三维地质建模技术发展现状及建模实例_张洋洋

第32卷第3期2013年9月

东华理工大学学报

JOUＲNAL

OF

EAST

CHINA

（社会科学版）

OF

TECHNOLOGY

INSTITUTE

Vol. 32No. 3

Sep．2013

三维地质建模技术发展现状及建模实例

张洋洋，周万蓬，吴志春，郭福生，郑翔

（东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013）

摘要：对三维地质建模概念的提出，三维地质建模数据模型、结构、方法及软件开发等方面的进展情况进

工程地质、油田基础地质研究三个方面的应用实例，既行了总结；并介绍了三维地质建模技术在矿山开采、

介绍了三维地质建模在实际地质工作中的一般建模流程和适用范围，也展示了三维地质建模在数据可视化、三维动态显示、数据统计和空间变化上的优越性；同时指出了三维地质建模技术面临的困难和有待突破的瓶颈，以及建模技术未来发展的大体方向。

关键词：三维地质建模；技术进展；建模软件；建模实例；地质模型中图分类号：P627

文献标识码：A

3512（2013）03-0403-07文章编号：1674-

J ］．东华理工大学学报：社会科学版，张洋洋，周万蓬，吴志春，等．三维地质建模技术发展现状及建模实例［2013，32（3）：403-409．

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当今世界面临资源与环境的双重压力，因此越

来越多的国家开始关注地球空间信息的研究。地球空间信息科学这门学科正是在这样的背景下兴

它以全球定位系统（GPS ）、地理起并发展起来的，

信息系统（GIS ）和遥感（ＲS）等空间信息技术为主，

以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑，是实现“数字地球”的有效技术途径

［1］

学的发展紧密相联，而地质统计学的发展得益于20

60年代D．G．Krige 和G．Matheron 对克里世纪50、

金技术和地质统计学的开创性研究。三维地质建

模的概念最早是由加拿大Simon W．Houlding 于1993年提出的［2］，但对三维建模理论的研究由来1984年Haldorson 提出了油田尺度下用于油已久，

［3］

藏动态模拟的随机模拟储层建模方法；1987年Calson E．提出了与地下空间结构相关的三维概念模型；1991年A．B．Ekoule 解决了非凸轮廓线的三

［4］

维物体重构问题。但最具代表的是Mallet 于1989年和1992年先后发表的两篇关于“离散光滑

［5，6］

插值”建模方法的文章，这标志着三维构造建模Carl 技术中的地质曲面技术获得了突破。随后，Youngman ，Molenaar Marien ，Fritsch D ，AaperJ．F ，Molenaar M ，TurnerA．K ，Thomas Ｒ．Fihsher ，Ｒongx-ingli 等人又进行了大量的研究，主要包括空间数据的模型与结构、数据的三维可视化、三维矢量化地

［7－9］

，图的数据结构等方面为三维地质建模理论的发展做出了贡献。

1．2三维地质建模国内研究现状

国内对三维地质建模研究始于上世纪80年代末，标志是对EarthVision 软件的引入。随后，国内

。

三维地质建模技术是地球空间信息科学的重

要组成部分，它是地质理论与计算机三维可视化技术有机结合的产物，是在三维的环境下运用地质统计学、空间信息管理技术、空间分析和预测技术进行地质体的三维空间构造，并对其进行地质解释。最近几年，三维地质建模技术正日趋成熟，取得了一些有意义的成果。

1

1．1

三维地质建模国内外研究现状

三维地质建模国外研究现状

三维地质建模理论的提出和发展与地质统计

06-10收稿日期：2013-责任编辑：张发祥

基金项目：中国地质调查局工作项目（[1**********]48）。

作者简介：张洋洋（1988—），男，河北深泽人，硕士研究生，主要从事三维

地质建模研究。

的许多学者分别在不同的领域对三维地质建模技术的理论和方法、三维地质建模软件开发等方面进行了大量的探索，为描述三维地下空间提出了许多针对性的建模方法。

三维地质建模技术在不同领域因研究角度的不同，其侧重也是有差异的，因此建模的方法也多（1）在边坡工程方面：张菊明、种多样。例如，陈昌彦开发了“边坡工程地质信息的三维可视化系

［10］统”，薛飞研究了基坑支护系统的控制及其三维

［11］

可视化；（2）在水利方面：柴贺军、黄地龙、黄润

Octree-TEN 混合模型、合模型、矢栅集成面向对象

TEN 混合模模型、多个矢栅集成模型和TIN-型

［18，19］

。

以上模型分类较好地反映了三维地质建模数

据模型的研究进展，在此基础上，国内外许多学者继续对三维空间数据模型和数据结构进行研究，又取得了许多新的研究成果：李青元、常燕卿、曹代勇等人研究了由五组拓扑关系结构组成的3D 矢量模［20］

