autocad三維地質建模,地形圖三維建模

本文目錄一覽：

• 1、地下水三維地質建模的數據需求與數據組織
• 2、建模流程
• 3、三維建模的基本流程

地下水三維地質建模的數據需求與數據組織

地下水三維地質模型的生成和維護需要大量的基礎水文地質數據信息的支持，這些數據信息主要是反映含水系統的特徵：如地貌、地層、斷裂、褶皺等，和流動系統的特徵：如地下水水位、水量、開採量等。針對這些數據信息建立地下水三維地質模型的基礎資料庫，並提供這些數據信息的維護與管理機制，實現地下水系統三維結構的動態更新和實時服務。

（一）地下水三維地質建模所需數據類型

在地下水三維地質建模中，會涉及的地質現象主要有：地貌（或地形）、地層、褶皺、斷裂、透鏡體及侵入體等，為刻畫這些地質現象，就需要用到地表數字高程模型數據（DEM）、遙感影像數據、地理信息數據、鑽孔數據及剖面數據等。具體來說，為刻畫三維模型中的各種地質現象，需要的相關數據包括以下幾種：

1.地表數字高程模型（DEM）數據

地表數字高程模型數據用於生成三維地質結構模型頂面（地表面），此部分數據可以從測繪主管部門獲取或向國家測繪局基礎地理信息中心購買，從基礎地理信息中心購買的數據屬於標準數據，數據以ARCINFO數據格式存放。DEM數據比例尺有多種，其中，全國的1：25萬資料庫在空間上包含816幅地形圖數據，覆蓋整個國土範圍，國外部分沿國界外延25公里採集數據。地貌統一在TERLK層中存放，包括等高線、等深線、沖溝等，DEM等高線的等高距，在全國範圍內共分40m、50m、100m三種，使用時可參照等分布圖確定。對於標準數據，可以根據需要進行數據格式轉換、比例變換、投影變換等多種處理。

另外，如果不能獲取現成的DEM數據，也可以自己使用專門的地理信息系統軟體用地形圖生產。即把紙質地形圖數字化及幾何糾正校準，然後進行高程信息的提取——對等高線進行屏幕矢量跟蹤並對等高線標賦高程值，同時編輯、檢查、拼接以生成各種拓撲關係，最後用軟體進行內插值、裁剪生成DEM數據。

2.遙感影像數據

遙感影像是地球空間數據最直接、時效性最強的數據形式，模型的表面需要用影像數據進行貼圖，來表達真實的地表景觀。由於影像數據的容量大，為了能夠快速、高質量地進行顯示，需要根據顯示的範圍、顯示的比例選擇解析度最合適的影像進行紋理映射。一個模型可以有不同解析度的多套衛星/航測影像數據，某些影像數據有可能只局限於某個局部。因此，在顯示時，所有的影像數據都需要讀入內存，以實現多分辨顯示。這就需要在技術上做一些處理，比如圖像格式的轉換，根據顯示解析度和比例的不同，轉換為不同解析度的圖像如BMP、TIFF、GIF等圖像格式。

對遙感影像數據的處理主要包括對遙感影像的幾何精糾正和不同解析度影像數據的融合。一般使用遙感處理軟體ERDAS和ENVI軟體進行處理。遙感影像幾何精糾正的目的是對圖像地物象元進行坐標匹備，經過轉換運算和重採樣，使得遙感影像帶上地圖投影和地理坐標進行配准。遙感影像數據融合是將多波段低解析度影像數據的光譜信息與單波段高解析度影像數據的解析度信息進行融合，以獲取在盡量不減少光譜信息的基礎上，提高遙感影像的空間解析度。

一個地表衛星/航測影像數據是一幅圖像和一些坐標配准參數。對於具體的影像圖片，要根據高程數據和相關軟體進行集成融合，精度匹配，即解決投影變換、比例縮放、範圍裁減、坐標匹配等問題。為此，在專門的資料庫中應記錄不同解析度、不同區域的影像數據。

3.地表地理信息數據

地表地理信息數據，可以根據專業要求在三維模型的表面進行各種圖元的標註，不僅可以繪製點、線、區的圖元，而且可以標註文字及圖形圖像，來表達與模型地表幾何模型有關的屬性信息，如河流、鐵路、公路、湖泊、城市、政區、居民地、鐵路、公路、水系、土地覆蓋等信息，並且可以簡單管理這些信息。這些數據可以是野外採集而來，也可由專用GIS系統數據轉換而來。這些圖元信息要在模型頂面展現。

