李青元，張洛宜，曹代勇，董前林，崔 揚(yáng)，陳春梅

(1.中國測繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100830，2.中國礦業(yè)大學(xué)北京地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧阜新123000)

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三維地質(zhì)建模的用途、現(xiàn)狀、問題、趨勢與建議

李青元1,2,3，張洛宜2，曹代勇2，董前林2，崔 揚(yáng)3，陳春梅2

(1.中國測繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100830，2.中國礦業(yè)大學(xué)北京地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧阜新123000)

文章論述了三維地質(zhì)建模技術(shù)的用途、現(xiàn)狀、存在問題、發(fā)展趨勢和幾點(diǎn)建議。筆者認(rèn)為三維地質(zhì)建模的用途是:①真三維的立體場景；②精準(zhǔn)的儲量計(jì)算；③平、剖面構(gòu)造形態(tài)相容并聯(lián)動編輯；④多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與同化；⑤各種三維空間分析與過程模擬；⑥便于向客戶與領(lǐng)導(dǎo)介紹復(fù)雜的地質(zhì)條件。從行業(yè)應(yīng)用和國內(nèi)軟件發(fā)展兩個(gè)方面論述了當(dāng)前三維地質(zhì)建模的應(yīng)用現(xiàn)狀，該技術(shù)應(yīng)用中存在的問題:①軟件操作太復(fù)雜，難以為基層廣大地質(zhì)作圖人員所掌握；②三維建模約束條件太嚴(yán)苛，編輯工作量巨大；③沒有三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，模型數(shù)據(jù)難以交換與共享；④勘探規(guī)范沒有要求，地質(zhì)隊(duì)積極性不高；⑤三維地質(zhì)模型的建模成本由誰支付。三維地質(zhì)建模的發(fā)展趨勢:①軟件將更加成熟、穩(wěn)定、易用；②由早期的注重形態(tài)建模向形態(tài)與屬性建模并重的方向發(fā)展；③與地震、測井等物探數(shù)據(jù)結(jié)合更加緊密；④與礦藏描述、成藏模擬、沉積環(huán)境分析、構(gòu)造演化分析、構(gòu)造演化模擬等專業(yè)應(yīng)用結(jié)合更加緊密；⑤融入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等IT主流技術(shù)。向國家相關(guān)主管部門、企業(yè)用戶和軟件開發(fā)商提出了幾點(diǎn)建議:①國家應(yīng)繼續(xù)支持三維地質(zhì)建模領(lǐng)域；②三維地質(zhì)建模要與專業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合；③加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與維護(hù)；④逐步在勘探規(guī)范中增加對三維建模的要求；⑤軟件開發(fā)者設(shè)法降低軟件的操作復(fù)雜度，提高容錯能力。

三維地質(zhì)建模 地質(zhì)調(diào)查 礦產(chǎn)資源勘查 數(shù)字礦山

0 引言

三維地質(zhì)建模(3D Geology Modeling)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在虛擬三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析與預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)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)。三維地質(zhì)建模的相關(guān)技術(shù)在20世紀(jì)80年代就開始研究，加拿大學(xué)者在20世紀(jì)90年代初提出“三維地質(zhì)建模”這個(gè)概念(Houlding，1993)；法國學(xué)者提出的離散光滑插值方法促進(jìn)了這一技術(shù)走向成熟(Mallet,2003；2008)。

三維地質(zhì)建模在強(qiáng)大的應(yīng)用需求牽引以及計(jì)算機(jī)硬/軟件、三維幾何造型等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的促進(jìn)

下，在這二十多年的時(shí)間里得到了飛速發(fā)展。三維地質(zhì)建模在油氣勘探領(lǐng)域最先得到應(yīng)用，然后向其他相關(guān)領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用。該技術(shù)是中國“三維地質(zhì)填圖”以及“玻璃地球”國家戰(zhàn)略的支撐技術(shù)之一(陳應(yīng)軍等，2014;吳沖龍等,2015)，是地質(zhì)大數(shù)據(jù)時(shí)代多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合平臺。

國內(nèi)學(xué)者也對三維地質(zhì)建模的理論與技術(shù)進(jìn)行了不懈的探索。三維地質(zhì)建模從軟件開發(fā)到應(yīng)用實(shí)踐近年來都出現(xiàn)了較好的發(fā)展勢頭，但也存在很多急需解決的問題。本文旨在討論三維地質(zhì)建模的應(yīng)用領(lǐng)域、具體作用、應(yīng)用現(xiàn)狀、存在困難、發(fā)展趨勢與改進(jìn)建議，以期促進(jìn)三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展以及在國內(nèi)的應(yīng)用范圍與深度。

1 三維地質(zhì)建模的用途

三維地質(zhì)建模技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，包括區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、礦井設(shè)計(jì)、礦井生產(chǎn)管理、城市地質(zhì)勘探與城市區(qū)地下空間管理、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地震預(yù)報(bào)等眾多在國民經(jīng)濟(jì)中起支撐作用的行業(yè)。凡是與地下探測、地下工程、地下空間管理有關(guān)的行業(yè)與領(lǐng)域都可借助于三維地質(zhì)建模工具，提升該學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)能力。

