GIS與三維地質(zhì)建模的結(jié)合

1、工程地質(zhì)GIS報告題目：GIS與三維地質(zhì)建模的結(jié)合學(xué)院：資源與環(huán)境工程學(xué)院專業(yè)班級:地理信息系統(tǒng)081指導(dǎo)教師:梁風(fēng)老師學(xué)生姓名：學(xué) 號：2011年11月15日GIS與三維地質(zhì)建模的結(jié)合1、前言GIS(Geographic Information System)是 1963 年由加拿大測量學(xué)家 R.Tomlison 首先提出來的，它是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用 來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃 和管理問題。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于資源、環(huán)境、城市、交 通等各行各業(yè)中。三維地質(zhì)建模(Three Dimension G

2、eological Modeling)這一概念 最早由加拿大的學(xué)者Simon W.Houdling于1993年提出，它是一項運用計算機技 術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計、 實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。它是隨 著地球空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的，由地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物 理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像和科學(xué)計算可視化等學(xué)科交叉而形成 的一門新興學(xué)科，由此可見，GIS與三維地質(zhì)建模有著密切的關(guān)系。三維地質(zhì)建 模的產(chǎn)生和發(fā)展離不開GIS的發(fā)展，三維地質(zhì)建模可以看成三維GIS在地質(zhì)這 個特定領(lǐng)域中的應(yīng)用，反過

3、來，三維地質(zhì)建模的發(fā)展可以促進三維GIS的發(fā)展， 但是二者的應(yīng)用目的和應(yīng)用背景的差異決定了二者研究的重點不同。如何將二者 進行有機地結(jié)合并促進相互地發(fā)展，是一個重要的研究問題，目前對此還缺乏全 面系統(tǒng)的研究。本文在對三維地質(zhì)建模和三維GIS的功能進行比較研究的基礎(chǔ) 上，對它們之間功能相互融合的意義迸行了全方位的分析，總結(jié)了三維地質(zhì)建模 與GIS相結(jié)合的途徑，并分析了各自的優(yōu)缺點，最后對三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的發(fā) 展進行了展望。2、三維地質(zhì)建模與三維GIS分析比較 2.1、三維地質(zhì)建模概述三維地質(zhì)建模主要應(yīng)用于石油、礦山等領(lǐng)域，在功能上主要可分為二大部份， 即構(gòu)造建模和屬性建模。構(gòu)造建模主要是指建立地

4、質(zhì)層面的三維模型，如：地層面、斷層面等。 通常的思路是根據(jù)離散的點數(shù)據(jù)生成三維的面或由點生成線，再由線生成面。具 體的方法有空間曲面插值擬合、不規(guī)則三角網(wǎng)的生成等。目前對簡單的地質(zhì)體模 型一般的建模軟件能較好的實現(xiàn)，而對復(fù)雜地質(zhì)體的建模方法還有待進一步的研 究。屬性建模是指建立儲層屬性參數(shù)，如孔隙度、滲透率、含油飽和度等的 三維空間分布模型。實際上是根據(jù)井點已知的屬性數(shù)據(jù)，進行插值預(yù)測井問的屬 性分布。具體的建模方法總的可分為確定性建模方法和隨機建模方法，由于儲層屬性 參數(shù)存在著不確定性，所以通常采用隨機建模和確定性建模相結(jié)合的方法。22、三維GIS特點分析三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域主要有城市、礦山

5、、石油、管網(wǎng)、環(huán)境、軍事等，不 同應(yīng)用領(lǐng)域描述的地理實體不同。這些地理實體有地面的，也有地下的，它們的 特點也不同。例如三維城市模擬的建筑物以及三維管網(wǎng)描述的管道往往是小尺度 的，形狀比較規(guī)則，自身一般是封閉的，并且內(nèi)部可為空；而石油、地質(zhì)等領(lǐng)域 描述的地質(zhì)體往往是大尺度的，形狀比較復(fù)雜，有斷層、褶皺等，地質(zhì)體內(nèi)部屬 性具有非均質(zhì)性和多樣性的特點。正因為如此，三維GIS目前并無通用的商用 平臺出現(xiàn)，而主要出現(xiàn)在專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，有些商用GIS軟件的三維功能也主要 局限在三維表面，并非真三維。三維GIS的研究內(nèi)容主要有三維數(shù)據(jù)模型、三 維空間查詢、三維空間分析、三維空間數(shù)據(jù)庫、三維可視化等。2.3、