4.鑽孔數據

鑽孔數據是地質技術人員在野外鑽探現場記錄並整理的第一手技術資料，它對於模型的生成起直接或間接校正的作用，鑽孔數據一般在EXCEL表或ACCESS資料庫中存放。存放於EXCEL表的鑽孔數據，一般是區域數據，數據量不大，鑽孔信息分存於不同的表單中；存放於ACCESSS資料庫中的鑽孔數據，一般數據量大，為某一區域或區塊的鑽探數據。鑽孔數據從ACCESS資料庫中讀入後，並不是直接應用，還需要進行人工或系統按照一定規則進行概化處理，才能參與建模，在進行模型編輯生成時，還可以根據這些數據將鑽孔軌跡以圖形方式顯示在屏幕上。

不論是以EXCEL表還是ACCESS資料庫存儲的鑽孔數據信息，它必須包含以下幾種基本信息：鑽孔編號、地理位置、孔口標高、終孔深度、分層信息及岩性等。其中，鑽孔編號欄位類型為字元型，用於唯一標識一個鑽孔，方便鑽孔對象的查找和數據的訪問；地理位置信息是為了記錄鑽孔所處的空間位置，它包含兩個欄位類型，均為浮點型數據，若為經緯度形式的，則一個欄位記錄經度，另一欄位記錄緯度，若為大地坐標形式的，則一個欄位記錄X坐標，另一欄位記錄Y坐標；孔口標高用於記錄鑽孔起始位置，欄位類型為浮點型；終孔深度欄位類型為浮點型，用於記錄鑽孔在垂向上的長度；分層信息欄位類型為浮點型，用於記錄鑽孔所經過地層的分層情況（一般記錄各分層的頂界面標高）；岩性欄位類型為字元型，主要用於描述各個層位的岩性。

5.地質平面數據

地質平面數據即地質平面圖，它主要反映各地層在地表出露的情況，對於控制三維模型中地層在地表的分布狀況起著至關重要的作用。在各種GIS軟體中存放的數字形式的地質平面圖中，要求對於剝蝕線數據或地層出露線數據賦予高程屬性，否則無法在三維空間中定位這些線信息。

6.剖面數據

剖面是地質專業人員根據工作要求，依據鑽孔信息繪出的地層斷面圖，需要說明的是，剖面圖也許不是地質情況的真實反映，但它包含著技術人員的推理和經驗，可以說是地層情況最接近真實的反映。

剖面圖的存放格式，由於各技術隊伍作圖採用軟體不同，圖形存放的文件格式也不盡相同，主要有MAPGIS圖形數據格式和AUTOCAD圖形數據格式，地下水三維地質建模系統的數據輸入可留出這兩種圖形文件數據介面。具體地說，若是MAPGIS圖形格式，採用把圖形數據轉換成MAPGIS明碼文件文本數據格式，再讀入系統進行復原即可；若是AU-TOCAD圖形數據格式，可把DWG圖形文件格式轉換成DXF標準圖形文件格式，讀入系統即可。還可把MAPGIS和AUTOCAD兩種圖形文件混合輸入，例如需在剖面圖上添加岩性顏色，即可在MAPGIS中調用剖面，做岩性顏色區文件，再輸出MAPGIS明碼文件，可很好地解決剖面圖剖面數據輸入問題。對於三維建模系統來說，這種方式可很好地解決地下各含水層的表達問題。

在剖面數據中必須包含橫向比例尺、縱向比例尺、圖例等信息，方便系統對不同來源的剖面數據進行轉換。

7.地層等值線數據

地層等值線數據是根據鑽孔資料、物探資料等，由專業技術人員繪製出的，反映地層界面在空間中的變化情況。由於鑽孔只能反映一個點上的信息，剖面只能反映一條線上的信息，而地層等值線數據可以表達一個面的信息，因此等值線數據對於精確建立各個地層面位置及幾何形態具有很大的幫助作用。

在GIS軟體存放地層等值線數據，需要在其屬性中賦上每條等值線代表的高程（或厚度、埋深等）數值。

8.斷層數據

斷層是地質構造的產物，表示地層的斷裂和錯動，它對於地質研究、地質資源勘探、地下水流場分布都有重要的意義，另外，斷層在地質建模中對於地質體的生成、工區邊界的確定起重要的作用，因此，逼真地刻畫斷層對於地質建模來說，是一項重要的工作。

斷層作為刻畫地下水系統模型空間面的一種數據類型，在建模過程中需要明確：斷層面的空間展布，斷層不同點的產狀，斷層的水理性質。

斷層數據主要是以圖形的方式輸入，然後用來建模的。平面上斷層的表達方法有兩種，一種是在平面圖上繪製斷層走向及標註傾角，如平面圖或地質圖；另一種是在剖面圖上繪製斷層線。結合這兩種圖件，斷層在空間的展布情況就會一目了然，斷層產狀可由系統讀取資料庫數據或人工給定。斷層的水理性質對於後期地下水模擬計算是必須的，可存放在資料庫中或直接存放於模型斷層屬性中。