三維地質(zhì)建模的優(yōu)點(diǎn)如下所述：

1.1 真三維的立體場景

三維立體場景，以及在三維立體場景中所能清楚地展現(xiàn)三維要素之間的三維空間關(guān)系(相離、相鄰、組成、包含、被包含)。在傳統(tǒng)的二維環(huán)境中，三維地質(zhì)要素(例如礦層被斷層切割)間稍微復(fù)雜一點(diǎn)的空間關(guān)系就難以區(qū)分與表達(dá)；而在三維立體環(huán)境中可以關(guān)閉不感興趣的界面，開啟所關(guān)注的界面，并借助不同界面設(shè)置不同的顏色、紋理、透明度等方法,直觀、清晰、立體地表達(dá)地質(zhì)要素與人工要素之間的三維空間關(guān)系與相互切割關(guān)系。地質(zhì)模型的三維可視化是三維地質(zhì)建模軟件的基本功能，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于三維可視化，真三維的立體場景中，可以輕松地實(shí)現(xiàn)以前難以進(jìn)行的計(jì)算與操作。

1.2 精準(zhǔn)的儲量計(jì)算

傳統(tǒng)的礦床儲量計(jì)算方法是分塊段，然后用各個(gè)塊段采樣點(diǎn)的厚度取平均值乘以塊段面積，得到塊段的體積，再以塊段內(nèi)采樣點(diǎn)品位的平均值，這樣處理工序繁雜，效率低下，計(jì)算的礦石儲量常常會有20%～30%的誤差，對于油/氣礦藏的誤差更大。在真三維場景下借助三維建模工具,可以根據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行廣義三棱柱剖分或四面體剖分后再統(tǒng)計(jì)，其自動化程度高、速度快、精度高。若再配合高精度三維地震、測井等物探數(shù)據(jù)，便可以精細(xì)地表達(dá)礦藏的構(gòu)造形態(tài)與品質(zhì)分布。設(shè)定不同的邊界品位，可以方便地計(jì)算出不同市場價(jià)格下的不同級別的礦床儲量與開采回報(bào)。

1.3 平、剖面構(gòu)造形態(tài)相容并聯(lián)動修改

在三維地質(zhì)建模軟件的真三維環(huán)境下，可以保證平面圖與剖面圖所表達(dá)的構(gòu)造形態(tài)相容，并且可以平、剖面三維聯(lián)動修改(陳國旭等,2010；李青元等,2014)?，F(xiàn)行手工作圖環(huán)境或者傳統(tǒng)的MapGIS、CAD二維作圖環(huán)境，往往需要耗費(fèi)地質(zhì)工程師大量的精力和時(shí)間使平面圖與剖面所表達(dá)的構(gòu)造形態(tài)的協(xié)調(diào)一致。三維地質(zhì)建模軟件可以方便地質(zhì)工程師在真三維環(huán)境下進(jìn)行觀察與編輯，使地質(zhì)工程師的三維空間想象力受勘探工程(鉆孔、地震剖面)資料與三維幾何造型數(shù)學(xué)法則的精準(zhǔn)控制與約束。目前大多數(shù)三維地質(zhì)建模軟件都還沒有實(shí)現(xiàn)平、剖面三維聯(lián)動編輯，或者實(shí)現(xiàn)得還不夠好，但這一功能將會穩(wěn)步成熟。

1.4 多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與同化

對不同來源(不同勘探單位、不同時(shí)期的數(shù)據(jù))、不同維度(二維、點(diǎn)、線、面，三維的點(diǎn)、線、面、體)、不同類型(如地面遙感數(shù)據(jù)、野外觀測數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、人工地震數(shù)據(jù)剖面數(shù)據(jù)、重/磁數(shù)據(jù))、不同精度數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫整合與同化，是大數(shù)據(jù)時(shí)代對地質(zhì)勘探信息處理的必然要求。地質(zhì)空間數(shù)據(jù)是典型的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；同時(shí)，地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)中也存在大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。因此，地質(zhì)大數(shù)據(jù)并不是像短信數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)那樣易于采用常規(guī)的大數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行處理與分析(繆謹(jǐn)勵等,2014;李朝奎等,2015)，經(jīng)典的大數(shù)據(jù)分析工具與解決方案對于地質(zhì)大數(shù)據(jù)都顯得無能為力?？梢灶A(yù)見，能對地質(zhì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的工具一定是在三維地質(zhì)建模軟件平臺上開發(fā)的，因?yàn)樾螒B(tài)上的三維性、屬性上的多維性是地質(zhì)大數(shù)據(jù)區(qū)別于普通大數(shù)據(jù)的顯著特點(diǎn)。

1.5 進(jìn)行各種三維空間分析與過程模擬

地理信息科學(xué)的經(jīng)典的三維空間分析包括三維緩沖區(qū)分析、三維連通性分析、三維疊加分析、三維布爾操作(交、并、差、切割、開挖)。這些基本的三維空間分級方法再輔以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法等人工智能算法，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程通訊、物聯(lián)網(wǎng)等新型信息技術(shù)，再與地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理、安全監(jiān)控等業(yè)務(wù)流程相結(jié)合就可以派生出鉆孔間層位自動對比、斷層匹配方案優(yōu)選、構(gòu)造演化模擬、沉積環(huán)境分析、成礦過程模擬、采礦方案對比、礦井實(shí)時(shí)安全監(jiān)控等更復(fù)雜、更高級別的應(yīng)用。三維地質(zhì)建模也只有與各種專業(yè)模型相結(jié)合才能真正體現(xiàn)出其巨大的使用價(jià)值。