6、3DGIS與3DGM軟件功能比較分析由于3DGIS和3DGM產(chǎn)生的背景和應(yīng)用的目的不同，就決定了它們實現(xiàn)的 功能側(cè)重點不同。在表1中對它們的功能進行了比較分析。從對比中可以看出， 3DGIS的優(yōu)點體現(xiàn)在數(shù)據(jù)一體化管理和空間分析方面，而3D GM的優(yōu)點體現(xiàn)在 三維建模能力之上，這是由它們的實現(xiàn)技術(shù)所決定的。由于3D GIS是基于空間 數(shù)據(jù)庫的，所以它具有較強的空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)查詢功能。3D GM中集 成了大量的確定性建模和隨機建模的技術(shù)，所以它具有很強的三維建模功能。霎1 MD GIS與3D GM *有電k匕成Tat. 1 3D CIS anl 3D GM furtction compai

7、iion3D CIS3D GM1目的三維數(shù)據(jù)的管理“分 析和可視化建立地質(zhì)怵的色造 模型和屆性模燮|應(yīng)用領(lǐng)域械市、礦山、石禎、管 網(wǎng)、環(huán)境,軍審1礦山、石油商用赦件無通用平臺SGM . COC AD . EarthVision Petrel1致海采集強_ .弱數(shù)據(jù)編斟疆.較強管理弱拓?fù)潢P(guān)系考慮很少者密空1可查潤有無緩沖區(qū)分折有食置分析有路葬分析，壽-無構(gòu)造建模較強，主妾為三維表 直建模強，克持三維霽面模 型和悻模型屬性建模觀3、三維地質(zhì)建模與GIS的結(jié)合31、二者相結(jié)合的意義分析由于三維地質(zhì)建模與三維GIS在功能上各有側(cè)重點，而目前三維GIS主要 應(yīng)用在不同的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并無通用平臺出現(xiàn)，并

8、且也不適合開發(fā)通用平臺。 若能將GIS與三維地質(zhì)建模有效地結(jié)合起來，充分利用各自的優(yōu)點，必將促進 三維GIS和三維地質(zhì)建模的共同發(fā)展。我們既可將三維地質(zhì)建模的功能融合到 三維GIS中，也可將三維GIS功能融合到三維地質(zhì)建模中。在三維GIS中融合 三維地質(zhì)建模的功能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：方便地建立三維地質(zhì)構(gòu)造模型。隨著GIS應(yīng)用越來越深入，礦石、石油、 地質(zhì)的很多相關(guān)部門都采用GIS來管理數(shù)據(jù)和制圖，用戶往往希望能直接在GIS 中生成三維地質(zhì)圖。但目前的GIS軟件一般只能建立三維地形或地層的表面模 型，建立斷層模型及真三維的地質(zhì)模型的功能有限，其中一個重要的原因是目前 還沒有建立一個統(tǒng)一的三維

9、數(shù)據(jù)模型。三維數(shù)據(jù)模型一直是GIS的一個研究熱 點和難點，而三維地質(zhì)建模軟件中已經(jīng)有比較成熟的三維模型，不過這種三維模 型一般沒有考慮拓?fù)潢P(guān)系。如果將目前三維地質(zhì)建模軟件的三維模型移植到GIS 軟件當(dāng)中，并根據(jù)特殊的應(yīng)用，考慮是否加入拓?fù)潢P(guān)系，無疑會對三維GIS軟 件的發(fā)展起到重要的推動作用。建立三維屬性模型。三維數(shù)據(jù)模型以及地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)，是建立在三維屬性 模型的基礎(chǔ)上，目前有些GIS軟件已經(jīng)融入了地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)功能，如ArcGIS9.x， 這為建立三維屬性模型提供了基礎(chǔ)。在三維地質(zhì)建模中融入GIS功能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成管理。在三維地質(zhì)建模中涉及大量的原始數(shù) 據(jù)，如鉆井