9.物探數據

物探技術在地質勘探中具有重要作用，勘探方法主要有地震、電法、磁法、重力等，從物探數據中可得到：點位資料、層位劃分及其屬性。在地下水系統建模中，物探數據和鑽孔數據具有相同的作用，根據物性的差異提供含水層的劃分情況，表達地層具有相同的物理力學參數或位置，如地下含水層頂板、底板、地下水位等值線信息。使用這些等值線數據，建模系統可以插值擬和地層面或斷層面。

10.動態數據

動態數據是監測到的地下水位、水質、水溫等波動過程的信息，這種波動不同程度地反映了河流徑流在時空上分布的特徵。影響地下水變動的主要因素是河川徑流、蒸發蒸騰和人類的灌溉過程。隨著大批水利工程的建設和井灌的發展，人類活動對地下水動態過程的干擾逐漸加劇。因此，利用地下水位監測數據，或系統模擬分析某時刻的水位數據，生成指定含水層指定時刻的地下水流場圖。建立地下水水位變化模型，實現地下水移動的動態模擬。在地下水三維地質建模過程中，需建立專門的資料庫存放此類數據。

11.相關文檔資料

文檔資料為建模區的勘探、科研報告，包括各種項目彙報書、區域水文地質普查報告、專題研究報告等。這些資料為模型的建立具有重要的參考價值。

（二）數據概化預處理

建立地下水三維可視化模型所需要的數據資料既有原始數據資料，又有模型所生成的次生數據。原始數據可分為地表數據和地下數據。地表數據主要為衛星影像和地表地理信息數據，地下數據有鑽孔、剖面等反映地質結構的圖文數據。由模型生成的次生數據或圖形主要有地層、斷層、地層體區塊等。

如此多的數據，直接用來建模，不但會使計算機內存負荷過大，同時也使得對象的空間拓撲關係難以建立，因此有必要進行數據概化處理。需要概化處理的數據有鑽孔數據、剖面數據等，對這些數據按一定的規則進行概化，使得這些反映垂向結構的數據逐步變得有序化，為進一步自動生成地下水系統三維結構奠定基礎。

1.地層概化的原則

由於地質結構的複雜性，幾何特徵千變萬化，規則的幾何現狀不可能描述現實的地質體形狀，但地質體的變化又不是完全毫無規律可尋，因此，按一定的原則進行地質體的概化處理符合地質行業習慣，又滿足地質建模的要求。

一般的地層概化由地質人員按一定的地質要求對地質體進行歸類合併處理，如按同一地質時代，或地質體的物理力學性質進行概化處理。

與技術人員直接指定地層方法對應的是由計算機自動進行地層概化處理，即按一定的尺度判別地質體的分層方法，給出一定的尺度，當某層的最大層厚小於標準尺度時，不考慮該層，並將該層合併到它的上層或下層；當某層的最大層厚大於標準尺度時，考慮該層，然後按概化分層標準計算機自動進行分層處理，並提供按顏色、紋理、顯示概化的地層。

上述的方法固然簡單，但對於不同的地質專業，建模則具有各自專業的要求和特點，有些層對於模型的規模來說可能是很小的，可以忽略的層，但從專業角度來講具有顯著的影響，必須考慮該層的存在。如在石油地質建模中，需要對含油構造的細小砂層進行詳細的刻畫與描述；在工程地質建模中，需注重軟弱夾層和軟弱下卧層及結構面的描述；在水文地質建模中，需要描述含水地層的地質結構，即含水層頂板、底板、地層透鏡體等與地下水有關的地質結構的描述。這就必然要考慮到這些關鍵層的概化要求。

2.鑽孔概化預處理

原始鑽孔數據給出了鑽孔上各個點的岩性，相鄰的點之間是鑽孔的一個小段。對鑽孔數據預處理的目的是要將岩性相同或相近的小段合併，將一個鑽孔中的許多小段概括為幾個大的段，每個大段對應一個地質體，每個地質體中的岩性基本相同。這個過程稱為鑽孔概化。

在鑽孔概化處理時，採用人工處理方式，需要注意：

（1）鑽孔原始屬性（岩性）數據在鑽孔上的分布情況。

（2）已經完成的分層情況。

（3）相鄰鑽孔分層點之間的對應情況。

（4）鑽孔分層對地質結構模型的影響。

概化完成後的鑽孔數據段與段之間具有對應關係——屬於同一個地質體的段之間具有對應關係。為了生成三維地質模型，可以對每個地質體進行命名，並將地質體名稱記錄在段中。這樣，就可以描述出不同鑽孔的段與段之間的對應關係了。

3.剖面與斷層的概化處理

剖面是地質技術人員對地質構造的直觀解釋，它對水文地質建模建模起著舉足輕重的作用。大區域內的少量鑽孔只能起到輔助建模的作用，建模中更多的是使用剖面。因此，就必須對剖面進行深入地分析。圖3—3插入兩張剖面用作對比分析。

