‘壹’ 地质体三维建模方法
在分析三维空间建模方面的国内外大量研究文献的基础上，目前主要有四种类型的建模方法：基于体的建模方法、基于面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛权建模方法。
表1-1 3D空间建模方法分类
1.基于体的建模方法
体模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体（Tetrahedral）、六面体（Hexahedral）、棱柱体（Prismatic）和多面体（Polyhedral）等类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。建模方法如下：
（1）规则块体（Regular Block）建模；
（2）结构实体几何（CSG）建模；
（3）3D体素（Voxel）建模；
（4）八叉树（Octree）建模；
（5）针体（Needle）建模；
（6）四面体格网（TEN）建模；
（7）金字塔（Pyramid）模型；
（8）三棱柱（Tri-Prism，TP）建模；
（9）地质细胞（Geocellular）模型；
（10）不规则块体（Irregular Block）建模；
（11）实体（Solid）建模；
（12）3D Voronoi图模型；
（13）广义三棱柱（GTP）建模。
2.基于面的建模方法
基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物（建筑物）及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可能是非封闭的。基于采样点的TIN模型和基于数据内插的Grid模型通常用于非封闭表面模拟；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section-TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质建模。通过表面表示形成3D空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处由于缺少3D几何描述和内部属性记录而难以进行3D空间查询与分析。建模方法如下：
（1）TIN和Grid模型；
（2）边界表示（B-Rep）模型；
（3）线框（Wire Frame）模型；
（4）断面（Section）模型；
（5）断面-三角网混合模型；
（6）多层DEM建模。
3.混合建模方法
基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3D目标的空间轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的建模方法侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3D目标的空间表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。混合模型的目的则是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与不规则体元的优点，取长补短。主要包括如下混合建模方法：
（1）TIN-CSG混合建模；
（2）TIN-Octree混合建模；
（3）Wire Frame-Block混合建模；
（4）Octree-TEN混合建模；
（5）GTP-TEN混合建模。
4.泛权建模方法
陈树铭认为地质三维领域中，地矿、石油的三维分析相对来说是比较简单的，相比之下工程地质、水文地质等的三维分析更复杂，比如说在地矿、石油领域应用克里格方法基本就可以分析，但是对于工程地质、水文地质分析来说，克里格方法基本是不可行的。他认为目前主要有三类地质三维重构算法，即剖面成面法、直接点面法，以及拓扑分析方法。在综合应用概率统计、模糊、神经网络、插值、积分等理论的基础上，构造了一种新算法（他称之为“泛权”算法），其核心思想就是能对任意M维的连续、非连续边界进行重构分析，并同时能耦合地模拟各种复杂背景因素的影响。
（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地质剖面的基础上，再应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面，进而来表达三维体。比如国外的三维地质分析软件GEOCOM就是采取此种思路的一个典型。具体的解决步骤如下：
①收集、整理原始地质资料，并进行柱状和综合分层；
②建立地质空间多参数数据库；
③根据以上资料，应用人工交互式的地质剖面生成软件平台，加上专家的人工干预生成各种各样的空间地质剖面；
④分别根据各已计算剖面的地层分布结果，加上专家的干预、分析参数的控制来生成各个地质曲面；
⑤建立地层空间曲面构架数据库；
⑥应用地质三维展示平台，基于地层空间曲面构架数据库、地质空间多参数数据库，来进行地质三维展示，三维切割分析、方量计算等功能。