1.6 便于向客戶與領(lǐng)導(dǎo)介紹復(fù)雜的地質(zhì)條件

三維地質(zhì)建模軟件便于以形象、直觀的方式向非地質(zhì)專業(yè)的用戶、領(lǐng)導(dǎo)介紹礦產(chǎn)的空間形態(tài)與開采技術(shù)條件。姜作勤(2013)認(rèn)為三維地質(zhì)建模大大提高了非專業(yè)用戶對地質(zhì)知識的認(rèn)知、理解能力。如何使用戶理解地質(zhì)知識，加強(qiáng)與用戶的交流溝通一直是困擾地質(zhì)專業(yè)人員的問題。許多潛在的非專業(yè)用戶及決策者不會去解釋基礎(chǔ)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，不會去評價(jià)不同解釋方案的優(yōu)劣，不會去區(qū)分理論與事實(shí)，他們需要結(jié)論，而不是數(shù)據(jù)，即以容易理解的方式表達(dá)的信息，3D模型就是一種易于理解的信息表達(dá)方式。

2 三維地質(zhì)建模的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，在中國也已經(jīng)有了一些成功的應(yīng)用嘗試。但總體而言，它在中國地質(zhì)勘探與礦井設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理中的應(yīng)用還并不普及、并不理想，距它應(yīng)該達(dá)到的程度還有很大差距。

2.1 行業(yè)應(yīng)用情況

國內(nèi)三維地質(zhì)建模技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用程度最高，有色貴金屬礦山次之，城市地質(zhì)也已經(jīng)起步，煤炭行業(yè)中一些大型企業(yè)也開始起步，普通地質(zhì)勘探隊(duì)的三維地質(zhì)建?；咎幱诳瞻谆蚱鸩皆囼?yàn)階段。

中國的油氣勘探行業(yè)是三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用面最廣、應(yīng)用程度最深的行業(yè)。中石油、中石化、中海油所屬的油氣勘探企業(yè)都在使用國外的Petrel、RMS、Skua/GoCAD軟件進(jìn)行三維油藏描述。雖然國產(chǎn)三維地質(zhì)建模與油藏描述軟件已經(jīng)開始嶄露頭角，但油氣勘探行業(yè)仍然以國外軟件占統(tǒng)治地位。

有色金屬礦床的勘探與礦山開采行業(yè)是國內(nèi)三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用程度僅次于油氣勘探的行業(yè)。前些年以國外的Surpac軟件與Micromine軟件為主，近年來國產(chǎn)的三維地質(zhì)建模與數(shù)字礦山軟件迅速成熟，已經(jīng)在有色金屬礦山行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

“十二”五期間國家開展了北京、上海、武漢、南京、重慶等重點(diǎn)城區(qū)的地下工程地質(zhì)勘查與三維地質(zhì)建模試點(diǎn)(田小甫等，2012；張?jiān)旱龋?015；明鏡等，2015)。

煤炭行業(yè)在國內(nèi)是較早開展三維地質(zhì)建模研究的行業(yè)之一，但近些年其信息化程度落后于有色金屬礦山，僅少數(shù)大型煤礦企業(yè)開展了三維地質(zhì)建模與三維數(shù)字礦山的建設(shè)，大部分的礦企業(yè)仍以二維信息系統(tǒng)為主。

國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局所屬的六大地質(zhì)中心前些年都引進(jìn)了GoCAD軟件，并在一些大型地質(zhì)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用。

國內(nèi)大多數(shù)的質(zhì)勘探隊(duì)都已經(jīng)采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)提交地質(zhì)報(bào)告。在國土資源部所屬的地質(zhì)勘探單位大多使用MapGIS，煤炭地質(zhì)勘探隊(duì)大多使用AutoCAD繪制地質(zhì)圖件(地形地質(zhì)圖、勘探線剖面圖、鉆孔柱狀圖、底板等高線與儲量計(jì)算圖)，用Excel存儲鉆孔巖性數(shù)據(jù)與分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)。在固體礦產(chǎn)資源勘探行業(yè)，雖然已有不少三維地質(zhì)建模的成功范例，除有色金屬礦以外的絕大多數(shù)勘探項(xiàng)目仍然沒有對勘探成果進(jìn)行三維地質(zhì)建模，可以說三維地質(zhì)建模在固體礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域仍然處于起步階段。

2.2 國產(chǎn)軟件發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)90年代中期就開始進(jìn)行三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)模型、核心算法研究與軟件開發(fā)(毛善君,1998；李青元等，2000；曹代勇等,2001；吳立新等，2002；2003；楊欽，2005；王李管等,2006；潘懋等,2007,武強(qiáng)等，2011)。