圖3—3 原始剖面與建模剖面

從圖3—3（a）中可看出，剖面上地質結構複雜，層與層關係不清晰，斷層過多過細，透鏡體小而多，局部地層出現犬牙交錯的狀態，這種剖面對地質構造的精細刻畫對於地質專業人員來說，比較能夠很好地理解。但對於地質建模來說，它突出的是整體性，大尺度、規率性的模型，過度的精細與專業化反而使技術人員無所適從。因此，需要對原有的剖面進行概化處理。

在概化過程中，需要明確大的地層關係，如時代岩組、一定量厚的地層等，細小的地層或透鏡體歸類到大地層當中，細小的斷層可忽略不計，對犬牙交錯的地層進行概化或模糊性處理。經過這樣概化處理的剖面地層主輔突出、斷層清晰明確、既反映了地質構造、又注重細節的刻畫，適合於建模工作的開展。如圖3—3（b）所示。

對剖面的處理，不光要概化處理地層與斷層情況，還要注意剖面的縱橫比例，從全局來考慮，要使模型的範圍大小與地層深度達到一個合適的比值，如果模型太扁平，則需要修改剖面的縱向比例，使剖面在深度方向上更長一些，從而使構建的模型相對美觀一些。

建模流程

在前期項目的工作基礎上，我們總結了大量的建模經驗、教訓，並結合地質專業技術人員的專業指導，針對華北平原地區的特點，提出一套建模流程。根據其構建流程，有條不紊地完成建立模型，模型製作的流程：

（1）數據的收集、整理與檢查。包括剖面數據的預處理，鑽孔數據的預處理，以及剖面數據與鑽孔數據的配准等工作。並且通過Mapgis格式的華北地區底圖，提取出地表離散點信息。此外，搜集了渤海地區的海底數據。

（2）數據導入到建模系統軟體中，進行模型構建。將剖面數據、鑽孔數據、地表離散點數據以及渤海海底數據等，導入到工區中，按照一定的建模順序依次建立各模型元素。

（3）根據導入的數據，理清其對應的關係，依序建立各種地質體。按照上面建模過程中生成的地質元素，建立地質體模型。

（4）檢查與校驗。檢查、校驗所建立的三維可視化模型，如果發生錯誤，重複前面的步驟，進行模型的修改工作。

（一）導入剖面數據

剖面是地質專業人員根據工作要求，依據鑽孔信息繪出的地層斷面圖，需要說明的是，剖面圖也許不是地質情況的真實反映，但它包含著技術人員的推理和經驗，可以說是地層情況最接近真實的反映。剖面圖的存放格式，由於各技術隊伍作圖採用軟體不同，圖形存放的文件格式也不盡相同，主要有MAPGIS圖形數據格式和AUTOCAD圖形數據格式。本系統的數據輸入可留出這兩種圖形文件數據介面。具體地說，若是MAPGIS圖形格式，採用把圖形數據轉換成MAPGIS明碼文件文本數據格式，再讀入系統進行復原即可。若是AUTOCAD圖形數據格式，可把DWG圖形文件格式轉換成DXF標準圖形文件格式，讀入系統即可。還可把MAPGIS和AUTOCAD兩種圖形文件混合輸入。例如需在剖面圖上添加岩性顏色，即可在MAPGIS中調用剖面，做岩性顏色區文件，再輸出MAPGIS明碼文件，可很好地解決剖面圖剖面數據輸入問題。對於三維建模系統來說，這種方式可很好地解決地下各含水層的表達問題。

MAPGIS明碼文本文件包括兩種文件，即.WAL和.DXF文件，.WAL文件記錄了測線的名稱、段數和測點坐標等信息，.DXF文件記錄了剖面上的點和線等內容信息。通過讀入這兩種文件和一些變換便可以導入剖面信息，將剖面立在工區中（工區用來在三維地質體中劃定一個待研究的區域，它是一個立方體，有一個頂面、一個底面及四個側面。用戶關心的所有地層、斷面等都將包含在這個立方體中。）。從.WAL文件中讀出剖麵線上每個點的位置信息，每兩個相鄰的點可以確定一個面。圖5-93為剖面導入到工區中的情況。

將剖面信息導入後，用戶便可以觀察剖面上的各種信息，並對進行分析。剖面是生成地層、斷層、透鏡體等的主要數據源之一，用戶要從剖面上拾取地層線、斷層線、透鏡體線用於在後面生成各種地質元素，並且可以根據地質專家的要求對這些線信息進行增加、修改、刪除等編輯操作。

圖5—93 剖面導入到工區中

1.拾取斷層線

拾取斷層線時，首先在樹節點上選定一個剖面，選擇拾取斷層線功能，便可以用滑鼠左鍵在剖面上拾取合適的線用來控制生成斷層，拾取完後要指定所拾取折線所屬的斷層。同樣，可以完成在剖面上增加一個斷層線的功能，增加斷層線時要根據專家的意見，合理增加，以便更好的控制斷層的生成。當我們選中一個斷層線時，可以對它進行編輯操作。如圖5—94。