10、數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、試油數(shù)據(jù)等，這 些數(shù)據(jù)大部份都是與空間位置相關(guān)的。在目前的三維地質(zhì)建模軟件中，這些數(shù)據(jù) 往往分別以文件的形式存儲，數(shù)據(jù)之間缺乏緊密的聯(lián)系，并且無法有效地進行管 理。GIS能將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)庫的形式進行集成化管理，從而便 于數(shù)據(jù)的維護、更新和查詢。在三維地質(zhì)建模中引入空間數(shù)據(jù)庫，無疑會大大提 高對原始數(shù)據(jù)的管理能力。三維空間查詢。在目前的三維地質(zhì)建模軟件中，能通過簡單的空間選擇 查詢屬性數(shù)據(jù)，但不能完成由屬性數(shù)據(jù)查詢空間數(shù)據(jù)、屬性和空間關(guān)系的組合查 詢。例如通過輸入井名，查看井在研究區(qū)所處的位置，研究區(qū)往往有幾十到幾百 口井，通過這樣的

11、查詢可以大大提高工作效率。例如在三維地質(zhì)建模中往往需要 類似這樣的查詢：哪些井通過某條斷層，哪些井鉆穿了某個地層，距離某條斷層 500 m范圍的井有哪些等。在三維地質(zhì)建模中融入這樣的三維查詢功能，無疑會 提高工作效率和空間分析的功能。多種信息的綜合分析。在三維地質(zhì)建模中由于鉆井資料的限制，工作人 員往往很難擬合出準(zhǔn)確可靠的變差函數(shù)，這時必須借助其它的輔助信息來確定變 程和方向，GIS能將各種數(shù)據(jù)和信息集成到一起，包括不能直接被地質(zhì)統(tǒng)計方法 直接利用的信息，通過這些輔助信息指導(dǎo)模型的建立。32、結(jié)合模式剖析三維地質(zhì)建模與GIS結(jié)合的形式，可以歸納為三種：松散結(jié)合，緊密結(jié)合 以及完全融合。(1)松

12、散結(jié)合就是將GIS軟件作為三維數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理及建立拓?fù)潢P(guān)系 的工具，GIS軟件與建模軟件之間通過文件交換的方式建立聯(lián)系，它們擁有各自 不同的用戶界面。有學(xué)者用這種方式進行復(fù)雜地質(zhì)體建模之前的數(shù)據(jù)預(yù)處理。采 用這種方式的優(yōu)點，是可以根據(jù)需要對GIS軟件進行二次開發(fā)或直接利用GIS 軟件已有的功能。缺點是無法進行真三維的空間查詢，因為目前還沒有真三維的 通用GIS平臺出現(xiàn)，這里的GIS軟件仍然是二維的。緊密結(jié)合的方式與松散結(jié)合方式的區(qū)別是只有一個用戶界面，緊密結(jié)合 的方式有二種：一種是對三維地質(zhì)建模軟件進行二次開發(fā)，在三維地質(zhì)建模軟 件中融入GIS特有的功能。國外有學(xué)者研究在GOCAD軟件之上

13、建立三維空問 查詢系統(tǒng)，并應(yīng)用到固體礦產(chǎn)的勘探中。這種方式的優(yōu)點是能充分利用三維地質(zhì) 建模軟件本身所具有的強大建模功能，缺點是目前這些三維地質(zhì)建模軟件二次開 發(fā)功能有限，主要是利用動態(tài)鏈接庫或應(yīng)用程序接口的方式，以插件的形式對原 三維地質(zhì)建模軟件進行擴展；另一種方式是對GIS軟件進行二次開發(fā)，使之 實現(xiàn)三維地質(zhì)建模功能，這種方式的優(yōu)點是可以充分利用GIS軟件強大的基于 組件的二次開發(fā)功能，缺點是目前的GIS軟件一般僅僅具有強大的三維表面建 模和分析功能，真三維建模和分析功能依然有限，這使得二次開發(fā)工作量很大， 并且功能實現(xiàn)也有限。完全融合的方式就是三維地質(zhì)建模與三維GIS的技術(shù)完全融合到一起， 形成一套完整的三維地質(zhì)信息系統(tǒng)。這種三維地質(zhì)信息系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能 有：三維數(shù)據(jù)的采集；三維數(shù)據(jù)的編輯；三維地質(zhì)建模；三維空間查詢 等。這種方式需要完全從底層進行開發(fā)，需要花費較大的人力和物力，開發(fā)周期 長，并且目前還有很多技術(shù)難點沒有解決。4、結(jié)論與展望通過以上對三維地質(zhì)建模與三維GIS相結(jié)合的意義和模式的分析，考慮到 完全融入還存在一定的技術(shù)難度，目前適合采用緊密結(jié)合的方式，這種方式能保 證充分利用它們各自