三維地質(zhì)建模與GIS的結(jié)合研究

李芳玉

(中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

三維地質(zhì)建模與GIS的結(jié)合研究

李芳玉

(中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

三維地質(zhì)建模與GIS應(yīng)用目的不同,由此決定了它們研究重點(diǎn)不同,這二者的相互結(jié)合能促進(jìn)雙方的共同發(fā)展,但目前對(duì)此還缺乏較系統(tǒng)的研究。這里在對(duì)三維地質(zhì)建模和G IS功能進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上,指出了二者相結(jié)合的意義,提出了二者相結(jié)合的途徑并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn),最后對(duì)二者相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

三維GIS;三維地質(zhì)建模;結(jié)合

0 前言

GIS(Geographic Info rm ation System)是1963年由加拿大測(cè)量學(xué)家R.Tom lison首先提出來(lái)的,它是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用來(lái)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(wèn)題。經(jīng)過(guò)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 D im ension Geo logicalM odeling)這一概念最早由加拿大的學(xué)者SimonW.Houd ling于1993年提出,它是一項(xiàng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(cè)、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(lái),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(lái)的,由地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測(cè)量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像和科學(xué)計(jì)算可視化等學(xué)科交叉而形成的一門(mén)新興學(xué)科[1],由此可見(jiàn),G IS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(kāi)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(gè)特定領(lǐng)域中的應(yīng)用[2],反過(guò)來(lái),三維地質(zhì)建模的發(fā)展可以促進(jìn)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(diǎn)不同。如何將二者進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合并促進(jìn)相互地發(fā)展,是一個(gè)重要的研究問(wèn)題,目前對(duì)此還缺乏全面系統(tǒng)的研究。本文在對(duì)三維地質(zhì)建模和三維G IS的功能進(jìn)行比較研究的基礎(chǔ)上,對(duì)它們之間功能相互融合的意義進(jìn)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(diǎn),最后對(duì)三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 三維地質(zhì)建模與三維G IS分析比較

1.1 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。

(1)構(gòu)造建模主要是指建立地質(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(diǎn)數(shù)據(jù)生成三維的面或由點(diǎn)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(duì)簡(jiǎn)單的地質(zhì)體模型一般的建模軟件能較好的實(shí)現(xiàn),而對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的建模方法還有待進(jìn)一步的研究[3～5]。

(2)屬性建模是指建立儲(chǔ)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(shí)際上是根據(jù)井點(diǎn)已知的屬性數(shù)據(jù),進(jìn)行插值預(yù)測(cè)井間的屬性分布。

具體的建模方法總的可分為確定性建模方法和隨機(jī)建模方法,由于儲(chǔ)層屬性參數(shù)存在著不確定性,所以通常采用隨機(jī)建模和確定性建模相結(jié)合的方法[6]。

1.2 三維GIS特點(diǎn)分析

三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域主要有城市、礦山、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(shí)體不同。這些地理實(shí)體有地面的,也有地下的,它們的特點(diǎn)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(diǎn)[7]。正因?yàn)槿绱?三維GIS目前并無(wú)通用的商用平臺(tái)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G IS的研究?jī)?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(kù)、三維可視化等。

1.3 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(shí)現(xiàn)的功能側(cè)重點(diǎn)不同。在表1中對(duì)它們的功能進(jìn)行了比較分析。從對(duì)比中可以看出,3DG IS的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)體現(xiàn)在三維建模能力之上,這是由它們的實(shí)現(xiàn)技術(shù)所決定的。由于3D GIS是基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的,所以它具有較強(qiáng)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(jī)建模的技術(shù),所以它具有很強(qiáng)的三維建模功能。

表1 3D GIS與3D GM功能比較Tab.1 3D GIS and 3D GM function comparison

2 三維地質(zhì)建模與GIS的結(jié)合

2.1 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(diǎn),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(wú)通用平臺(tái)出現(xiàn),并且也不適合開(kāi)發(fā)通用平臺(tái)。若能將GIS與三維地質(zhì)建模有效地結(jié)合起來(lái),充分利用各自的優(yōu)點(diǎn),必將促進(jìn)三維G IS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G IS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(gè)方面:

(1)方便地建立三維地質(zhì)構(gòu)造模型。隨著G IS應(yīng)用越來(lái)越深入,礦石、石油、地質(zhì)的很多相關(guān)部門(mén)都采用GIS來(lái)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(gè)重要的原因是目前還沒(méi)有建立一個(gè)統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)模型。三維數(shù)據(jù)模型一直是G IS的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[8、9],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(guò)這種三維模型一般沒(méi)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(wú)疑會(huì)對(duì)三維GIS軟件的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

(2)建立三維屬性模型。三維數(shù)據(jù)模型以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué),是建立在三維屬性模型的基礎(chǔ)上,目前有些G IS軟件已經(jīng)融入了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)功能,如A rcG IS9.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(gè)方面:

(1)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?dāng)?shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、測(cè)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(chǔ),數(shù)據(jù)之間缺乏緊密的聯(lián)系,并且無(wú)法有效地進(jìn)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(kù)的形式進(jìn)行集成化管理,從而便于數(shù)據(jù)的維護(hù)、更新和查詢。在三維地質(zhì)建模中引入空間數(shù)據(jù)庫(kù),無(wú)疑會(huì)大大提高對(duì)原始數(shù)據(jù)的管理能力。

