《三维地质建模及其在数字城市中实际应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三维地质建模及其在数字城市中实际应用课件（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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，随着工程的一个重要的领域，随着地下空间的利用地下空间的利用提到议事日提到议事日程中来以后，其重要性更加凸现出来。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：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
2、与防洪能力造成严重破坏；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；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武汉市地下分布着一条宽1km1km、长、长45km45km的石灰岩带，由于的石灰岩带，由于岩溶发育和过量抽取地下水，引起地表陷落、楼房倒塌；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平顶山和焦作市地下采煤造成地面数十kmkmkmkm2 2 2 2塌陷，但采空区塌陷，但采空区分布状况至今
3、不甚明了，潜在安全隐患且建设规划困难；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；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；危险边坡，建筑物和居民
4、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；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。手不及，不仅安全没保证，而且浪费金钱、经常窝工。北京市地下铁路北京市地下铁路、人防工程人防工程、地下
5、商场地下商场、地下旅馆地下旅馆、地下仓库地下仓库、地下管道，总面积几千万地下管道，总面积几千万m m m m2 2 2 2，每天有，每天有150150150150万人进出，由于缺乏有万人进出，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。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成都市成都市茂汶龙门断裂带山龙门断裂带部中金汤弧构造带形北川龙门山断裂带后前绵竹什邡绵阳汶川山山山金汤弧构造带形江油都江堰武都安县德阳市地质体通常存在复杂结构和复杂演化历史，而且存在显著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
6、、关系信息不完全和的参数信息不完全、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。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。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
7、借助地质信息系统技术和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，建立起一个三维可视化建模技术，建立起一个地下数字城市地下数字城市。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城市地质勘查( ( ( (察察) ) ) )与地下数字城市建设的实际需要：与地下数字城市建设的实际需要：提供完善的工具，可提供完善的工具，可分别分别采用或采用或混合混合采用钻孔、地震勘探、剖面采用钻孔、地震勘探、剖面图和平面图，甚至平洞、浅井和探槽资料，并且能与图和平面图，甚至平洞、浅井和探槽资料，
8、并且能与DEMDEMDEMDEM、DOMDOMDOMDOM及及地表景观影象结合，实现地面、地下一体三维可视化建模；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；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、能够有效地处理和描述复杂的地层结构、岩石组成、
9、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；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。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：三维地质建模的关键技术包括：(1)(1)(1)(1)符合地质体、地质结构空间特性的三维数据结构模
10、型；符合地质体、地质结构空间特性的三维数据结构模型；(2)(2)(2)(2)符合地质数据及其应用特点的三维动态建模技术；符合地质数据及其应用特点的三维动态建模技术；(3)(3)(3)(3)复杂地质体与地质结构的三维可视化剪切分析技术；复杂地质体与地质结构的三维可视化剪切分析技术；(4)(4)(4)(4)基于多源基于多源、多维多维、多类数据的数字地质体自动重构技术；多类数据的数字地质体自动重构技术；(5)(5)(5)(5)基于多源、多维、多类数据的拓扑推理虚拟插值技术；基于多源、多维、多类数据的拓扑推理虚拟插值技术；(6)(6)(6)(6)适应多源、多维、多类、多尺度、多时态、多主题特征适应多源
11、、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。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PDBS 技术GIS 技术RS 技术GPS 技术CADS 技术ES 技术ANNS 技术面向对象 技术属性数据库空间数据库数据仓库 技术前期资料搜集整理子系统平台野外数据采集子系统平台室内数据综合整理子系统平台三维空间分析子系统平台属性数据采集模块二维图形编辑模块GPS 数据采集模块手图 标绘模块属性数据整理模块属性数据处理模块空间数据整理模块空间数据处理模块地质图编辑模块插图与图切剖面模块实测剖面测绘模块空间数据采集模块数据综合分析模块遥
12、感解译图标绘模块地质草图修编模块地质现象素描模块属性数据采集模块三维图形编辑模块三维空间分析模块基于地质点源信息系统的三维地质建模技术平台GeoViewGeoView可以自由地输入、补充和修改二维、三维图形及其地质参数提供可视化分析工具提供可视化分析工具地质空间数据和属性数据的混合真三维图形编辑系统地质空间数据和属性数据的混合真三维图形编辑系统 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香港元朗区通过二维地质剖面图及其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地质参数进行真三维地质体与地质结构建模通过二维