（2）直接点面法。直接点面法的基本思路是，直接将原始的散状数据进行有效的分层，直接根据各个层面的标高，应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面。比如国外的三维地质分析软件ROCKWARE就是采取此种思路的一个典型。其解决步骤基本同于剖面成面法，只是没有下文第3）步，但是地层曲面生成技术相对前者来说要更难一些。
（3）拓扑分析法。拓扑分析法的基本思路就是，基于各个层面的离散点，通过分析这些点的空间拓扑关系，构造地质体。目前来说进行拓扑分析基本采用六面体、四面体模型，或者是Delaunay四面体模型等。其与剖面成面法、直接点面法，在本质上没有什么区别，还是从离散的点出发去构造地质层面。
‘贰’ 地下水三维地质建模的数据需求与数据组织
地下水三维地质模型的生成和维护需要大量的基础水文地质数据信息的支持，这些数据信息主要是反映含水系统的特征：如地貌、地层、断裂、褶皱等，和流动系统的特征：如地下水水位、水量、开采量等。针对这些数据信息建立地下水三维地质模型的基础数据库，并提供这些数据信息的维护与管理机制，实现地下水系统三维结构的动态更新和实时服务。
（一）地下水三维地质建模所需数据类型
在地下水三维地质建模中，会涉及的地质现象主要有：地貌（或地形）、地层、褶皱、断裂、透镜体及侵入体等，为刻画这些地质现象，就需要用到地表数字高程模型数据（DEM）、遥感影像数据、地理信息数据、钻孔数据及剖面数据等。具体来说，为刻画三维模型中的各种地质现象，需要的相关数据包括以下几种：
1.地表数字高程模型（DEM）数据
地表数字高程模型数据用于生成三维地质结构模型顶面（地表面），此部分数据可以从测绘主管部门获取或向国家测绘局基础地理信息中心购买，从基础地理信息中心购买的数据属于标准数据，数据以ARCINFO数据格式存放。DEM数据比例尺有多种，其中，全国的1：25万数据库在空间上包含816幅地形图数据，覆盖整个国土范围，国外部分沿国界外延25公里采集数据。地貌统一在TERLK层中存放，包括等高线、等深线、冲沟等，DEM等高线的等高距，在全国范围内共分40m、50m、100m三种，使用时可参照等分布图确定。对于标准数据，可以根据需要进行数据格式转换、比例变换、投影变换等多种处理。
另外，如果不能获取现成的DEM数据，也可以自己使用专门的地理信息系统软件用地形图生产。即把纸质地形图数字化及几何纠正校准，然后进行高程信息的提取——对等高线进行屏幕矢量跟踪并对等高线标赋高程值，同时编辑、检查、拼接以生成各种拓扑关系，最后用软件进行内插值、裁剪生成DEM数据。
2.遥感影像数据
遥感影像是地球空间数据最直接、时效性最强的数据形式，模型的表面需要用影像数据进行贴图，来表达真实的地表景观。由于影像数据的容量大，为了能够快速、高质量地进行显示，需要根据显示的范围、显示的比例选择分辨率最合适的影像进行纹理映射。一个模型可以有不同分辨率的多套卫星/航测影像数据，某些影像数据有可能只局限于某个局部。因此，在显示时，所有的影像数据都需要读入内存，以实现多分辨显示。这就需要在技术上做一些处理，比如图像格式的转换，根据显示分辨率和比例的不同，转换为不同分辨率的图像如BMP、TIFF、GIF等图像格式。
对遥感影像数据的处理主要包括对遥感影像的几何精纠正和不同分辨率影像数据的融合。一般使用遥感处理软件ERDAS和ENVI软件进行处理。遥感影像几何精纠正的目的是对图像地物象元进行坐标匹备，经过转换运算和重采样，使得遥感影像带上地图投影和地理坐标进行配准。遥感影像数据融合是将多波段低分辨率影像数据的光谱信息与单波段高分辨率影像数据的分辨率信息进行融合，以获取在尽量不减少光谱信息的基础上，提高遥感影像的空间分辨率。
一个地表卫星/航测影像数据是一幅图像和一些坐标配准参数。对于具体的影像图片，要根据高程数据和相关软件进行集成融合，精度匹配，即解决投影变换、比例缩放、范围裁减、坐标匹配等问题。为此，在专门的数据库中应记录不同分辨率、不同区域的影像数据。
3.地表地理信息数据
地表地理信息数据，可以根据专业要求在三维模型的表面进行各种图元的标注，不仅可以绘制点、线、区的图元，而且可以标注文字及图形图像，来表达与模型地表几何模型有关的属性信息，如河流、铁路、公路、湖泊、城市、政区、居民地、铁路、公路、水系、土地覆盖等信息，并且可以简单管理这些信息。这些数据可以是野外采集而来，也可由专用GIS系统数据转换而来。这些图元信息要在模型顶面展现。
4.钻孔数据
钻孔数据是地质技术人员在野外钻探现场记录并整理的第一手技术资料，它对于模型的生成起直接或间接校正的作用，钻孔数据一般在EXCEL表或ACCESS数据库中存放。存放于EXCEL表的钻孔数据，一般是区域数据，数据量不大，钻孔信息分存于不同的表单中；存放于ACCESSS数据库中的钻孔数据，一般数据量大，为某一区域或区块的钻探数据。钻孔数据从ACCESS数据库中读入后，并不是直接应用，还需要进行人工或系统按照一定规则进行概化处理，才能参与建模，在进行模型编辑生成时，还可以根据这些数据将钻孔轨迹以图形方式显示在屏幕上。