型；陈军、郭薇、孙敏等人综合三维GIS 矢量数据结构和基于表面剖分的3DCM 空间数据模型提

［21，22］

；郭达志、出了单纯性拓扑空间的数据模型陈云浩、韩国建等人以矿山开采为研究对象，基于八［23，24］

；龚建叉树理论开发了矿山信息存储结构模型

雅研究了矢量与栅格集成的三维地质模型；李

CSG 混合数据模型［26］；清泉和李德仁研究了TIN-孙敏、唐小明、赵仁亮等人研究了面向对象的三维

［27］

矢量GIS 数据模型及拓扑关系；侯恩科和吴立

［28］

新研究了面向地质建模的三维拓扑数据模型；程朋根、龚健雅、刘少华等人研究了矢量与栅格集

［25］

秋等学者开发了一套关于岩体结构的三维可视化

［12，13］

，系统天津大学的老师则基于OpenGL 和Open NUＲBS技术开发了“水利水电工程地质三维建模

［14］

与分析系统”；（3）在城市建设方面：朱合华教授

开发了可适用于城市地下空间的三维地质体模拟与可视化操作系统；（4）在工程地质方面：曹代勇、朱小弟等学者基于OpenGL 的切片合成法，开发了

［15，16］

。适用于煤田的三维地质模型可视化分析系统除了上述领域外，国内许多学者还在防灾减灾、矿山开采和油田开发与维护等领域也进行了广泛的

研究。

成的数据结构

；李德仁研究了三维GIS 混合数

［26，30］

；据结构和三维空间数据模型集成的概念框架

［29］

2

2．1

三维地质建模技术发展现状

三维地质建模数据模型、结构方面的研究现状

张海荣提出基于钻孔和TIN 算法实施地质建模的

方法；Pilout M 和Cheng Xiaoyong 对四面体格网进行了研究

［31，32］

；MoleNaar 定义了由三维形式化矢量

空间数据模型是根据一定方案建立数据的逻

来描述空间数据的概念集合，包括对辑组织方式，

大量空间实体和空间关系的归纳。数据结构是数

［17］

据模型的具体化，在系统实现上占有重要地位。在三维空间数据模型和数据结构方面许多学者进行了大量的研究工作，目前有三种主要的数据模型研究成果，可归纳为（1）基于面模型：不规则三角网（TIN ）模型、Ｒep）模格网（Grid ）模型、边界表示（B-型、线框模型（Wire Frame ）；（2）基于体模型：①规则体元：结构实体几何（CSG ）的模型、体素（Voxel ）模型、八叉树（Octree ）模型、针体（Needle ）模型和块段模型（ＲegularBlock ）。②非规则体元：四面体格网（TEN ）模型、金字塔（Pyramid ）模型、三棱柱（TP ）模型、地质细胞（Geocellular ）模型、非规则块体（Ir-regular Block ）模型、3D Voronoi 实体（Solid ）模型、模型、广义三棱柱（GTP ）模型和面向对象体元拓扑

CSG 混合模型、模型；（3）混合与集成模型：TIN-TIN-Octree 混合与集成模型、Wire-Frame Bolck 混

［33］

数据结构；Zlatannova 提出简化的空间数据模型；Simon 研究了地质建模中的规则三维格网和体

的数据结构。

2．2三维地质建模方法研究现状

目前已有的三维地质建模方法很多，按照建模

主要可以分为基于钻孔数据所使用的数据源来分，

建模、基于剖面数据建模、基于三维地震资料建模、

基于多源数据建模等。

（1）钻孔数据建模是由Lemonand Jones 提出的基于现有的钻孔数据直接构建三维地质模型的一

［34］

种方法。

（2）剖面数据建模是指基于原始地质勘探资料，通过建立分类数据库，人工交互生成大量的二维地质剖面，然后应用曲面构造法（边界表示法）生成各层位面进而表达三维地质模型，或者利用空间