(2)三維空間查詢。在目前的三維地質(zhì)建模軟件中,能通過(guò)簡(jiǎn)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(guò)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(guò)這樣的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(guò)某條斷層,哪些井鉆穿了某個(gè)地層,距離某條斷層500m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(wú)疑會(huì)提高工作效率和空間分析的功能[10～12]。

(3)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(shí)必須借助其它的輔助信息來(lái)確定變程和方向,G IS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(jì)方法直接利用的信息,通過(guò)這些輔助信息指導(dǎo)模型的建立[13]。

2.2 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)松散結(jié)合就是將G IS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,G IS軟件與建模軟件之間通過(guò)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[3、4]用這種方式進(jìn)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(diǎn),是可以根據(jù)需要對(duì)GIS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或直接利用GIS軟件已有的功能。缺點(diǎn)是無(wú)法進(jìn)行真三維的空間查詢,因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有真三維的通用GIS平臺(tái)出現(xiàn),這里的GIS軟件仍然是二維的。

(2)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(gè)用戶界面,緊密結(jié)合的方式有二種:①一種是對(duì)三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),在三維地質(zhì)建模軟件中融入GIS特有的功能。國(guó)外有學(xué)者[11、12]研究在GOCAD軟件之上建立三維空間查詢系統(tǒng),并應(yīng)用到固體礦產(chǎn)的勘探中。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能充分利用三維地質(zhì)建模軟件本身所具有的強(qiáng)大建模功能,缺點(diǎn)是目前這些三維地質(zhì)建模軟件二次開(kāi)發(fā)功能有限,主要是利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或應(yīng)用程序接口的方式,以插件的形式對(duì)原三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行擴(kuò)展;②另一種方式是對(duì)GIS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),使之實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模功能[14],這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用GIS軟件強(qiáng)大的基于組件的二次開(kāi)發(fā)功能,缺點(diǎn)是目前的GIS軟件一般僅僅具有強(qiáng)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(kāi)發(fā)工作量很大,并且功能實(shí)現(xiàn)也有限。

(3)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:①三維數(shù)據(jù)的采集;②三維數(shù)據(jù)的編輯;③三維地質(zhì)建模;④三維空間查詢等。這種方式需要完全從底層進(jìn)行開(kāi)發(fā),需要花費(fèi)較大的人力和物力,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),并且目前還有很多技術(shù)難點(diǎn)沒(méi)有解決。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)以上對(duì)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的優(yōu)點(diǎn)。但隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,完全融合是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1]HOULD ING SW.3D GeoscienceModeling:Computer Techniques forGeo logicalCharacterization[M].Berlin:Sp ringer-Verlag,1994.

[2]APELM.From 3d geomodelling system s towards3d geoscience inform ation system s:datamodel,query functionality and data m anagem ent[J].Computers&Geosciences,2006,32(2):222.

[3]KAUFMANN O,MARTIN T.3D geologicalmodelling from boreho les,cross-sections and geo logicalm aps,app lication over fo rm er natu ral gas sto rages in coalm ines[J].Computers&Geosciences,2008,34(3):278.

[4]ZANCH IA.3D reconstruction of comp lex geo logical bodies Examp les from the A lps[J].Computers&Geosciences,2009,35(1):49.

[5]張敏,李自紅,劉鴻福,等.基于A rcGIS的太原斷陷盆地第四系三維地質(zhì)建模[J].震災(zāi)防御技術(shù),2007,2(3):243.

[6]吳勝和.儲(chǔ)層表征與建模[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[7]潘懋,方裕,屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問(wèn)題探討[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(3):1.

[8]吳立新,史文中.論三維地學(xué)空間構(gòu)模[J].地理與地理信息科學(xué),2005,21(1):1.

[9]GONG J Y,CHENG P G,WANG Y D.Three-dim ensionalmodeling and app lication in geo logical exp lo ration engineering[J].Computers&Geosciences,2004,30(4):391.

[10]WU L X.Topo logical relations em bodied in a generalized tri-p rism(GTP)model for 3D geosciencesmodeling system[J].Computers&Geosciences,2004,30(4):405.

[11]SPARAGUE K.Spatial targeting using queries in a 3-D GIS environm entw ith app lication tom ineral exp loration[J].Compu ters&Geosciences,2006,32(3):396.

[12]POUL IOTA J,BEDARD K.Reasoning about geo logical space:Coup ling 3D GeoM odels and topo logical queries asan aid to spatialdata selection[J].Computers&Geosciences,2008,34(5):529.

[13]李少華.儲(chǔ)層隨機(jī)建模方法的若干改進(jìn)及應(yīng)用[D].北京:中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,2003.

[14]MCCARTHY JD,GRAN IERO P A.A G IS-based bo rehole datam anagem en t and 3D visualization system[J].Computers&Geosciences,2006,(32):1699.

P 208;TP 391

A

1001—1749(2011)01—0097—04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40672095)

2010-08-09 改回日期:2010-11-05

李芳玉(1973-),女,博士,講師,研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)與三維地質(zhì)建模。