不论是以EXCEL表还是ACCESS数据库存储的钻孔数据信息，它必须包含以下几种基本信息：钻孔编号、地理位置、孔口标高、终孔深度、分层信息及岩性等。其中，钻孔编号字段类型为字符型，用于唯一标识一个钻孔，方便钻孔对象的查找和数据的访问；地理位置信息是为了记录钻孔所处的空间位置，它包含两个字段类型，均为浮点型数据，若为经纬度形式的，则一个字段记录经度，另一字段记录纬度，若为大地坐标形式的，则一个字段记录X坐标，另一字段记录Y坐标；孔口标高用于记录钻孔起始位置，字段类型为浮点型；终孔深度字段类型为浮点型，用于记录钻孔在垂向上的长度；分层信息字段类型为浮点型，用于记录钻孔所经过地层的分层情况（一般记录各分层的顶界面标高）；岩性字段类型为字符型，主要用于描述各个层位的岩性。
5.地质平面数据
地质平面数据即地质平面图，它主要反映各地层在地表出露的情况，对于控制三维模型中地层在地表的分布状况起着至关重要的作用。在各种GIS软件中存放的数字形式的地质平面图中，要求对于剥蚀线数据或地层出露线数据赋予高程属性，否则无法在三维空间中定位这些线信息。
6.剖面数据
剖面是地质专业人员根据工作要求，依据钻孔信息绘出的地层断面图，需要说明的是，剖面图也许不是地质情况的真实反映，但它包含着技术人员的推理和经验，可以说是地层情况最接近真实的反映。
剖面图的存放格式，由于各技术队伍作图采用软件不同，图形存放的文件格式也不尽相同，主要有MAPGIS图形数据格式和AUTOCAD图形数据格式，地下水三维地质建模系统的数据输入可留出这两种图形文件数据接口。具体地说，若是MAPGIS图形格式，采用把图形数据转换成MAPGIS明码文件文本数据格式，再读入系统进行复原即可；若是AU-TOCAD图形数据格式，可把DWG图形文件格式转换成DXF标准图形文件格式，读入系统即可。还可把MAPGIS和AUTOCAD两种图形文件混合输入，例如需在剖面图上添加岩性颜色，即可在MAPGIS中调用剖面，做岩性颜色区文件，再输出MAPGIS明码文件，可很好地解决剖面图剖面数据输入问题。对于三维建模系统来说，这种方式可很好地解决地下各含水层的表达问题。
在剖面数据中必须包含横向比例尺、纵向比例尺、图例等信息，方便系统对不同来源的剖面数据进行转换。
7.地层等值线数据
地层等值线数据是根据钻孔资料、物探资料等，由专业技术人员绘制出的，反映地层界面在空间中的变化情况。由于钻孔只能反映一个点上的信息，剖面只能反映一条线上的信息，而地层等值线数据可以表达一个面的信息，因此等值线数据对于精确建立各个地层面位置及几何形态具有很大的帮助作用。
在GIS软件存放地层等值线数据，需要在其属性中赋上每条等值线代表的高程（或厚度、埋深等）数值。
8.断层数据
断层是地质构造的产物，表示地层的断裂和错动，它对于地质研究、地质资源勘探、地下水流场分布都有重要的意义，另外，断层在地质建模中对于地质体的生成、工区边界的确定起重要的作用，因此，逼真地刻画断层对于地质建模来说，是一项重要的工作。
断层作为刻画地下水系统模型空间面的一种数据类型，在建模过程中需要明确：断层面的空间展布，断层不同点的产状，断层的水理性质。
断层数据主要是以图形的方式输入，然后用来建模的。平面上断层的表达方法有两种，一种是在平面图上绘制断层走向及标注倾角，如平面图或地质图；另一种是在剖面图上绘制断层线。结合这两种图件，断层在空间的展布情况就会一目了然，断层产状可由系统读取数据库数据或人工给定。断层的水理性质对于后期地下水模拟计算是必须的，可存放在数据库中或直接存放于模型断层属性中。
9.物探数据
物探技术在地质勘探中具有重要作用，勘探方法主要有地震、电法、磁法、重力等，从物探数据中可得到：点位资料、层位划分及其属性。在地下水系统建模中，物探数据和钻孔数据具有相同的作用，根据物性的差异提供含水层的划分情况，表达地层具有相同的物理力学参数或位置，如地下含水层顶板、底板、地下水位等值线信息。使用这些等值线数据，建模系统可以插值拟和地层面或断层面。
10.动态数据
动态数据是监测到的地下水位、水质、水温等波动过程的信息，这种波动不同程度地反映了河流径流在时空上分布的特征。影响地下水变动的主要因素是河川径流、蒸发蒸腾和人类的灌溉过程。随着大批水利工程的建设和井灌的发展，人类活动对地下水动态过程的干扰逐渐加剧。因此，利用地下水位监测数据，或系统模拟分析某时刻的水位数据，生成指定含水层指定时刻的地下水流场图。建立地下水水位变化模型，实现地下水移动的动态仿真。在地下水三维地质建模过程中，需建立专门的数据库存放此类数据。
11.相关文档资料
文档资料为建模区的勘探、科研报告，包括各种项目汇报书、区域水文地质普查报告、专题研究报告等。这些资料为模型的建立具有重要的参考价值。
（二）数据概化预处理
建立地下水三维可视化模型所需要的数据资料既有原始数据资料，又有模型所生成的次生数据。原始数据可分为地表数据和地下数据。地表数据主要为卫星影像和地表地理信息数据，地下数据有钻孔、剖面等反映地质结构的图文数据。由模型生成的次生数据或图形主要有地层、断层、地层体区块等。