13、地质剖面图生成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正断层(a)(a)和逆断层(b)(b)的三维建模和可视化表达ba可任意切制剖面图、水平切面图，制作栅状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，制作栅状图可任意切制剖面图、
14、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软弱夹层的空间查询结果显示T2-4T4-5T5-6T6-7T7-8T8-g地下活动断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、还可以任意地
15、进行隧道、巷道、 竖井、斜井等挖刻分析竖井、斜井等挖刻分析三维模型分析洞室开挖分析浦口新市区火车南站三维可视化三维可视化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1 17 70 03 32 24 45 56 68 89 9101011111212131314141515现今(5Ma(5Ma以来)C+P)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圈闭编号气藏面积(Km(Km2 2 )
16、 )气厚度(M)(M)气圈闭体积(Km(Km3 3) )气聚集量( (亿方) )圈闭( (号) )气藏面积(Km(Km2 2气厚度(M)(M)气圈闭体积(Km(Km3 3) )气聚集量( (亿方) )0 0173.537173.537787.016787.01663.0547063.05470794.111794.1118 86.953686.95368784.946784.9463.6960203.69602075.829775.82971 158.525958.5259440. 070440. 070 5.2322405.232240185.182185.1829 93.923123.92
17、312170.439170.4390.1544730.15447351.780851.78082 245.127845.1278350.260350.2600.0000000.000000130.760130.76010105.159045.15904664.786664.7862.6800102.68001044.218044.21803 37.111127.11112752.697752.6974.6028704.602870121.235121.235111147.753247.7532276.280276.2801.5338201.53382035.363335.36334 436.0
18、73836.0738256.343256.3431.8133301.81333097.352497.352412125.898425.89842596.046596.0461.7836101.78361034.071634.07165 529.947829.9478203.610203.6101.3040101.30401070.424070.4240131320.308520.3085393.141393.1411.2800501.28005032.742432.74246 629.352529.3525386.070386.0702.0616402.06164088.268588.2685
19、141424.664924.6649222.420222.4201.2512901.25129030.822430.82247 77.117767.11776679.636679.6363.7820103.78201083.083283.0832151511.524611.5246255.110255.1100.4471770.44717730.548130.5481模拟结果表明，1616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8585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5050年来的第一次重大突破。谢谢大家谢谢大家 ！1.2
20、.1 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 3D3D空间信息系统是由 Notley Notley 和 Wilson Wilson 于2020世纪7070年代初开发的。该系统基于三维线框模型(3D Wire Frames)(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2020世纪8080年代，随
21、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GOCADGOCAD。GOCAD GOCAD GOCAD GOCAD 是是“地质对象计算机辅助设计地质对象计算机辅助设计”的英文缩写。地质体有简的英文缩写。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。因为这种原因容易。因为这种原因 GOCADGOCADGOCADGOCAD的研究组于的研究组于 1989 1989
22、1989 1989 年提出了一种全年提出了一种全新的离散建模战略。新的离散建模战略。该战略的基本思想为：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任何对象的表面形状是由三维空间的结点结点( ( ( (点点) ) ) )的有限集合来定义；的有限集合来定义；拓扑关系通过这些结点之间的拓扑关系通过这些结点之间的连接来模拟；连接来模拟；物理属性作为附加在这些结点上的值来模拟。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具来帮助定义空间对象的结点进
23、行物理属性和位置(x,y,z)(x,y,z)(x,y,z)(x,y,z)的插的插值。出于这种要求，值。出于这种要求，Mallet J.L.Mallet J.L.Mallet J.L.Mallet J.L.教授提出了著名的教授提出了著名的“离散光滑离散光滑插值法插值法” ” ” ” (Mallet,1989)(Mallet,1989)(Mallet,1989)(Mallet,1989)。在在 GOCADGOCAD中，线表示为一维图形或一组相邻的线段，表中，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
24、位置通过离散光滑插值计算得到，该法使得线或表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。面的粗糙度最小。GOCADGOCAD系统均简化了可视化和模型创建的功能，在建模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。系统不具备对建成模型的动态修改功能。到到20202020世纪世纪90909090年代以后，三维地质建模理