北京網(wǎng)格天地軟件公司依托北京航空航天大學(xué)開發(fā)的“深探(DeepInsight)”軟件在曲面造型與斷層處理、油藏描述方面有很多獨(dú)到的技術(shù)(楊欽，2005)，并在國內(nèi)若干油田得到了成功應(yīng)用，結(jié)束了國外軟件獨(dú)霸油氣勘探的局面。

武漢中地?cái)?shù)碼公司開發(fā)的MapGIS對于中國測繪、地質(zhì)、地理信息行業(yè)從手工制圖時(shí)代進(jìn)入到機(jī)助制圖時(shí)代發(fā)揮了不可磨滅的作用。MapGIS也對三維地質(zhì)建模功能進(jìn)行了持續(xù)的研究(朱良峰等，2004；張寶一等，2007；花衛(wèi)華，2010)，其三維地質(zhì)建模模塊MapGIS K9在幾個(gè)三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

北京超維創(chuàng)想公司依托北京大學(xué)的研究成果(潘懋等,2003；2007)研發(fā)的Creatar軟件在北京等城市地質(zhì)三維建模領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用(明鏡等，2015)，并向油氣勘探、固體礦床勘探領(lǐng)域擴(kuò)展。

長沙迪邁公司的Dimine軟件、北京三地曼公司的3DMine軟件在有色金屬礦山的勘探與數(shù)字礦山建設(shè)中得到了成功的應(yīng)用(余璨等，2016；余牛奔等，2015)，并已占據(jù)金屬礦山的大部分份額。

北京龍軟公司、山東藍(lán)光軟件公司、西安集靈公司的產(chǎn)品則在煤炭勘探與數(shù)字煤礦中得到了應(yīng)用。

中國地質(zhì)科學(xué)研究院礦產(chǎn)資源研究所開發(fā)的“探礦者(MinExplorer)”軟件在云南瀾滄老廠銀鉛礦床、西藏甲瑪銅礦、大冶鐵礦等礦產(chǎn)資源三維地質(zhì)建模中得到應(yīng)用(孫莉等,2011；肖克炎等，2012；祝嵩等,2015)。

武漢地大坤迪公司開發(fā)的GeoView、QuantyMine在三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害管理、若干城市地質(zhì)勘查與油田勘探中得到了應(yīng)用(陳國旭等,2010;吳沖龍等，2011)。

國內(nèi)的三維地質(zhì)建模軟件已經(jīng)從無到有，雖然距國外頂級的產(chǎn)品仍然有明顯的差距，但國內(nèi)軟件發(fā)展迅速，發(fā)展勢頭良好。

3 三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)用面臨的主要問題

三維地質(zhì)建模技術(shù)在應(yīng)用中遇到技術(shù)方面、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面以及經(jīng)濟(jì)管理方面的問題，總結(jié)如下。

3.1 建模程序復(fù)雜，難以為基層的地質(zhì)作圖人員所掌握

目前無論是國外的三維地質(zhì)建模軟件還是國產(chǎn)的三維地質(zhì)建模軟件，其操作程序仍然過于復(fù)雜，很多只能由開發(fā)者或經(jīng)過專門培訓(xùn)的專業(yè)操作人員才能使用，難于為地質(zhì)隊(duì)、礦山的地質(zhì)制圖工程師所掌握與使用。由于不能為基層的廣大作圖人員所掌握，因此數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)更新就存在很大問題。另外，三維地質(zhì)建模的工序流程還沒有一個(gè)較為統(tǒng)一的認(rèn)識，因此各家軟件的建模流程各不相同，這固然是由于三維地質(zhì)建模的行業(yè)各異、原始數(shù)據(jù)源相差很大等客觀原因，還由于人們對三維地質(zhì)建模過程的一些共性的關(guān)鍵點(diǎn)討論、抽象、總結(jié)不夠。三維地質(zhì)建模軟件何時(shí)變得像現(xiàn)在的MapGIS(二維版)、與AutoCAD(二維版)一樣經(jīng)濟(jì)、簡單、易用，其大面積推廣使用的條件就真正成熟了。

3.2 約束條件要求嚴(yán)格，導(dǎo)致編輯工作量大

很多在傳統(tǒng)的二維制圖中可以敷衍、忽略的瑕疵在三維建模中變得不可接受。這一方面是由于三維地質(zhì)建模的過程本身確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到作圖元素的多次嬗變，從二維的點(diǎn)、線要素，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的點(diǎn)、線要素，再轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的三角網(wǎng)。這其中的三維曲面構(gòu)建中的求交與約束，導(dǎo)致很多在二維環(huán)境可以敷衍、忽略的微小瑕疵，在三維建模中變得很“敏感”。例如，地層界面等高線與斷面交線或地層界面邊界線相交的“未及線(undershot)”與“過伸線(overshot)”，在二維制圖中可以容忍，但在三維建模中可能導(dǎo)致通過斷面交線與等高線求交獲取斷面交線高程的操作失敗，或致使所生成的地層界面三角網(wǎng)與斷層面三角網(wǎng)出現(xiàn)“病態(tài)”。因此三維地質(zhì)建模軟件要求作業(yè)員在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)盡可能“干凈”。