如此多的数据，直接用来建模，不但会使计算机内存负荷过大，同时也使得对象的空间拓扑关系难以建立，因此有必要进行数据概化处理。需要概化处理的数据有钻孔数据、剖面数据等，对这些数据按一定的规则进行概化，使得这些反映垂向结构的数据逐步变得有序化，为进一步自动生成地下水系统三维结构奠定基础。
1.地层概化的原则
由于地质结构的复杂性，几何特征千变万化，规则的几何现状不可能描述现实的地质体形状，但地质体的变化又不是完全毫无规律可寻，因此，按一定的原则进行地质体的概化处理符合地质行业习惯，又满足地质建模的要求。
一般的地层概化由地质人员按一定的地质要求对地质体进行归类合并处理，如按同一地质时代，或地质体的物理力学性质进行概化处理。
与技术人员直接指定地层方法对应的是由计算机自动进行地层概化处理，即按一定的尺度判别地质体的分层方法，给出一定的尺度，当某层的最大层厚小于标准尺度时，不考虑该层，并将该层合并到它的上层或下层；当某层的最大层厚大于标准尺度时，考虑该层，然后按概化分层标准计算机自动进行分层处理，并提供按颜色、纹理、显示概化的地层。
上述的方法固然简单，但对于不同的地质专业，建模则具有各自专业的要求和特点，有些层对于模型的规模来说可能是很小的，可以忽略的层，但从专业角度来讲具有显着的影响，必须考虑该层的存在。如在石油地质建模中，需要对含油构造的细小砂层进行详细的刻画与描述；在工程地质建模中，需注重软弱夹层和软弱下卧层及结构面的描述；在水文地质建模中，需要描述含水地层的地质结构，即含水层顶板、底板、地层透镜体等与地下水有关的地质结构的描述。这就必然要考虑到这些关键层的概化要求。
2.钻孔概化预处理
原始钻孔数据给出了钻孔上各个点的岩性，相邻的点之间是钻孔的一个小段。对钻孔数据预处理的目的是要将岩性相同或相近的小段合并，将一个钻孔中的许多小段概括为几个大的段，每个大段对应一个地质体，每个地质体中的岩性基本相同。这个过程称为钻孔概化。
在钻孔概化处理时，采用人工处理方式，需要注意：
（1）钻孔原始属性（岩性）数据在钻孔上的分布情况。
（2）已经完成的分层情况。
（3）相邻钻孔分层点之间的对应情况。
（4）钻孔分层对地质结构模型的影响。
概化完成后的钻孔数据段与段之间具有对应关系——属于同一个地质体的段之间具有对应关系。为了生成三维地质模型，可以对每个地质体进行命名，并将地质体名称记录在段中。这样，就可以描述出不同钻孔的段与段之间的对应关系了。
3.剖面与断层的概化处理
剖面是地质技术人员对地质构造的直观解释，它对水文地质建模建模起着举足轻重的作用。大区域内的少量钻孔只能起到辅助建模的作用，建模中更多的是使用剖面。因此，就必须对剖面进行深入地分析。图3—3插入两张剖面用作对比分析。
图3—3 原始剖面与建模剖面
从图3—3（a）中可看出，剖面上地质结构复杂，层与层关系不清晰，断层过多过细，透镜体小而多，局部地层出现犬牙交错的状态，这种剖面对地质构造的精细刻画对于地质专业人员来说，比较能够很好地理解。但对于地质建模来说，它突出的是整体性，大尺度、规率性的模型，过度的精细与专业化反而使技术人员无所适从。因此，需要对原有的剖面进行概化处理。
在概化过程中，需要明确大的地层关系，如时代岩组、一定量厚的地层等，细小的地层或透镜体归类到大地层当中，细小的断层可忽略不计，对犬牙交错的地层进行概化或模糊性处理。经过这样概化处理的剖面地层主辅突出、断层清晰明确、既反映了地质构造、又注重细节的刻画，适合于建模工作的开展。如图3—3（b）所示。
对剖面的处理，不光要概化处理地层与断层情况，还要注意剖面的纵横比例，从全局来考虑，要使模型的范围大小与地层深度达到一个合适的比值，如果模型太扁平，则需要修改剖面的纵向比例，使剖面在深度方向上更长一些，从而使构建的模型相对美观一些。
‘叁’ 什么是三维地质建模，而在三维软件里哪一款在地质建模里运用的最好急！！！
三维地质建模概念：
三维地质建模就是将地质，测井，地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起生成三维定量随机模型。
三维地质建模（Three-dimensionalgeological modeling）的概念最早是由加拿大SimonWHoulding 于1993年提出的。所谓三维地质建模, 就是运用计算机技术, 在三维环境下, 将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的一门技术。
比较好用的软件有：
suffer
3D-Mine
MICROMINE
UG
‘肆’ 城市地质三维建模的数据需求与数据组织
城市地下地质空间勘探研究不仅包括浅部的工程建设层，还应包括中部、深部地层。相对于其他地质勘察项目而言，城市地质勘察尤其是中心城区的地质勘察程度较高、资料较丰富，既有大量可精确描述地层的钻孔数据，又有大量根据钻孔和物探数据解释得到的剖面图、地层平面分布图、地质构造图等人工解释数据，这些数据表达地质空间信息各有特点，又都不同程度地存在表达三维信息的局限性和不完整性，如何充分利用各种数据的特点，通过数据耦合的方式建立城市地下地质空间三维地质模型是建设城市地下地质空间信息系统建设的关键。
（一）基础地理空间数据
