三维地质模型构建方法的研究及应用

地质体三维建模是地学信息系统的核心问题之一.对三维GIS及地学领域的空间构模方法的现状进行分析,结合地质体工程特点,提出一种三维地学空间构模方法--似三棱柱(STP)法.该方法以似三棱柱体作为三维地质体建模的基本体元,并采用5类基本元素和6组拓扑关系对似三棱柱体的数据结构进行描述.它能有效地表达各种三维地质现象,也可以更好地与传统的多层TIN模型结合,维护好空间实体的拓扑关系.基于本文的建模方法开发了一个适合地质领域的三维GIS初步原型,并用实际钻孔数据进行了验证.     

数学地球科学跨越发展的十年:大数据、人工智能算法正在改变地质学

近十年是科学研究从问题驱动向数据驱动转变的转折时期,科学研究的第四范武—数据密集型科学发现应势而生.这期间,大数据与人工智能算法的引入使数学地球科学实现跨越式发展,并正在改变地质学.机器学习是使计算机具有智能的根本途径.深度学习,即多层神经网络的方法,是一种实现机器学习的技术,是过去几年大数据与数学地球科学研究的最重要的热点.贝叶斯网络是贝叶斯公式和图论结合的产物,可用来建立矿床地质的成因网络,进而理解矿床成因.地质大图形问题可以转化为大型的复杂网络空间问题和社区结构问题,社区分析技术可用于地震预报、地质网络分析、特殊地质现象识别、矿床预测.关联规则和推荐系统算法在地质研究中已有成功的应用实例.化探数据及其异常经常包含复杂和非线性模式,深度学习在智能识别与提取复杂地质条件下地球化学异常具有优异的能力,卷积神经网络、堆叠自编码机等是较为常用和有效的方法.非线性矿产资源预测、基于GIS和三维地质建模的三维成矿预测及相应的软件系统得到持续改进.三维虚拟仿真建模技术的应用实现了多模态、跨尺度地学虚拟现实与多维交互,地质过程数值模拟等已有创新性进展.区块链技术以及OneGeology、玻璃地球、深时数字地球等大地质科学计划,将在整合全球地质大数据、共享全球地学知识、推动数学地球科学学科发展方面起到重大的推动作用.     

地学模拟相关技术的研究与进展

地学模拟技术的一个发展方向是与地学过程分析密切结合,另一个发展方向是与数据可视化技术相结合。前者试图通过使用各种数学方法模拟地学随机现象,并对这些不良结构化或半结构化的地学问题进行定量化描述;后者运用计算机的三维可视化功能,在三维环境下将空间信息管理、地学解译、空间分析、地学统计与预测、三维图形可视化等技术相结合,实现计算可视化、分析可视化、过程可视化、结果可视化和决策可视化,并用于地学分析。回顾了地学中计算机三维地学建模技术、地质统计学和地学非线性现象模拟方法,并对该领域的发展进行了展望,认为加强地学模拟的理论体系、方法体系、技术体系的研究和实践既有着重要的理论意义,又有着重要的现实意义。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

面向地质大数据的结构-属性一体化三维地质建模技术现状与展望

开展三维地质建模的目标,不应当只是实现地质体框架的可视化表达,而应当同时实现地质大数据的聚合、管理、挖掘、分析和共享。然而,传统的方法和技术难以实现顾及地质语义的结构-属性一体化三维地质建模与耦合表达。多点地质统计学方法虽然便于多源数据、地质先验知识、结构-属性的融合建模,却仍然受到数据结构表达能力不足、三维训练图像难以获取和非平稳现象的限制。面向地质大数据集成与管理的要求,详细讨论了三维地质建模中的空间数据模型、基于多点地质统计学的结构-属性一体化集成建模方法、以及基于三维地质模型的地质大数据集成与管理的框架与模式。发展新型的面向地质结构-属性耦合表达的统一空间数据模型,以及知识驱动与数据驱动协同的三维地质结构-属性一体化集成建模技术体系,着力构建出地质大数据的聚合、集成、管理、挖掘和分析的可视化环境与操作平台,是未来三维地质建模领域的研究热点和前沿方向。     

三维地质建模及可视化系统的设计与开发

三维地学模拟是三维地质信息GIS可视化的核心内容。基于基础GIS软件平台MAPGIS,利用功能强大的三维可视化开发平台MAPGIS-TDE,设计、开发具有自主版权的三维地质建模及可视化系统。MAPGIS-TDE包括MAPGIS内核模块、MAPGIS-TDE基础平台、MAPGIS-TDE构建平台和基于MAPGIS-TDE的应用系统等4个层次。基于MAPGIS-TDE的三维地质建模及可视化系统分为地质数据管理、二维地质分析、地质断面处理、地质结构建模和地质属性建模等5大功能模块。系统实现时,将空间数据库划分为基础地理图形库、区域地质数据库、工程地质数据库、水文地质数据库、地球物理数据库、地球化学数据库等6类。该系统不仅提供了强大的地质数据管理、三维地质建模以及模型的可视化功能,还为专业技术人员提供了一个可视化的分析、设计平台。     