在二維制圖中，以出圖為目的的制圖與以信息系統(tǒng)建設(shè)為目的的制圖有很大區(qū)別，在三維建模中的制圖要求比二維信息系統(tǒng)建設(shè)的制圖規(guī)則還要嚴(yán)苛。

3.3 沒有三維地質(zhì)建模標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)難以交換共享

困擾三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用推廣的另一大障礙來自于目前從國家層面缺乏三維地質(zhì)模型的建模標(biāo)準(zhǔn)，不同軟件構(gòu)建的三維地質(zhì)模型難以共享。二維GIS的地理空間數(shù)據(jù)的交換本身就還沒有徹底解決，三維地質(zhì)模型的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二維GIS，因此三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的交換與共享標(biāo)準(zhǔn)是三維地質(zhì)建模軟件應(yīng)用推廣中應(yīng)該下大力氣解決的一個(gè)技術(shù)問題。不過這個(gè)問題最近有了好的消息。由國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心牽頭，中國地質(zhì)科學(xué)研究院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等參加，聯(lián)合制定的《三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式》(簡稱Geo3DML)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定完畢，經(jīng)征求意見、試用、評審，已經(jīng)作為中國地質(zhì)調(diào)查局標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)旨在為三維地質(zhì)模型在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、礦井設(shè)計(jì)、數(shù)字礦山建設(shè)中交換、流轉(zhuǎn)提供一個(gè)中立、可操作的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(屈紅剛等，2014；李青元等，2015；中國地質(zhì)調(diào)查局，2016)。

3.4 勘探規(guī)范沒有要求，地質(zhì)隊(duì)積極性不高

目前，國家地質(zhì)勘探規(guī)范中沒有要求提交三維地質(zhì)模型。因此，對于地質(zhì)隊(duì)來說，構(gòu)建三維地質(zhì)模型只是增加其生產(chǎn)成本。如果沒有其他的補(bǔ)償機(jī)制，地質(zhì)隊(duì)沒有對勘探成果進(jìn)行三維地質(zhì)建模的積極性。雖然現(xiàn)行地質(zhì)勘探規(guī)范中沒有要求三維地質(zhì)建模確實(shí)落伍，但國家儲量管理部門認(rèn)為，傳統(tǒng)的地質(zhì)報(bào)告審查標(biāo)準(zhǔn)是地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計(jì)/建設(shè)/生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過幾十年磨合中共同認(rèn)可的，照此規(guī)范執(zhí)行，不會出現(xiàn)大的差錯。地質(zhì)勘探技術(shù)人員對傳統(tǒng)地質(zhì)報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范爛熟于心，雖然他們也在不知不覺中由傳統(tǒng)的手工描圖過渡到了計(jì)算機(jī)輔助作圖。國土資源部《成果地質(zhì)資料電子文件匯交格式》標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)頒布執(zhí)行多年，但勘探成果的三維地質(zhì)建模目前對于他們來說，還沒有自身的要求。

雖然地質(zhì)隊(duì)也認(rèn)識到三維地質(zhì)建模能夠給平面圖、剖面圖協(xié)調(diào)一致以及儲量計(jì)算帶來方便，但三維地質(zhì)建模所需要的軟件購買、人員培訓(xùn)、工作量投入所需要的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)還是大于三維地質(zhì)建模所能帶來的便利。這種局面也許需要三、五年甚至七、八年才會根本改變。就如同大部分的地質(zhì)隊(duì)都經(jīng)歷了較為漫長的過程才由手工作圖轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)作圖上來，但三維地質(zhì)建模軟件要在地質(zhì)隊(duì)普遍使用可能要經(jīng)歷比手工作圖轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)作圖更漫長的過程。因?yàn)?，三維地質(zhì)建模帶給地質(zhì)隊(duì)的好處遠(yuǎn)沒有當(dāng)年由手工作圖進(jìn)化到計(jì)算機(jī)作圖的好處那樣直接與明顯。

3.5 三維地質(zhì)模型的成本由誰支付

地質(zhì)報(bào)告的直接用戶是礦井設(shè)計(jì)院。礦井設(shè)計(jì)院應(yīng)該是勘探成果三維地質(zhì)建模的受益者，三維地質(zhì)模型能夠使礦井設(shè)計(jì)工程師更直觀、精準(zhǔn)地把握礦區(qū)的礦床賦存與開采條件，使他們能夠避開軟弱破碎巖層，將大巷、硐室等服務(wù)年限長的工程部署在堅(jiān)固的巖體內(nèi)。礦井設(shè)計(jì)院希望地質(zhì)勘探隊(duì)在提交傳統(tǒng)地質(zhì)報(bào)告的同時(shí)能提供三維地質(zhì)模型，但是他們并不愿意為三維地質(zhì)模型支付額外的費(fèi)用，因?yàn)榈V井設(shè)計(jì)費(fèi)用是國家或業(yè)主承包給他們的。雖然現(xiàn)在很多礦井設(shè)計(jì)院也引進(jìn)或自己開發(fā)了三維設(shè)計(jì)平臺，但由于數(shù)據(jù)源(地質(zhì)報(bào)告)沒有進(jìn)行地質(zhì)建模，且由傳統(tǒng)的地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行三維地質(zhì)建模的代價(jià)很大，因此大多數(shù)的礦井設(shè)計(jì)院仍然是采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)平臺(雖然繪圖工作已經(jīng)交給計(jì)算機(jī)做了)，但設(shè)計(jì)出來的礦井模型大多還是傳統(tǒng)的二維模型，致使現(xiàn)在大多數(shù)“數(shù)字礦山”、“智慧礦山”仍然是二維的，致使其功效大打折扣。