这类数据主要包括地理底图（地形图）和遥感影像，地理底图主要用于钻孔点位、三维模型和基础地理空间信息的叠加定位，遥感影像则作为地表纹理数据叠加在地形模型上。地理底图类数据要求为GIS矢量数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件），这类数据一般按照水平分幅、垂向分图层的方式进行组织，如图3—1所示。遥感影像数据一般为JPG、TIFF格式，需要包含用于校正的控制点信息。
图3—1 海量底图逻辑结构图
（二）钻孔类数据
城市三维地质建模中最常见的一类建模数据就是钻孔数据。工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩土层分布状况，取得的岩芯（土样）还可以进行相应的室内试验获得其物理力学指标。钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义，根据钻孔数据构建三维地层实体模型一直是国内外三维地质建模领域研究的热点，并取得了一定的研究成果。
钻孔基本资料表，钻孔土层描述表，整体（标准）地层描述表是基于钻孔进行三维地质建模所必需的几个核心表，三个表所含有的建模必要字段、名称可以不与下述表的字段名称相同，但所代表的意义一定要相同。
1.钻孔的基本资料表（表3—6）
表3—6 钻孔基本资料表
说明：①日期型数据要统一格式；②孔口标高X，Y最好为国家坐标系；③其中1，6，9，10，11 项为三维建模必需项。
2.钻孔的土层描述表（表3—7）
表3—7 钻孔土层描述表
说明：①分层序号为同一钻孔内不同土层的顺序号；②其中1，2，3，4，7项为三维建模必需项。
3.全局地层描述表（表3—8）
表3—8 全局地层描述表
说明：①1，2，11字段为三维建模必需项；②说明字段“地层名称”和其他表中的字段“土质类型”是一致的。
全局地层描述表实际上就是一个“基本地层层序表”，其形成规则是：按照地层沉积顺序和形成年代，结合岩土体物理力学指标数据，自上而下按照由新至老的顺序进行排列。在形成此基本层序表的过程中，可能会出现地层顺序无法排列的情况，这需要结合工程勘察人员的经验，按照地层叠覆律进行确定。简单地说，地层层序要求建模区域内所有的地层都被自上而下的排序，并且在各个钻孔中的顺序都不变。
事实上，地层层序并不见得对所有的钻孔都合适。由于地层尖灭，透镜体等存在于局部区域，特定的地层可能只在一部分区域连续，而在其他地方被另外的地层切割。采用“全局地层层序”的概念能够容易的表达这些复杂的地质现象。
下面是关于“全局地层层序”必须满足的一些基本规则：
（1）如果在一个钻孔中，地层A在地层B的上面，则在“全局地层层序”中，A在B的上面。
（2）如果在钻孔1中地层A在地层B的上面，而在钻孔2中地层B又在地层A的上面，则：
①在地层层序中至少有3个地层；
②必须使用其他的钻孔来确定地层层序。
（3）“全局地层层序”中地层的数目不少于：
各个钻孔的地层数目的最大值+在该钻孔（即具有最大钻孔数目的钻孔）中不存在的所有地层的数目。
4.其他数据表
包括土试数据表等不是三维地质（结构）建模所必须，在此省略。
（三）平面地质图类数据
1.一般格式
要充分利用平面地质图所蕴涵的地质构造信息来建立三维地质结构模型，需要首先将现有的纸质图件数字化为电子图件或者将原有的电子图件转化为建模系统能够识别的电子图件格式，如下：
（1）平面地质图采用GIS图形数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件）进行存储，可利用GIS图形编辑模块进行查看、编辑、修改等操作。
（2）一个地质平面图可用一个工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储。这个工程文件须记录完整的平面图信息，如坐标系类型、投影参数、比例尺等。
（3）每一个工程文件（如MAPGIS*.mpj）由以下文件组成（其中第一个是必须有的）：
①区文件记录原地质平面图中的地质单元分区信息。主要属性字段有：ID，面积，周长，区域类型，地层编号，备注。
②弧段属性结构，记录地质单元分区中的线属性。主要属性字段有：ID，长度，弧段类型，断层编号，盘类型等。
③*.wt：图上必要的标注信息。
④另外，如果有其他内容需要记录下来，可另在工程文件中附加其他点、线、面文件。
2.等值线格式
有些平面地质图含有等高线信息（如地层埋深等值线），这些等值线对建模有同样的重要意义，需要将等值线信息进行标准化，记录下等高线类型、数值等信息。
等值线数据可采用GIS工程文件格式（如MAPGIS *.Mpj）组织，也可以采用单独的点、线文件格式（如MAPGIS *.wt、*.wl）组织。但无论采用何种组织方式其包含的三维地质建模基本信息如下表所示：
（1）顶、底板埋深等值线文件（结构建模）格式。地层顶、底板埋深等值线文件属性结构如表3—9所示。
表3—9 地层顶、底板埋深等值线文件属性结构
（2）等厚度线文件（结构建模）。地层等厚度线文件属性结构如表3—10所示。
表3—10 地层等厚度线文件属性结构
