zhì)模型介紹(230)第六章主要地質(zhì)體三維建模軟件的對(duì)比分析(233) 第一節(jié)面向礦區(qū)三維地質(zhì)建模的示范軟件的主要特點(diǎn)(233) 一、Micromine的主要特點(diǎn)(233) 二、Surpac的主要特點(diǎn)(234) 第二節(jié)MAPGIS三維