礦山設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為：在不久的將來，設(shè)計(jì)部門向礦山移交的不僅僅是圖紙和文字資料，而很可能還會提供地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫、礦體三維模型和應(yīng)用軟件。礦山經(jīng)營者則可以在這個(gè)軟件基礎(chǔ)上更新數(shù)據(jù)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、編制生產(chǎn)計(jì)劃并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益試算(魏長長，2010)。顯然，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部門對礦產(chǎn)資源勘探成果三維建模有強(qiáng)烈的需求。

三維地質(zhì)建模確實(shí)是需要付出額外成本的，這個(gè)成本怎樣量化，由誰來承擔(dān)，是一個(gè)還沒有解決的問題。這對于不同的項(xiàng)目可能有不同的機(jī)制來解決。

4 發(fā)展趨勢

盡管三維地質(zhì)建模發(fā)展應(yīng)用中還存在多種問題，這項(xiàng)技術(shù)終究還是會不斷發(fā)展的，筆者認(rèn)為其發(fā)展趨勢如下：

4.1 三維地質(zhì)建模軟件將更加成熟，應(yīng)用更為廣泛

三維地質(zhì)建模軟件將更加成熟，在性能上更加穩(wěn)定，操作上更加簡單、靈活。人們將更深入地探討三維地質(zhì)建模流程中的共性，抽象出三維地質(zhì)建模中更一般、更通用的工作流程，使得三維地質(zhì)建模軟件像人們用WORD/WPS那樣只需要很少的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)就能上手。隨著業(yè)主對地質(zhì)勘探三維可視化成果的要求，地質(zhì)勘探隊(duì)將逐漸地對勘探成果進(jìn)行三維建模。

4.2 由早期的注重形態(tài)建模向形態(tài)與屬性并重的方向發(fā)展

早期的三維地質(zhì)建模軟件注重地質(zhì)體三維形態(tài)的表達(dá)，這是由于三維幾何構(gòu)造形態(tài)的表達(dá)是基礎(chǔ)。沒有幾何形態(tài)的表達(dá)，更高級的應(yīng)用都無從談起。隨著三維地質(zhì)建模應(yīng)用的深入，越來越多的應(yīng)用除了要求地質(zhì)體幾何形態(tài)的三維表達(dá)外，還要求對地質(zhì)體內(nèi)的屬性變化情況(例如巖性、某種物質(zhì)含量、密度、孔隙度、彈性模量等等，在數(shù)學(xué)上抽象地稱之為屬性場)進(jìn)行表達(dá)。人們還認(rèn)識到形態(tài)與屬性的表達(dá)在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，形態(tài)表達(dá)中的界面往往就是某種或多種屬性的由漸變到突變的一個(gè)突變帶。在金屬礦勘探中，“礦”與“非礦”的區(qū)分界面就是據(jù)其品位達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。在油氣勘探中，有機(jī)質(zhì)含量、脆性礦物含量、孔隙度、連通性等細(xì)微屬性的變化的探測與表達(dá)對于油氣開采意義重大。

4.3 與地震、測井、電法、重、磁等物探數(shù)據(jù)結(jié)合更加緊密

高精度三維地震勘探技術(shù)極大地提高了地質(zhì)勘探的精度，測/錄井?dāng)?shù)據(jù)對于巖性物性參數(shù)的表達(dá)是對鉆井取芯采樣的極好補(bǔ)充，在很多場合甚至取代了取芯；電法勘探對于金屬礦、含水層等特殊目的層具有針對性強(qiáng)、成本低的優(yōu)勢。重、磁勘探也具有其特有的優(yōu)勢。三維地質(zhì)建模將越來越依賴于各種物探數(shù)據(jù)的應(yīng)用。地球物理勘探方法中新技術(shù)的采用、精度的提高、成本的降低是地質(zhì)勘探技術(shù)進(jìn)步的重要方面。因此，直接使用各種物探數(shù)據(jù)成果，甚至參與物探數(shù)據(jù)的解釋，將成為三維地質(zhì)建模軟件的發(fā)展趨勢之一。

4.4 與各種專業(yè)模型與應(yīng)用結(jié)合更加緊密

三維地質(zhì)建模軟件將向礦藏描述(包括油藏描述、氣藏描述、金屬礦描述、煤礦藏描述)(余璨等，2016)、成藏模擬、重磁場三維反演(何敬梓等，2015)沉積環(huán)境分析、構(gòu)造演化分析、構(gòu)造演化模擬、礦井設(shè)計(jì)、礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、礦井安全監(jiān)控等專業(yè)模型與應(yīng)用的結(jié)合方向發(fā)展，因?yàn)檫@些專業(yè)應(yīng)用中的基本環(huán)境與框架就是三維地質(zhì)模型。三維地質(zhì)建模技術(shù)將悄然無聲地進(jìn)入這些專業(yè)應(yīng)用，在不知不覺中支撐、引領(lǐng)各種專業(yè)應(yīng)用模型的進(jìn)步與升級。