（3）高程点文件（结构建模）。高程点文件属性结构如表3—11所示。
表3—11 高程点文件属性结构
（四）地质剖面类数据
每个地质剖面采用一个GIS工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储，地质剖面数据采用GIS图形数据格式（如MAPGIS*.wt，*.wl，*.wp）分图层进行存储，可利用基于GIS图形编辑功能开发的“地质剖面编辑器”查看、编辑、修改剖面图。
在地质剖面输入与标准化处理时，采用以剖面起始点、终止点、拐点为地质剖面空间形态表示核心数据，轮廓区域作为三维地质结构建模核心数据。对于每个剖面工程文件，主要记录以下图形和属性信息：
1.定位点文件（必备）
剖面定位点文件要在剖面上标识出剖面起点（X0，Y0）、终点（Xn-1，Yn-1）剖面所经过的中间点（Xi，Yi）。由于剖面图在垂直方向上没有转折，另外用户还要输入两个以上高程控制点Hj和Hj+1，这样系统就可以自动计算剖面的水平、垂直比例尺及剖面实际空间位置，如图3—2所示。
图3—2 剖面定位点标识示意图
定位点属性结构如表3—12所示。
表3—12 定位点属性结构
2.地层区文件（结构建模）
地层区文件中既要定义每个区的属性结构还要定义构成区的弧段的属性结构（表3—13，表3—14）。
表3—13 地层区文件区属性结构
表3—14 地层区文件弧段属性结构
3.地层线文件（结构建模）
地层线文件属性结构同地层区弧段属性结构。
4.钻孔线文件（钻孔建模必备）
钻孔线文件属性结构如表3—15所示。
表3—15 钻孔线文件属性结构
5.断层线文件（断层建模必备）
断层线文件是进行基于剖面的断层建模所必需的数据，其属性结构如表3—16所示。
表3—16 钻孔线文件属性结构
（五）地质空间数据的规范化和归一化
城市地质空间基础数据，数据层面多，来源不同，采集于不同时期，数据类型亦不同（地理底图、遥感影像、地质图、钻孔等），即是都是地图数据，其投影方式、坐标体系、地图单位等参数也不一定完全一致，进行三维地质建模前除按照上述数据需求准备数据外，按照一定的标准对系统数据进行规范化处理是非常有必要的。所谓数据的规范化处理是指按照国家标准、行业标准、地方标准或系统建设标准对数字化后的地质资料分类进行数据的预处理、概括处理等。
1.数据预处理
坐标配准：将各层次数据的空间坐标体系都转换成统一的坐标系（如城市坐标），地图单位也要统一（如以米为单位）；投影规一化：用GIS的投影转换功能把各数据层转换成统一的投影方式；遥感影像矢量化：遥感数据必须经过矢量处理、加注属性、建立空间拓扑关系后使用；确定统一边界：对研究区域确定统一的标准边界，用叠加和切边操作使各数据层的边界完全一致。
2.三维建模数据的概化处理
在所有的数据规范化处理工作中最关键的也是最具挑战性的工作是地层、钻孔、剖面、构造地质图等三维地质资料的概化解释工作。也就是要建立三维地质模型，再通过必要的渲染和可视化表达分析手段模拟城市地下地质空间的状况。城市三维地质建模主要使用两类数据：一类是反映地表变化情况的基础地理数据，如地理底图、DEM数据、遥感影像数据，这类数据对三维地质模型只起空间定位、地形约束、修饰作用；另一类是映地下地质结构变化情况的地质勘探解释数据，如钻孔、剖面、地质图等，进行三维地质建模时需要使用这类数据精确确定地层、断层等点状、线状、面状及体状的地质构造信息，这类数据是进行三维地质建模的关键数据。由于三维地质模型的确定性和拓扑严格性，相应地也要求这类数据必须具有严格的、确定的几何和拓扑一致性。
考虑到项目搜集到的钻孔数据多来自于不同时期、不同项目的成果，由于当时勘探目标、所依赖的标准不同，甚至因不同人的认识不一样，导致对同一区域或相近区域地质现象解释的详细程度和划分结果不一样，甚至差别非常大或是自相矛盾，这对于强调全市范围内应用的城市地质调查成果表达和三维地质建模来说是无法接受的。基于不同勘探资料解释得到的剖面图、地质图也存在同样的问题，且由于编制这些图的原始目的主要是进行成果的表现，制图人员多是从制图的角度考虑如何修饰、如何好看，并没有过多考虑图面上地质元素的拓扑、几何的严格和一致性，而这些都是进行三维地质建模所必需的。
鉴于上述原因，系统建设过程中需要结合三维地质建模对数据精度和一致性的要求，按一定的规则对原始钻孔、剖面、地质图进行概化处理，使得这些反映垂向地质结构的数据逐步变得有序化，为进一步自动或半自动生成三维地质模型奠定基础。
上述工作主要借助现成的GIS工具（如MAPGIS等）软件或其他工具软件完成结合专业人员知识经验完成。
‘伍’ 三维地形数据库建模的介绍
三维地形数据库建模，Creator Terrain Studio，简称CTS，是处理大地形数据的先进工具。它可以对地形进行栅格化处理，具有强大的工作流管理工具，尤其在处理大地形方面具有很强的能力。
‘陆’ 三维地形数据库建模的简介
Creator Terrain Studio是一个独特的3D场景，几何体，材质制作工具。它和Creator的地形建模模块(Terrain Pro)相比它的最大特点就是对各类GIS系统的格式支持较好(如SHP、MIF等格式)!而在Creator地形建模中对于文化特征数据其只支持DFD 、DFAD，对于高程数据只支持DED、USGM DEM等，因而在地形建模时获得原始数据有一定的困难。