［35］拓扑分析法直接进行地质体建模型。

（3）三维地震资料建模是指综合利用地震、测

井、地质等多种条件数据，以多种物探技术为支撑，采用井震结合及相控建模的方法建立地质体模

型

［36］

。

（4）多源数据融合建模法是融合原始地质勘探数据和二维解释剖面等多种来源的地质数据进行

［37］

三维建模的一种方法。2．3

三维地质建模软件开发现状

在三维地质建模软件的开发方面，法国Nancy 大学的J．L Mallet 教授开发了Gocad 软件，该款软件适用于油藏和地质矿体建模，能够处理复杂的断

三维可视化功能强大，其在世界范围的层和构造，

应用十分广泛。随后，许多著名地质采矿软件公司

从矿床模拟、空间数据库的建立、三角网生成、开采评估、设计规划、地质体边界的圈定和连接、三角网面模型构建、储量计算、生产管理等诸多方面相继开发了应用于地下三维可视化方面的软件，例如：加拿大Kirkham GeoSystems 公司的MicroLYNX +和Lynx 公司的Lynx ；美国C-Tech 开发公司的EVS 和

Esri 公司的ArcGIS ；澳大利亚Maptek 公司的Vul-can 和Microlynx ；英国的DataMine ＆Guiole 和Fast-GDM 和Tracker ；法国地质调查局的Multilayer-Schlumberger 公司的Petrel ；德国萨克森州地质调查Pitopt 、Micromine 、局的GSI3D 。除此还有如Minex-Survcad 、Minescape 、CＲYStAL、Geostart 、GtPSS /H、Geocomp 、Suiypac2000、Surpac ，whitle3D 等地质采矿都对三维地质建模的发展做出了巨大的贡软件，

献。

国内三维地质建模的研究主要是停留在对国

取得了一际三维地质软件的应用和二次开发上面，

北定的研究成果。例如：中国地质大学的GeoView 、

京大学的GSIS 、武汉中地数码公司的MAPGIS K9、北京东方泰坦科技有限公司研制的TitanT3M 三维

煤炭科技研究总院西安分院开发的矿井建模软件、

三维模拟软件等。但由于起步较晚，产品结构框架

还不太完整，在海量数据处理能力、三维建模、三维分析、跨平台通信、二次开发支持等方面，相比国外软件有一定的差距。

现将主要建模软件及其适用领域做一下简单概括和对比，见表1。

模、油藏建模、地震解释；ＲMS则偏向于数值建模；

而Gocad 在地震解释与反演、速度建模、井迹优化设计等方面则更加强大

［38］

。因此，我们应根据工

作的具体要求和解决实际地质问题的需要灵活选择建模软件。

表1

软件名称Surpac Micromine

主要三维地质建模软件及其应用领域

应用领域

勘探和地质建模、地表和地下采矿设计、尾矿和复垦设计、生产计划以及钻孔编录。勘探和地质建模、资源评估、储量计算、露天矿和地下采矿设计。

三维地质建模、品位估值和储量计算、地下及露天开采设计、生产控制，同时还增加了虚拟

进度计划编制、结构分析、厂址选现实仿真、

择，以及环保领域等延伸应用。地质工程、地球物理勘探、矿业开发、石油工程、水利工程中有广泛应用。适用于矿业企业的地质、测量、采矿专业的技

全面实现从矿床三维术人员及技术管理人员，

地质建模、储量计算与动态管理、测量验收及数据的快速成图。

支持实时、快速、动态地检测、获取、管理和处理各种建筑、水利、水电、道路、隧道、矿山、机场、港口、地下铁路、海底隧道、地下洞室、矿山开发等项工程的地质勘察和设计施工信息，有广泛的用途；可为矿产开发和环境保护等领域的地基评估、工程选址、地质勘探、灾害防治、计划管理和城规决策服务。地质环境监测、地质矿产勘探等应用。

Datamine

Gocad

DIMINE

GeoView

ArcGIS

3．1

矿山开采中的应用

近年来，矿山数字化建模发展迅速，国内外广

泛应用矿业软件建立矿床三维模型，实现矿山生产的动态管理和资源的合理利用。目前成熟的矿业Dimine 、Mine-类三维软件平台较多，如Surpace 、

sight 、Micromine 、Creatar 、Gocad 、Datamine 、3Dmine 等，为矿山设计的三维可视化奠定了基础。3．1．1矿体三维建模步骤

地下采矿工程结构复杂，用规则的几何形体进行描述是非常困难的，通常需要采用多种建模方法来完成。本文将通过SolidWorks 和3DMine 两种矿山建模软件简单介绍矿山矿体建模的一般流程。

（1）SolidWorks ：采用线框构建三维数字模型的方法。这种方法可以迅速地创建自然体的几何模型，可以较精确地描述地下复杂矿体的形态。同时在SolidWorks 平台上，利用其输入功能将矿体剖面图输入，可以初步形成矿体的三维实体模型，然后