基于真三维GIS的地质构造模型与空间分析

带有断层的地质体建模难于层状地层,是当前研究的难点,模型完成后的三维空间分析功能目前也处于研究阶段,是当前研究的热点.以某石膏矿为例,介绍了利用存在地层倒转、地层缺失等复杂钻孔数据进行三维建模的流程以及模型建立后的三维空间分析方法和地学应用,尝试了三维GIS空间-属性查询、空间裁剪、纵剖面横切面的自动生成方法和实例研究.结果表明,地质体和构造的特征的三维建模和空间分析有利于地质演化的理解和开采设计的优化.     

CAD软件在工程地质三维建模中的应用

如何快速、准确地建立地质体的三维模型一直是众多岩土工程数值模拟工作者所面临的难题。虽然三维地学模拟软件具有很好的三维地质建模能力,但是由于数据结构的差异,采用他们现行三维地学模拟软件建立的地质模型难以导入数值模拟分析软件中,以为相应工程问题的数值模拟服务。目前,随着各种CAD、CAM软件行业的的飞速发展,涌现出了许多优秀的三维建模软件,而且这些软件大都与现行数值分析软件有着良好的数据接口功能。据此,本文提出了采用现行CAD软件来建立工程地质体的三维模型,使得建立的模型达到既可视又可算的目的。将其应用于云南某高速公路边坡的三维建模中,证明了该法具有方便、快捷和合理等优点。     

地质大数据可视化关键技术探讨

详述了地质大数据可视化的研究内容,从应用角度可将其分为:表达三维可视化、分析三维可视化、过程三维可视化、设计三维可视化和决策三维可视化5类。针对地质大数据这5类可视化中涉及到的几方面关键技术进行了深入探讨,包括:地质体三维可视化动态精细建模技术;基于CUDA+GPU集群的地质体属性场数据并行可视化技术;针对地质大数据的可视化分析技术;基于地质大数据的虚拟现实和增强现实技术等。对这几方面关键技术的现状、技术路线以及实现效果进行了论述和展示。     

东胜煤田北部地段3D煤层模型的动态构建及不确定性评估

以内蒙古东胜煤田北部艾来五库沟-台吉召地段勘查区为例,针对三维地质建模方法在多源多类地质数据应用、动态建模及建模结果不确定性评估等方面存在的不足进行研究,并实现了煤层三维建模.煤层三维建模要领是:先按照数据的内在逻辑关系和几何结构两个层次进行数据融合处理,将钻孔、剖面及断层等数据转化为形式简单、结构一致的离散化样品数据;再以这些数据和各类边界线为基础,通过距离幂次反比(inverse distance weighting,IDW)法插值得到煤层顶底板高程,并结合这些属性值和TIN(triangulated irregular network)剖分技术动态生成煤层结构模型;然后利用一个与煤层顶底板高程估值结果相对应的算子——插值方差,完成对煤层模型的局部不确定性评估.详细讨论了煤层三维建模的整体流程并基于三维地学信息系统平台QuantyView加以实现.实际应用结果表明,所提方法具有显著的实际应用价值.      

基于四叉树算法优化检索效率的三维建模技术

三维地质建模是研究如何利用GIS软件将三维空间地质实体真实地再现,实现地质体的三维可视化和相关空间分析,为地质研究和矿产资源勘查提供技术支撑。本文在综合前人研究成果的基础上,对目前常用的基于MapGIS的三维地质建模方法进行了总结,并提出了一种利用四叉树算法优化检索效率的三维建模技术,对于解决城市地质、工程地质、环境地质、三维地质填图中的三维建模问题具有重要意义。     

三维地质建模及可视化在固体矿产储量估算中的应用

20世纪90年代以来,随着计算机硬件性能的提高及计算机图形学技术、三维GIS技术和数据库技术的迅猛发展和日渐成熟,在地学领域,以平面图和剖面图为主的传统的地质信息的模拟与表达以及相应的固体矿产储量估算技术已难以满足现代矿山信息化趋势的急切需求,如何提高矿产储量估算和管理的智能化和自动化水平,提高工作效率,具有重要意义.将三维地质建模及可视化技术与固体矿产储量估算相结合,形成先进实用的储量估算系统是目前国内地学信息研究的重要方向之一.本文探讨了基于离散钻孔,应用三维地质建模与可视化技术进行固体矿产资源估算的技术方法和过程.     