‘柒’ MAPGIS三维地质建模软件的主要特点
通过示范区建模试验及对上述系统和应用案例分析，表明MAPGIS三维地质建模软件（系列）具有如下一些功能特点：
1.支持多种运行模式
支持基于Windows 2000/XP操作系统的单机、局域网、广域网运行环境，其中单机环境采用MAPGIS文件方式进行数据管理，局域网环境采用“大型数据库+客户端”运行模式（C/S模式），广域网环境采用“大型数据库+WebGIS+浏览器”运行模式（B/S模式）。
2.基础数据管理
（1）支持文件、大型数据库（Oracle）两种数据管理方式。
（2）二维GIS平台与三维地质建模平台在底层相结合。
（3）空间数据全部采用MAPGIS格式。
（4）支持海量地图数据、影像数据的管理。
（5）钻孔等属性数据管理：导入、导出、查询。
（6）图件等空间数据管理：导入、导出、查询。
（7）地质资料管理：导入、导出、查询。
（8）矢量数据转换。
（9）地质符号库。
（10）图形数据编辑。
3.图件生成与编辑
（1）钻孔柱状图生成与编辑制作。
（2）钻孔剖面图生成与编辑制作。
（3）地层等值图线生成与编辑制作。
4.三维建模
（1）统一的三维空间数据管理，支持文件、网络数据库方式三维数据管理。
（2）基于钻孔的半自动动态三维建模。
（3）基于平面地质图的交互式三维建模。
（4）基于剖面的交互式三维建模。
（5）三维地质结构模型修正：虚拟钻孔修正、地质剖面图修正。
（6）支持地质体数据建模，包括等值面追踪、体绘制等。
（7）大规模地形建模。
（8）矢量、影像、DTM数据的配准、叠加显示。
（9）工程实体三维建模：桩基、承台等。
5.三维模型显示
（1）三维图形渲染：如光照、颜色、纹理等放大、缩小、旋转、平移等。
（2）三维场景操作：放大、缩小、旋转、平移等。
（3）三维场景实时漫游：支持键盘漫游。
（4）地理底图、遥感影像与模型叠加显示。
（5）桩基等工程实体与地质模型叠加显示。
（6）三维场景输出：输出高分辨率场景影像、漫游动画（AVI、MPEG）。
6.三维地质分析
（1）钻孔、工程实体模型三维查询。
（2）三维环境下的桩基承载力计算。
（3）三维模型剖切：平面剖切、折面剖切。
（4）隧道模拟。
（5）三维交互定位属性查询。
7.三维模型Web发布
采用ActiveX控件技术实现了三维地质模型的Web显示、浏览、查询、切割等功能。
‘捌’ 矿区三维地质建模的技术流程
通过具体软件（包括Micromine与Surpac）对普朗矿区的三维地质建模示范研究，总结出矿区三维地质建模的技术流程主要包括资料收集整理、数据库建立、轮廓线生成、实体模型构建、块体模型构建、估算资源量与模型应用等方面（图3—4），在建模过程中质量控制贯穿始终。
（一）资料收集整理与地质数据库的建立
资料的收集整理非常重要，根据矿体建模的需求，至少需要收集如下资料：
（1）探矿工程相关的成果数据；
（2）矿区地形地质图；
图3—4 矿区三维地质建模流程
（3）勘探线剖面图；
（4）其他相关数据，如工业指标、体重、断层、矿相分界线等。
将这些数据进行整理，使之符合矿区三维地质建模的数据组织要求，在三维建模软件支持下建立地质数据库。根据探矿工程、采样数据等建立工程坐标表、测斜数据表、岩性数据表与化验数据表的工作量大，也容易出错，这4个表的数据正确与否，直接关系到地质模型的正确与否。因此，在整理生成这些表时，应双份录入与校对，以保证原始数据的正确性。
一旦地质数据库建立，就可以在三维空间中操作显示地质数据，包括钻孔的轨迹线、品位值、岩性及其代码、岩层走向等，总之，几乎所有的地质信息都可以以字符、图表、图案等方式显示。
（二）轮廓线生成
所谓轮廓线就是指在一个地质剖面图中，所圈定的地质现象的边界线，如岩石边界线、矿体边界线、储量级别界线等等。因地质体或矿体的复杂性与不确定性，为了建立实用的地质体或矿体的三维模型，需要采用交互式的建模方法。生成轮廓线有两种方法：一是根据原始探矿工程数据如钻孔数据，在三维建模软件支持下，按工业指标和矿石类型在钻孔剖面上交互式连矿体轮廓线，或根据岩石类型交互式连岩体轮廓线；二是在已有地质剖面图的情况下，通过建模软件进行转换，并提取岩石或矿体等的轮廓线。
交互式解译轮廓线流程简单，但工作量大，并且对于不同类型的地质现象要分别进行解译。若有断层，需要分别对断层的不同盘的地质现象分开进行解译。
对于矿区三维建模来说，应专注于圈定矿体。圈定矿体时，应遵循如下原则：
（1）应根据《中华人民共和国地质矿产行业标准》进行；
（2）对于双指标或多指标的矿体圈定，可设置任意多元素之间的条件组合，来确定是否为矿体；
（3）夹石剔除原则：根据回采工艺，确定夹石的剔除厚度；
（4）手工确定原则：软件只提供工具，至于矿体在钻孔之外的形态，是根据地质师对矿体的认识，人为圈定的。
总之，对于如何圈定矿体的问题，在更大程度上属于地质专业范畴，其处理方案应以满足地质工作的要求为原则，应用三维建模软件时也应以此为准。在具体操作时，考虑到软件功能的实际情况，建议尽可能采用单指标圈连矿体。