4.5 融入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等IT主流技術(shù)

三維地質(zhì)建模本質(zhì)上是信息技術(shù)的一個(gè)分支，三維地質(zhì)建模技術(shù)在其發(fā)展中將融入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等IT主流技術(shù)。三維地質(zhì)建模軟件將引入大數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析技術(shù)，以及并行計(jì)算、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、多維時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘等IT主流技術(shù)。三維地質(zhì)建模平臺將成為地質(zhì)大數(shù)據(jù)的處理平臺。能處理地質(zhì)大數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模技術(shù)也將從一個(gè)側(cè)面豐富、拓展大數(shù)據(jù)技術(shù)的內(nèi)函與外延。

5 幾點(diǎn)建議

5.1 國家應(yīng)繼續(xù)對三維地質(zhì)建模領(lǐng)域的支持

雖然國產(chǎn)的三維地質(zhì)建模軟件已經(jīng)從無到有，若干國內(nèi)公司已經(jīng)具有自我造血功能，但從國家層面一定要清醒地認(rèn)識到三維地質(zhì)建模是一項(xiàng)涉及到眾多國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵行業(yè)的基礎(chǔ)性的技術(shù)，該技術(shù)對于眾多行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有控制作用。三維地質(zhì)建模的很多關(guān)鍵技術(shù)問題還沒有真正解決。發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域還具有明顯的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢有可能在“市場自由競爭”的幌子下扼殺國產(chǎn)軟件的生長和發(fā)展。因此在國家自然科學(xué)基金委、科技部、國土資源部地質(zhì)調(diào)查局等部門還應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)對三維地質(zhì)建模方向的支持，除了支持高等院校、研究所的基礎(chǔ)理論研究，還應(yīng)適當(dāng)支持公司對實(shí)用技術(shù)的研究。只有理論與技術(shù)并重，才能打造出能為廣大用戶接受的三維建模軟件產(chǎn)品。

5.2 三維地質(zhì)建模要與專業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合

從國際和國內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)來看，三維地質(zhì)建模應(yīng)與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來，例如與沉積環(huán)境分析、構(gòu)造分析、油藏描述、地球物理勘探、數(shù)字礦山、地上下一體化的數(shù)字城市管理等專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，這樣做出來的具三維地質(zhì)建模功能的產(chǎn)品才有用戶愿意付錢，產(chǎn)品也才能具有自我造血功能。

需要三維地質(zhì)建模功能的行業(yè)很多，不同行業(yè)都有自身的專業(yè)特點(diǎn)，一個(gè)公司將一個(gè)行業(yè)做精做透就會有自己的生存空間，不要指望一款軟件適用所有行業(yè)。

5.3 加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與維護(hù)

由中國地質(zhì)調(diào)查局組織，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心牽頭制定的《三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型交換格式(Geo3DML)》是一個(gè)正確的發(fā)展方向。但鑒于三維地質(zhì)模型的復(fù)雜性和應(yīng)用行業(yè)的多樣性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還不可能一出臺就十分完善，需要在應(yīng)用中不斷地修改與完善。另外，中國地質(zhì)調(diào)查局以及及各專業(yè)部門的地質(zhì)局應(yīng)該組織一批應(yīng)用示范工程，在應(yīng)用示范工程中增加對勘探成果三維地質(zhì)建模的要求，對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行廣泛的應(yīng)用試驗(yàn)，并給予一定的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)組織對標(biāo)準(zhǔn)的修改完善，或者根據(jù)本行業(yè)的勘探工作特點(diǎn)制定既與該標(biāo)準(zhǔn)總體風(fēng)格、基本內(nèi)容一致，又適合本行業(yè)專業(yè)特點(diǎn)的專用標(biāo)準(zhǔn)。

在國家層面還應(yīng)組織實(shí)施幾個(gè)項(xiàng)目吸引礦井設(shè)計(jì)部門、礦山生產(chǎn)單位與數(shù)字礦山軟件開發(fā)企業(yè)的參與，使得地質(zhì)勘探成果的三維模型能夠直接為中、下游企業(yè)所使用，使得三維地質(zhì)建模成果的社會效益最大化。

5.4 逐步在勘探規(guī)范中增加對三維建模的要求

在上述應(yīng)用示范項(xiàng)目進(jìn)行的同時(shí)，國土資源部礦產(chǎn)儲量管理司及其相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)組織有關(guān)單位考慮在地質(zhì)勘探規(guī)范中增加對成果三維地質(zhì)建模方面的要求，并考慮給三維地質(zhì)建模工作設(shè)置一定的專項(xiàng)費(fèi)用。在勘探規(guī)范中增加三維地質(zhì)建模要求將是一項(xiàng)涉及面廣、政策性強(qiáng)的工作，它與現(xiàn)在地質(zhì)報(bào)告審查中強(qiáng)調(diào)市場規(guī)則、尊重用戶(出資者)的要求的原則怎樣協(xié)調(diào)，可以調(diào)研、借鑒國際上在這個(gè)方面的處理方式。國外很多礦權(quán)交易市場要求掛牌交易礦權(quán)的區(qū)塊提供三維地質(zhì)模型，很多國外勘探項(xiàng)目都被要求提供三維地質(zhì)建模成果。將行政手段與市場需求結(jié)合起來促使地質(zhì)勘探成果的三維地質(zhì)建模。