2.拾取地層線

在拾取地層線時，首先在樹節點上先選定一個剖面，然後旋轉觀察各個剖面上的信息，以便確定哪些線屬於同一個地層，確定後再對剖面上的線進行拾取。拾取完成後，要設置每一條線所屬的地層，以便後面生成地層時進行識別。同樣，可以完成在剖面上增加一個地層線的功能，增加地層線時要根據專家的意見，合理增加，以便合理的控制地層的形態。由於剖面圖是在平面上繪製的，這樣就會有一定的誤差，表現在導入的剖面上，相同的地層線不能吻合，這樣就會對生成的地層產生影響，需要進行一定的編輯。系統按照需要提供了這樣的功能，首先在樹上選中一條地層線節點，並選擇編輯地層線功能，便可以完成對地層線的編輯操作。如圖5—95。

圖5—94 拾取斷層線

圖5—95 拾取地層線

（二）導入鑽孔數據

鑽孔數據主要包括鑽孔各地層深度、岩性、所屬時代等與地質結構相關的內容。鑽孔數量有240多個，主要分布在黑河流域平原區。鑽孔數據已裝訂成冊記錄，為符合建模數據的要求，把鑽孔全部錄入到地下水資源數據系統Access資料庫Gwexplore中。鑽孔數據是地質技術人員在野外鑽探現場記錄並整理的第一手技術資料，它對於模型的生成起直接或間接校正的作用，因此，要對鑽井數據進行充分利用。我們實現了對斷層鑽點、地層鑽點以及透鏡體鑽點的載入和編輯功能。

1.導入鑽孔數據

導入鑽孔數據時，首先切換到鑽孔模型樹下，選中「鑽孔集」根節點，然後選擇將導入的鑽孔數據文件，連接資料庫。完成了資料庫的連接之後，用戶可以選擇導入所有鑽孔或單個鑽孔信息，這樣就將鑽孔信息載入到了工區中。同樣，用戶也可以選擇斷開與鑽孔數據源的連接。如圖5—96。

圖5—96 導入鑽孔

2.編輯鑽孔數據

導入了鑽孔信息後，用戶可以對鑽孔進行一些編輯操作。首先在屏幕上選擇一個鑽孔，如果該鑽孔信息不符合實際情況，點擊右鍵將該鑽孔刪除。

導入了鑽孔數據後，選擇一個鑽孔，用戶便可以在該鑽孔上添加鑽點信息，並設置該鑽點所屬地質元素類型，即斷層、地層或透鏡體，並且制定所屬地質元素的名稱，如圖5-97，創建了一個鑽點，並指定該鑽點信息屬於地層「第四含水層」。創建的鑽點將嚴格控制地質元素的生成。

圖5—97 創建一個地層鑽點

（三）地表建模

1.地表的生成

生成地表的主要數據是地表離散點數據，地表離散點數據由ARCINFO格式數據轉換而來。組成等高線的平麵線段與它的高程值一一對應，這樣，就有了地表的三維坐標集。系統輸入時，讀入組成等值線的各個點，即讀入各個線段的點，結合線段所對應的高程值，就形成了生成模型所需的離散點，系統使用這些離散點進行插值，生成地表。由於數據較多，這樣離散點的密度也大，以MAPGIS明碼文件存放的數據容量達到150多兆，如果把這些數據都輸入到系統中，插值生成地表面，那麼生成地表面的小三角形數量將會相當大，佔用過多的計算機資源，對後續模型的構建影響很大。同時，生成地表面時速度慢，效果不理想。因此就需要對這些離散點進行抽稀處理。抽稀的效果是減少等值線上的點的數量，由於等值線上有大量的點存在，按比值抽稀不會對它的精度造成影響。抽稀後，生成模型所需的離散點密度降低，離散點的數量減少，系統生成地表面時速度加快，地表面的平滑度提高。對於地表面的一些壞點，如高程值過高或過低的點，即高程高於地表最高點，或高程低於地表最低點的高程，這些點是由於誤差或數據轉換時造成的，使用這樣的點插值，就會造成地表面的起伏變化劇烈，地表面粗糟不平，影響地表面的光滑度。因此，對於這樣的點需要在輸入系統時進行剔除處理，即在系統輸入模塊中，採用門檻值進行限制，過高或過低的點剔除，不讓其參與建模。