对于一个新矿区，可根据地质工程资料，交互式建立地质体或矿体的轮廓线。而实际上，目前有大量的地质剖面图。针对该情形，首先将纸质剖面图通过扫描矢量化而生成数字化形式的剖面图，然后通过文件转换方式转为DXF文件格式，最后在三维建模软件中导入，并进行转换即可。主要分为两大步骤，首先将二维形式的地质剖面图转换为具有真实三维坐标的地质剖面图；然后按照三维建模软件的要求，提取轮廓线。
将所有勘探线剖面图转换与提取完，即完成了轮廓线创建工作。该项工作非常重要，当然也很繁琐，工作量较大。为了保证转换与提取的正确性，需要将转换结果与勘探线、钻孔等信息在三维空间中显示，并与原图进行比较。
（三）实体模型构建
这里的实体模型确切地讲应为线框模型。线框建模（wireframe modeling）技术实质是把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形；然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界或开挖边界。许多系统则以TIN来填充线框表面。它的优点是可以精确描述矿体边界，没有边界误差，输出的图形是“线条图”，符合工程习惯；其缺点是无法有效地管理矿石质量信息。也就是说，线框模型解决矿体或地质体的形状问题。
鉴于地质体或矿体的复杂性与不确定性，根据地质规律、地质知识、已有轮廓线交互式建立地质体或矿体的实体模型（或称为线框模型）具有实用性。也就是说，在矿区三维地质建模中，采用根据轮廓线交互式的技术来建立矿体或地质体的三维模型。
（四）块体模型的构建
线框模型只能解决矿体或地质体的三维形状问题，而块体模型能处理矿岩质量信息。块体（block）建模技术的研究和应用始于20世纪60年代初，是一种传统的地质建模方法。60年代和70年代开发的一些地质体模拟系统采用这种建模技术。这类建模技术是把要建模的空间分割成3D立方网格，称为Block，每个块体在计算机中的存储地址与其在自然矿床中的位置相对应，每个块体被视为均质同性体，由克立格法、距离加权平均法或其他方法确定其品位或岩性参数值。该模型用于属性渐变的3D空间（如侵染状金属矿体）建模很有效，对于有边界约束的沉积地层、地质构造和开挖空间的建模则必须不断降低单元尺寸，从而引起数据急速膨胀。解决方式是只在边界区域进行局部的单元细化。
在建立块体模型时，会遇到组合样品长度的确定、特高品位的处理、矿块、次分块规格（长×宽×高）确定以及搜索椭球体各参数确定等方面的问题。下面根据建模经验以及软件公司的建议，提供处理问题的一般原则。
对于组合样品长度的确定来说，样品组合的目的是，按等间距的原则给样品加权插值，确保今后在给矿块插值时符合地质统计学的要求。样品组合长度的确定，应根据实际中大多数样品的取样间距来确定。如：在实际中，90%的样品的取样距离为1.5m，可以将1.5m作为样品组合长度。
对于特高品位的处理来说，首先对组合样进行基本数学统计分析，如方差、均值、频率分布、峰度等，分析品位分布规律；然后地质师根据统计分析结果，确定特高品位值：
（1）取平均品位的6～8倍。
（2）百分比原则：例如把累积频率为98%处的样品值作为特高品位值。
（3）数学模型法：如果发现品位分布符合某个数学模型（如正态分布），则拟合成该数学方程式，再用以上方法确定特高品位。
对于矿块、次分块规格（长×宽×高）确定来说，可根据勘探线的网度、矿体的大小、矿体边界的复杂度以及采矿设计的要求来确定。一般矿块大小取勘探线间距的1/5～1/10，或矿块大小可以设置为采矿时的一个矿块大小（如一个台阶）等。
对于搜索椭球体各参数确定来讲。不同软件其设置不尽相同。
对于Micromine软件来讲：
（1）半径一般设置为勘探线平均间距的1.25～1.5倍；
（2）方位角是矿体的走向，以正北为起点，顺时针为方向，在0～360度间；
（3）倾伏角是矿体沿走向上的倾斜角度，正值，在0～90度间；
（4）方位角因子一般设置为1，它乘以半径反映椭球体的长轴；
（5）倾角为矿体倾斜方向与水平面的夹角，值在-90～90度之间；
（6）倾角因子和厚度因子设置在0～1之间，它们乘以半径反映椭球体的短轴和倾向上的尺寸。
对于Surpac软件来讲（以下参数可自动计算）：
（1）长轴长度：变程长度，同时保证块体在该半径内能搜索到样品点；
（2）长轴方位：在该方向具有最好的变异函数连续性；
（3）次轴方位：垂直于长轴面内，在该方向具有最好的变异函数连续性；
（4）长轴/次轴：长轴方向变程/次轴方向变程；
（5）长轴/短轴：长轴方向变程/短轴方向变程。
（五）估算资源量
资源量估算时，首先地质师根据地质可靠程度和经济意义对储量进行分级，建立每个储量级别的实体模型，然后根据块体模型，按储量级别的实体模型进行约束或赋值即可获得各级别的资源量。在估算资源量时，应采用多种方法（如距离反比加权法、克里格法）进行计算，并对结果进行比较，以保证计算的可靠性。
（六）模型应用
模型建立后，可进行多种应用，如进行剖面分析、采矿设计、进度计划与生产管理等。