［39］再进行局部的修改，使其更贴近矿体实际。具体的操作步骤是：资料收集和输入→形成矿体剖面

3三维地质建模实例

在实际地质工作中，面临的地质问题是极其复杂多样的，而现在开发应用的建模软件往往偏向于地质研究的某一或某几个方面，并不能解决所有的地质问题，例如Petrel 的主要的功能偏向于构造建

图→矿体三维模型→修改矿体模型。

（2）3DMine ：矿体建模的原理是由一系列相邻的三角面包裹成内外不透气的实体从而建立矿体模型。而实体是由一系列线上的点，连成内外不透气的三角网。其建模的流程为：①首先将各水平的矿体剖面线加载到3DMine 中；②在若干剖面线条之间连接三角网，选择两个需要连接三角网的闭合

可依次连接多个段，只需要连续点击多个段即线，

可，按Esc 键结束三角网连接，就形成了完整的矿体模型；③对连好的矿体进行编辑；④系统自动模拟矿体最大最小坐标，形成充填单元块的矿体；⑤对充填单元块的矿体赋予属性（包括三维坐标、矿

［40］

。石类型、品位等）

3．2工程地质中的应用

图1地质体三维地形面

查分析，建立各个地层分界面的离散数据点分布图。利用这些离散数据点，按照Gocad 支持的格式，在Gocad 中利用曲面生成命令生成相应的三维地层分界面。3．2．2

三维地质建模

地质体通常被多组构造面（地层分界面、断层面、节理面等）划分成不同的地质单元体。在Gocad 软件中，复杂体可以通过面切割简单的体来产生。基于这种思路，在地质体的三维模型建立方面可以利用已生成的结构面来切割覆盖整个研究区域的立方体来形成。

利用Gocad 建模其方法是利用钻孔、平硐、地形以及地表露头等工程地质勘探信息和专业地质人员一起解译出横、纵剖面图以及平切面图等二维完成对所在区域岩体三维结构的建模工剖面图，作。

在建成上述模型的基础上，再进行任意方向、地点深度的三维剖切操作，对岩体的结构进行包括岩体剖切、地下建筑物的岩体结构分析、模拟数字钻孔等可视化的分析。3．3

油田基础地质研究中的应用

三维地质建模真正在油田基础地质中应用，是

ＲMS、Gocad 、Fasttracker 等这些软件出现在Petrel 、以后

［41］

工程地质三维地质建模是工程地质学、数学地

质学和计算机科学的实际应用。本文以Gocad 软探讨工程地质中三维地质模型的应用，从件为例，

而更清晰地认识地质体的空间形态和相互关系，并以此为地质体的三维数值模拟提供基础，达到“可

“可算”视”又的目的。3．2．1

三维结构面的建立

结构面是地质体三维建模的基础，利用已有的离散数据资料构建地质体的地形面及各个构造面，是建立合理的三维地质体模型的前提。Gocad 中提供了支持CAD 所产生的DXF 格式文件的接口，可以将CAD 中构造的等高线地形图导入，经处理后自动生成三维地形面。Gocad 同时提供了支持钻孔数据输入的接口，按照Gocad 所支持的钻孔输入格式所制成的EXCEL 文件可直接导入Gocad ，生成钻孔布置图，并可由钻孔信息生成三维地层面。

（1）地形三维面的建立：在建立地质体地形三维面时可以直接利用已矢量化的地形等高线图作为基础，然后导入Gocad 中产生地质体三维地形面（图1）。

（2）三维地层面的建立：受野外勘探（钻探、踏勘、物探等）工作量的限制，地层面控制点通常有限，如果直接利用现有的勘探点生成地层三维面，难以与实际情况相符。因此，在生成地质体的地层或其它结构面时，须加上相应的工程地质分析进行人工干预数据，对要建的地层面追加一定数量的控制点，以使其尽量与实际的地质结构面相符合。