25、论与方法开始向集年代以后，三维地质建模理论与方法开始向集成化方向发展。成化方向发展。1994199419941994年加拿大年加拿大HouldingHouldingHouldingHoulding提出三维地学建模提出三维地学建模(3D Geoscience Modeling)(3D Geoscience Modeling)(3D Geoscience Modeling)(3D Geoscience Modeling)的概念，即在三维环境下将地的概念，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、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
26、结合起来，并用于地质分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。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、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。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
27、技术的迅速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，从发展，从20202020世纪世纪90909090年代以来，国外出现了较多的大型的三年代以来，国外出现了较多的大型的三维地学信息可视化软件。例如：维地学信息可视化软件。例如：基于基于Unix Unix Unix Unix 的有的有DatamineDatamineDatamineDatamine、MinecomMinecomMinecomMinecom、SurpacSurpacSurpacSurpac、LynxLynxLynxLynx、VulcanVulcanVulcanVulcan等；等；基于基于WindowsWindowsWi
28、ndowsWindows的主要有的主要有GOCADGOCADGOCADGOCAD、SurpacVisionSurpacVisionSurpacVisionSurpacVision、PC-MinePC-MinePC-MinePC-Mine、MicroMineMicroMineMicroMineMicroMine、MinemapMinemapMinemapMinemap等。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，但是，由于受到具体地质条件的限制，这些国外软件对于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
29、建模，主要采用基于手工交互的静态建模方地质空间三维建模，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。个有待解决的难点问题。1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 国内三维地质建模研究现状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在国内三维地质建模的研究与应用开始于20202020世纪世纪90909090年代初期，并逐渐成为年代初期，并逐渐成为研究热点领域。目前，
30、很多高等院校和研究单位结合所属领域开展了这项研究热点领域。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。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。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、武强等中国矿业大学吴立新、武强等(2001)(2001)(2001)(2001)设计了设计了GTPGTPGTPGTP实体模型，建立了面向采实体模型，建立了面向采
31、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。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。中国地质大学中国地质大学( ( ( (武汉武汉) ) ) )吴冲龙、刘刚、毛小平、田宜平等从吴冲龙、刘刚、毛小平、田宜平等从1993199319931993年起对盆地年起对盆地三维地层格架建模方法进行了研究，并在三维地层格架建模方法进行了研究，并在IDLIDLIDLIDL基础上开发了三维盆地建模基础上开发了三维盆地建模与油气模拟软件与油气模拟软件GeoPtroModelingGeoPtroModelingGeoPtroModelingGeoPtroModeling软件。软件。
32、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。学研究所等单位也结合特定研究取得了一些好成果。在国内也出现了在国内也出现了IMAGISIMAGISIMAGISIMAGIS，GeoMo3DGeoMo3DGeoMo3DGeoMo3D，TITIAN3DTITIAN3DTITIAN3DTITIAN3D，VRMAPVRMAPVRMAPVRMAP等地学三维可视化软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、实用性和规模上都件。总的看来，这些软件也有较高水平，但
33、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。低于国外相关软件，并且基本上属于静态建模。国外软件以国外软件以GOCADGOCAD、DatamineDatamine、MicroMineMicroMine、SurpacSurpac、LynxLynx等为代表，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
34、式，对于复杂地质地质空间三维建模，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。体的三维建模效率较低。国内近期也出现了一系列如国内近期也出现了一系列如IMAGISIMAGIS，GeoMo3DGeoMo3D，TITIAN3DTITIAN3D，VRMAPVRMAP等地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。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、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。方法等关键技术。