將處理後的離散點數據導入到工區中作為控制點，採用DSI插值技術生成三角網，用這個三角網來描述地表的形態。

2.載入地表信息

（1）地理信息數據。地理信息數據包括河流、鐵路、公路、湖泊、城市等點、線、面圖元信息，這些信息對於增強三維可視化模型的內涵、增強模型的展示效果具有積極的作用。每項地理信息數據讀入後，採用OpenGL技術來實現這些圖元在三維模型中的顯示狀態，同時給出對應的屬性信息內容。但建模系統目前不做GIS方面的分析功能，留待後續開發時進行功能增強。

（2）遙感影像圖片。地表網格剖分完成以後，系統採用OpenGL的紋理映射技術，將衛星影像貼到地表，這樣使整個模型看起來更加真實，效果更好。為減少內存佔用量，衛星影像在保證可視化解析度的前提下，轉變為點陣圖圖像格式（.bmp）讀入。

為了使遙感影像圖片與生成的地表網格貼合得很好，位置更準確，系統採用三點坐標定位的方法對圖片進行校正。校正的方法是從圖片上選取三點，確保這三點不在同一條直線上，將它們分別記作P1、P2和P3，用戶要知道這三點的真實坐標值，為此可以選那些具有標識性的地理位置點。我們設圖片貼到地表上時這三點的坐標為Old_P1、Old_P2和Old_P3，而輸入的真實坐標為New_P1、New_P2和New_P3，依據最小二乘原理可以得到一個變換矩陣M。

用矩陣M對圖片的四個頂點進行變換，即可以得到校正後的圖片。圖5—98是載入了地理信息和遙感影像圖片的地表。

圖5—98 載入信息後的地表形態

3.網格大小的確定

模型所建的地質體如地表、地層、斷層和透鏡體等都是由網格相連構成面，面相包而組成體。構成模型的最小單位是小三角形，三角形的數量多少對模型的精度、系統運轉的快慢有直接的影響。

一般來說，生成模型的三角形網格過大，則模型面比較粗糙，模型不精細，甚至不能表現面的形態特徵，網格過小，則網格的密度大，對這些三角形運算需佔用大量的系統資源，使計算機處理的數據量劇增，從而使機器運行速度慢，如果離散點數據量過多或過少，則會使模型面較複雜，不能表現模型面的總體特徵。因此，在構建模型時，需要選擇合適的網格大小。

經過實踐，地表的網格大小選用50～200m的格網間距較好，機器速度和表面光滑度能達到協調統一。一般在模型初建中，選用200m的格網間距，機器速度快，如果需要對建模區域進行分割，如黑河流域模型，則在小盆地模型構建完成後，選用50m格網間距進行地表面生成，使地表面比較精細。

地層和斷層由於使用剖面圖上的線段進行建模，系統會自動在這些線段上加密離散點，選用100～200m的格網間距，對地層和斷層的生成影響不大，精細度也符合要求。透鏡體由於其面積小，對精度要求適中，因此網格大小選用50～100m的格網間距即可滿足需要。

對於柵格數據，如遙感影像圖片，其空間解析度可根據模型顯示的精度調整像素的大小。一般100～300dpi 即可。可根據需要把精細的具有800多兆的遙感影像圖片生成BMP、JPG等圖形格式，達到保證像素精度和減少內存佔用量的需要。

（四）斷面建模

1.斷面的生成

在斷面建模之前，要先導入剖面圖和鑽孔以及斷層線等信息。根據導入的剖面圖、斷層線和鑽孔信息，來生成模型的斷層。生成斷層有兩種方式，即根據剖面上的斷層剖麵線和根據離散點數據生成。

將剖面導入三維建模軟體系統之後，對剖面上的斷層線進行分析，選定屬於相同斷層的剖面斷層線，然後進行剖分、插值生成斷層。如圖5—99所示。

圖5—99 根據剖面上的斷層線生成斷層

通過導入的離散點也可以生成斷層，或者在鑽孔導入三維建模軟體系統之後，通過在孔軌跡上指定斷層上的鑽點，然後通過剖分、插值生成斷層。如圖5—100所示。

圖5—100 根據離散點生成斷層

2.斷面的編輯

斷層生成之後，根據需要可以編輯斷層邊界和使用控制點編輯斷層，改變斷層面的形狀，還可以通過修改屬性框中的內容來編輯斷層的屬性等。如圖5—101所示。

圖5—101 根據離散點生成斷層

對地質體中的信息進行修改是重要的功能之一。課題組地質體模型的數據結構中，輸入可以是點集合和折線集合，但是折線集合也被示為有序點的集合。所以，對於點的編輯和修改是所有編輯和修改的基礎。由於一般圖形平台中很難解決計算機圖形學中的一個基本問題即「坐標變換」的深度問題，所以只能依賴於生成的三角網格面，實現沿著面和垂直面兩個方向的空間點的「位置坐標」編輯，即標量編輯。採用標量編輯，解決了「坐標變換」的深度問題，實現了不依賴於三角網格面的空間點編輯。