在三维地层面建立之前要进行数据的输入，数据输入Gocad 后，可在钻孔个的“Marker ”项修改各层的信息，根据这些钻探及物探资料，

附以地面调

。这些三维建模软件可以广泛地应用于油

田开发的各个阶段，其中Petrel 软件具有最佳的精

［38］

细油藏三维可视化技术，因此本文主要以Petrel 建模软件在油田基础地质研究中的应用为例进行简介。3．3．1

建模流程

（1）收集油田开发中的地质数据，包括地层信息、测井数据和物探数据，建立数据库。

（2）建立三维地质框架，同时设置三维网格的

精细程度。

（3）在三维地质框架的基础上建立油藏构造模型，主要包括地层层面模型和断层模型。其中的断层模型（图2）和层细剖分模型（图3）的建立尤为关键。

（4）利用测井和钻井数据对储层物性进行模定量描述储层参数的空间变化。拟，

（5）通过多种数据转换进行数据分析和地质统计，描述属性在空间的分布规律。（6）用定性和定量的方法对地质模型进行检

同时进行储量计算和评价

。验，

层建模理论和技术，建立三维地质模型，包括三维

构造模型、三维储层相模型、三维储层物性参数（孔NTG ）模型，隙度、渗透率、含油饱和度、并进行储量计算和模型粗化（建模流程见图4）

。

图4油田三维地质建模流程图

3．3．2油田模型的主要用途

（1）为油藏数值模拟提供三维地质数据体：因为在许多情况下正是因为油藏工程师需要准确预测油藏的生产情况，我们才进行储层建模。（2）帮助布井：地质模型可以用来优化评价井的数目和其井位布署。

图2

断层模型

（3）用来计算含油气孔隙体积，或者储量：与二

三维地质模型可以用来计算比较真实维模型相比，

的孔隙体积，它也可以用来计算油田储量。

（4）进行断层封堵分析和预测：地质模型把构造和地层格架结合到一起，这有利于我们对断层的封堵性进行预测。一般来说断层的封堵有两种情况：①断层两边砂岩对砂岩接触面的减少；②断层处由于断层泥的存在，其对流体的传导性降低。我们可以通过计算断层的垂向和横向上的断距，或者计算砂岩对砂岩的叠置关系，或者估算断层泥存在的可能性及其影响来预测断层的封堵性。

（5）进行油田监测：无论是一次采油阶段还是二次采油阶段，地质模型都是一个监测油田含水饱和度的有效工具。地质模型可以用来监测油藏的

图3层细剖分模型

（7）对经过检验和储量计算的模型进行模型后处理。

根据以上油田建模流程，可知其建模过程需要结合井数据、地震数据、测井数据等，应用先进的储

动态。

（6）有效的交流平台：地质模型的存在，为地质师、油藏工程师、钻井师提供了一个交流的平台。从地质模型的这些作用可以看出地质建模贯穿在油田勘探开发的各个阶段。一个油田的生命周期通常可以划分为四个阶段：勘探评估阶段，开

发规划阶段，油田开发初期，油田开发晚期。不同阶段要解决的问题不同，所以建模的精细度也不一样。

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4结语

三维地质建模技术是把海量的地质数据描绘

“风景画”成数据和三维地质模型，强调了地质成果立体化、可视化、智能化与通俗实表达的数字化、用，使地质图件形象生动、直观易懂，易于被非专业人士理解与应用，是国土资源与地质调查、城市发展和社会信息化的必然趋势。

但三维地质建模技术及其实际应用仍面临着许多困难。主要体现在：（1）在对地质体进行三维建模重构时由于其形状的不规则性和不可预测性，往往会歪曲其结构；（2）对地质体的三维建模其工作量繁重，尤其是三维数字化过程，更是工作量繁

使其在实际重；（3）三维地质模型的实时更新困难，

生产过程中实用性不强；（4）模型精度不够，尤其是

地质工作进行到中后期时。

因此，仍需对三维地质模型技术及其在实际生产中的应用进行探索，争取使应用于生产的精细三维地质模型做到：（1）有较高的准确性，能与钻井、物探等多方面的地质资料相互应证；（2）模型要能动态地反映矿体的三维形态和变化规律；（3）使建模方法具有普遍性，易于推广。

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The Development Status of 3D Geological Modeling Technology

and Modeling Instances

ZHANG Yang-yang ，ZHOU Wan-peng ，WU Zhi-chun ，GUO Fu-sheng ，ZHENG Xiang （College of Earth Sciences ，East China Institute of Technology ，Nanchang 330013，China ）

Abstract ：This article mainly advances the concept of three-dimensional geological modeling ，and summarizes the progress of data model ，structure ，methods ，and the software development of three-dimensional geological model-ing．Then it introduces application examples of 3D geological modeling technique in mining ，engineering geology and basic geological study of oil field ，the general modeling process and the application scope of 3D geological modeling in the actual geological work ，and the superiority of 3D geological modeling in data visualization ，3D dy-namic display ，data statistics and spatial change．Finally it points out the difficulties and bottlenecks that face three-dimensional geological modeling technology and the general direction of modeling technique development in the future．

Key Words ：3D geological modeling ；technical progress ；modeling software ；modeling instance ；geologic model