基于GOCAD的离散点云数据三维可视化研究

运用空间插值算法与地质体建模相结合进行地学三维可视化和分析的思路与方法并,并基于GOCAD软件详细阐明其具体实现方式并通过AMT离散点云数据实例验证了其可行性和便利性。     

基于GOCAD的离散点云数据三维可视化研究

运用空间插值算法与地质体建模相结合进行地学三维可视化和分析的思路与方法并,并基于GOCAD软件详细阐明其具体实现方式并通过AMT离散点云数据实例验证了其可行性和便利性。     

三维成矿预测多源地学空间数据库建设——以宁芜盆地钟姑矿田为例

大数据是海量、高增长率和多样化的信息资产,是未来找矿靶区预测的不可或缺的技术。大数据-三维成矿预测研究面临机遇与挑战,其涉及的地学大数据除了数据来源众多、比例尺不同、数据量大、非结构化管理、时效性强、空间数据与非空间数据协同管理等复杂特点外,还必须具有适应进行三维建模及空间分析的数据结构。本文分析了地学空间大数据的特点,对多源地学综合信息的管理需求进行研究,参考国家及行业标准,建立了可满足三维成矿预测需求的多源地学空间数据库模型,并依据实际划分为勘查控制钻孔地质数据库、空间属性数据库和地球物理数据库,各数据库可在多源地学空间索引库的支持下协同工作。本文以大数据应用的典型实例--钟姑矿田作为研究对象,系统收集了矿田内勘查成果资料,建立了钟姑矿田多源地学空间数据库,并在此基础上进行了控矿要素的有效提取,可进一步支持三维成矿预测。研究结果表明,本文提出的多源地学空间数据库可有效管理地学空间大数据,是大数据-三维成矿预测的重要解决方案,是进行三维成矿预测的重要数据支持。     

地学信息三维定量化提取与集成——以河南栾川钼矿区为例

三维地质建模与找矿靶区优选是当前国际地学研究的热点和难点。利用三维可视化技术和数学建模方法,通过自主研发GeoCube三维矿产资源预测与评价软件,实现了栾川钼矿区三维地学信息定量化提取与集成。在此基础上,开展多种数学建模方法集成对比及其网格单元划分的不确定性分析,认为证据权法具有稳健的三维空间集成分析特征,其三维环境中的预测远景靶区为该区深部找矿定位、定量研究提供了科学依据。研究成果为中国老矿山深部成矿定量预测技术方法研究提供借鉴。     

三维地质建模在土耳其天然碱对接井设计中的应用

三维地质建模是从三维的角度对矿产进行描述和研究,与传统方法相比,具有时间短且数据精确的优越性,对工程决策和科学管理具有重要的意义,目前已经成为矿产开发与地质研究的重要手段之一。将三维地质建模方法应用于土耳其贝帕扎里天然碱矿对接井四期工程设计中,取得了很好的效果。结合工程应用,介绍了三维地质建模应用于对接井设计的方法。     

基于三维地质建模及可视化的大比例尺深部找矿预测研究及应用:以内蒙古柳坝沟矿区为例

随着三维地质信息技术的发展完善,三维预测是大比例尺深部找矿预测的重要途径和发展趋势。文中以内蒙古柳坝沟矿区313号脉为例,探讨了基于三维地质建模及可视化进行大比例尺三维深部综合找矿预测的技术流程和方法,通过对矿区地层、构造、岩脉、矿体和蚀变带的三维地质建模及可视化成矿地质条件分析,结合原生晕三维异常分析,建立了矿区钾硅化蚀变岩型金矿的综合找矿模型;通过三维块体建模及三维成矿预测因子的量化运算,采用要素叠加法完成了矿区3个预测靶区的圈定与评价。结果表明：柳坝沟313号脉中东部深部仍有较大的找矿潜力;基于三维地质建模及可视化的大比例尺找矿预测方法科学有效。     

复杂地质体三维实体建模方法

依托常规GIS技术的建模手段不能满足复杂地质体三维实体建模的需求,其建模效果在真三维建模、实体模型应用等方面受限。本文根据复杂地质体的特征,将复杂地质体分为层状的连续型非倒转地质体、非连续型(断裂)地质体、倒转褶皱地质体和非层状地质体。从三维实体建模的角度,提出数据拆分、数据控制、数据简化三种建模数据处理方法,并借助三维GIS的可视化技术与GOCAD真三维建模能力,研究基于GOCAD软件的复杂地质体三维实体建模方法,详细阐述了四类复杂地质体的具体实现方法,并构建三维实体模型。