此外，還採用了「三維空間矢量點」的編輯功能。「三維空間矢量點」是指工區種的三維點不僅含有「位置坐標」的概念，還賦予每個點一個「方向矢量」。這樣，很容易對空間點進行方向上的編輯功能，我們稱謂「三維空間矢量點編輯」。本系統中多處採用了這種編輯功能，例如斷面上控制點的編輯、地層上控制點的編輯、光源矢量的編輯等。光源矢量的編輯效果如圖5-102所示。

圖5—102 光源矢量編輯功能

3.定義斷面關係

在建模時，對於工區中相交的兩個斷層，需要確認它們的相交關係，即哪一個是主切面，哪一個是被切面。通過定義它們的關係，實現主斷層面剪切輔斷層面的功能。在定義主斷層面時，一般選擇相對較高且長度大於被切斷層面在其上的投影面的斷層面，這樣選擇的要求可使系統較快地構建斷面網格。

斷層主輔關係定義之後，選擇「更新斷層」功能，生成切割後的斷層。圖5—103所示為定義斷層關係之後重新生成的斷層效果。

圖5—103 定義斷層關係

（五）地層面建模

1.地層面的主要內容

三維地質構造模型中的地層，是由地層中的若干圖元和圖元集合組成，包括：

（1）地層頂面：是由已知的地層數據離散點擬和出的地質曲面。

（2）地層離散點集合：是地層等值線上的離散點。

（3）地層井點集合：是鑽井鑽探到的地層頂面上的井分位點。

（4）地層控制點集合：是用戶在建模過程中手工可以添加到模型中的點，這些點在地層生成過程中會對地層形態起約束作用，用戶可以通過編輯這些點，來改變地層的形態。

（5）地層上的斷層線集合：是地層頂面被各個斷層切割出的斷層線的集合。

（6）地層等值線集合：是按照地層頂面深度在地層頂面上畫出的等值線集合。

（7）地層斷塊：是地層被斷層切割撕裂後形成的有頂有底有圍邊的封閉地質體。

我們建模時就是要根據這些數據來具體構建地層面。地層與地層之間可以相交，這導致地層形態變得複雜。有時某個地層會在與其他地層相交處缺失，從而出現所謂尖滅、侵入體和透鏡體的現象。下面我們將具體針對每一種地層現象具體討論其建模方法。

2.層狀地層

層狀地層是地層形態中最簡單的一種，既沒有裂口、也不與其他地層切割，僅是一個單獨的曲面。在這種情況下可以使用簡單的剖分與插值演算法來構造地層面。具體來講，就是經過簡單的三角剖分得到其三角網格，然後從已有離散點數據及剖面中的地層線數據中提取到離散點集合，以此作為依據對三角網格中的每個頂點進行插值，得到具有起伏形態的地層面。這裡我們採用的生成連續曲面的方式是通過將平面細化為網格後，將三角網格的頂點插值生成曲面。曲面的光滑和精細程度由網格的密度決定。

根據如上的特點設計了複合法表示曲面的形式，即以矩形網格作為計算曲面，以三角網格作為顯示曲面，由兩種網格協作，共同表示連續曲面。矩形網格和三角網格表示同一個曲面，矩形網格用於查詢計算，表示的曲面比實際曲面要大，因為只作為背景網格不參與顯示，不關心曲面的邊界。

3.透鏡體狀地層建模

透鏡體的生成有兩種方式，即根據導入的物探等值線數據生成透鏡體，也可以根據剖面上的透鏡體線圖元生成透鏡體。透鏡體頂面生成後，需要編輯透鏡體尖滅線改變透鏡體的大小，使用控制點調整透鏡體形態，可以通過修改屬性框來編輯透鏡體的屬性、提取透鏡體表面等值線圖等功能。

（1）生成透鏡體頂面。生成透鏡體首先需要生成透鏡體頂面，根據導入的等值線離散點數據進行離散點化處理，然後進行限定剖分和插值或者剖麵線圖元可以生成透鏡體頂面。如圖5—104所示為通過在剖面上選擇剖麵線圖元生成透鏡體頂面。

（2）定義透鏡體尖滅線。透鏡體頂面生成之後根據實際的數據信息，可以定義透鏡體的大小。通過在頂面上定義透鏡體尖滅線來設置透鏡體的大小。如圖5—105所示：

（3）生成透鏡體。透鏡體尖滅線定義之後，可以生成透鏡體。對生成的透鏡體可以通過屬性框來設置其屬性信息，包括其顯示方式、顏色、圖元大小等與可視化顯示及參數有關的屬性項。圖5—106所示為生成的透鏡體。

（4）透鏡體的編輯。系統自動生成的透鏡體，有時不可能完全準確地表達實際的形態特徵，需要對其上頂面或下底面添加控制點加以調整，通過人為的方式改變控制點的空間位置。重新生成透鏡體，讓控制點參與透鏡體上下面的重新生成，則可以較好地改變透鏡體的局部形態。