5.5 軟件開發(fā)者設(shè)法降低軟件的操作復(fù)雜度提高軟件的容錯與集成能力

雖然三維地質(zhì)建模工作本身確實(shí)很復(fù)雜，但軟件開發(fā)商還是要想方設(shè)法降低軟件的操作復(fù)雜性，增強(qiáng)軟件的健壯性與容錯功能，用魯棒、智能的算法容忍“未及”、“過伸”等瑕疵。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，各種不同來源、不同類型、不同精度數(shù)據(jù)的集成與整合在所難免。三維地質(zhì)建模軟件需要“容忍”各種數(shù)據(jù)的不精確、操作的不準(zhǔn)確。

6 結(jié)束語

技術(shù)的進(jìn)步不可逆轉(zhuǎn)，但同時(shí)又是一個(gè)緩慢的、漸進(jìn)的、由局部到全局的過程。2002～2005年，國土資源大調(diào)查項(xiàng)目中設(shè)立了一個(gè)工作項(xiàng)目，開展地質(zhì)體三維建模的現(xiàn)狀調(diào)研、示范研究后，得出的結(jié)論是“三維地質(zhì)建模從數(shù)據(jù)模型到技術(shù)方法仍然沒有成熟”(楊東來等,2007)，雖然10年過去了，國產(chǎn)的三維地質(zhì)建模軟件從無到有，但上述結(jié)論總體情況仍然沒有改變。正如姜作勤所指出的那樣，地質(zhì)專家早在80年代末提出三維地質(zhì)建模的功能需求，20多年過去了，結(jié)果并不令人滿意，將3維建模納入地質(zhì)調(diào)查流程還有很長的路要走(姜作勤，2013)。中國三維地質(zhì)建模從研究學(xué)者到軟件廠商都任重而道遠(yuǎn)，國家相關(guān)部門需要給他們創(chuàng)造一定的條件，勘探項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人應(yīng)積極地在項(xiàng)目中使用三維地質(zhì)建模技術(shù)。

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Usage,Status,Problems,Trends and Suggestions of 3D Geological Modeling

LI Qing-yuan1,2,3,ZHANG Luo-yi2,CAO Dai-yong2,DONG Qian-lin2,CUI Yang3,CHEN Chun-mei2

(1.KeyLaboratoryofGeo-Informatics,ChineseAcademyofSurveyingandMapping,Beijing100830;2.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineeing,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083;3.SchoolofMappingandGeographicalScience,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000)

This paper summarizes the usage,status,problems,trends of 3D geological modeling and proposes some recommendations.The usages of this technology are：(1) displaying real 3D scenes;(2) accurate calculation of reserves;(3) making planar and profile structural forms compatible and linkage editing;(4) integration and assimilation of multi-source and heterogeneous data;(5) various 3D spatial analysis and process simulation;and (6) facilitating introduction of complex geological conditions to the customer and leadership.The current status of 3D geological modeling is discussed from two aspects of application and domestic software development.The existing problems in the application of this technique include：(1) The operation of software is too complex and difficult for the makers of geological maps;(2) Constraint conditions of 3D modeling are too harsh and manual editing work is extremely huge;(3) There is no standard of 3D geological modeling and model data to exchange and share;(4) Exploration specification is not required and the enthusiasm of geological teams is not high;and (5) It is unclear who should pay the cost of modeling.The development trends of 3D geological modeling are predicted as follows：(1) Software will be more mature,stable and easy to use.(2) It will develop from the early focusing on shape modeling to both shape and property modeling.(3) It will be more closely combined with seismic,logging and other geophysical data.(4) It will be more closely linked with professional application models of mineral deposit description,reservoir simulation,sedimentary environment analysis,tectonic evolution and tectonic modeling and so forth.(5) It will integrate the IT mainstream technologies of big data,cloud computing,the internet of things and others.Several suggestions are put forward to the relevant authorities of the state,enterprise users and software developers：(1) The country should continue to support the 3D geological modeling;(2) The 3D geological modeling should be closely combined with the professional application;(3) To strengthen the development and maintenance of relevant standards;(4) To increase requirements for 3D modeling in exploration specification step by step and (5) Software developers should try to reduce the complexity of the operation of the software and improve the ability of fault tolerance.

3D geology modeling,geology exploration,mineral resource exploration,digital mine

2015-04-24；

2016-03-11；[責(zé)任編輯]郝情情。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272367，41572141)資助。

李青元(1958年-),男,研究員,從事三維地質(zhì)建模軟件研究與應(yīng)用。E-mail:liqy@casm.ac.cn。

P287

A

0495-5331(2016)04-0759-09

Li Qing-yuan,Zhang Luo-yi,Cao Dai-yong,Dong Qian-lin,Cui Yang,Chen Chun-mei.Usage,status,problems,trends and suggestions of 3D geological modeling [J].Geology and Exploration,2016,52(4):0759-0767.