圖5—104 生成透鏡體頂面

圖5—105 定義透鏡體尖滅線

圖5—106 生成的透鏡體

具體的操作是打開地質模型樹窗口內的需要編輯的透鏡體上、下面的「控制點集合」節點，然後選擇主菜單「透鏡體」下的「編輯控制點」功能項，通過滑鼠在透鏡體面需要調整的位置添加控制點，然後對添加的控制點進行編輯，重新生成透鏡體，透鏡體的形態即發生更改。

（5）透鏡體頂底面等值線的提取。透鏡體生成後，可以提取它的頂面和底面的等值線。

操作時，選定要提取等值線的透鏡體上面或下面樹節點下的「等值線集」項，選擇主菜單「透鏡體」下的「生成等值線」菜單項，即可提取該面的等值線。等值線的間距、標註高程、間隔、等值線顏色由技術人員在屬性框中自己定義。

4.侵入體狀地層建模

若兩個地層出現侵入體現象，則會在其中一個層面上出現閉合的「洞」，我們的剖分演算法可以處理這樣的情形。

在地下水地質結構中，存在著很多侵入岩的地質結構，是由於深部岩漿向上運移，侵入圍岩而未到達地表所形成的蘑菇狀、脈狀等形態岩體，對這類地質體，建模時需具體分析，具體對待。但有相同一點，它們都可看作是非層狀模型，當作一個小的子地質體，對這個子地質體進行建模，然後讀入總模型中，即可實現模型的整體顯示。地質體的建模將在下一節具體介紹。

5.地層的編輯

地層面生成後，根據實際需要編輯地層上的控制點來局部改變地層面的形狀，還可以通過修改屬性框內容來編輯地層面的屬性。

地層面生成後，不可能完全準確地表達地層的凸凹起伏狀態，需要添加地層控制點加以調整，用人工拖動的方式改變控制點的位置，之後，讓控制點參與地層面的重新生成，可以較好地改變地層面的局部形態。如圖5—107所示。（a）圖中使用了「三維空間矢量點編輯」功能。

圖5—107 地層面編輯

6.定義地層間關係

地層面在與斷層相交之後，地層在和斷層相交的地方要發生移動，形成斷裂的地層。斷裂地層的生成可以通過自動生成和人工設置兩種方式實現。自動生成是三維建模軟體系統根據斷層兩側的地層離散點空間分布自動計算出兩側的變形量，圖5—108即為自動生成的斷裂地層：

圖5—108 自動生成撕裂的地層

人工設置是通過人為設定斷層的斷距大小和變形方向生成斷裂的地層。圖5—109所示為人工設置生成斷裂的地層。

圖5—109 人工生成斷裂的地層

7.生成地層等值線

地層面生成後，三維建模軟體系統可繪製用戶指定含水層頂面/底面的等值線，此功能可以有效地解決等值線跨越斷層的問題，繪製等值線結果可以以用戶認可的形式提交給用戶。該功能對於工程應用是一項很實用的功能。

對指定的地層選擇「生成等值線」功能項，即可提取該地層的等值線。等值線的間距、標註間隔、等值線顏色由技術人員在屬性框中自己定義。如圖5—110所示。

（六）地質體建模

本演算法是在已知地層面和斷層面的情況下，採取變形場的方法來構造地質體。根據變形場建模的思想，所有的地質元素都是在逐步斷裂的情況下，形變達到當前的形態的，所以地質體的圍邊也是由初始的形態變形而成的。初始狀態的地層與斷層面相交形成的圍邊具有形狀簡單的特點，一般情況只有四個拐點，初始地層面的圍邊易於求解，所以可以採用通常的方法求得初始地層的圍邊，然後將變形場逐級作用於初始圍邊，就可以得到當前狀態下地層體的圍邊了。生成地層的具體演算法如下：

圖5—110 地層面等值線提取

（1）首先構建地層初始網格，及地層的初始外圍邊網格；

（2）按斷裂順序找到當前斷裂的斷面，直至地層沒有新裂口為止；

（3）複製一份斷層網格記為A，用地層裁剪斷層網格A分為若干地層圍邊，分層後的斷層網格被複制兩份，一份是斷層左側地層裂口的內圍邊，一份是斷層右側地層裂口的內圍邊；

（4）將該斷層的變形場作用到地層上及其圍邊上，地層的表面網格發生形變，圍邊網格發生變形；

（5）按步驟（2），（3），（4）作用於地層面即可得到地層的體網格。

雖然在這個過程中地層和斷層有求交的操作，但這種操作可以保證是在連續地層面和斷面之間的求交，所以穩定性高，初始地層面的易於求交簡單。圖5—111至5—118為華北平原的地質體模型。

（七）三維可視化方法

1.生成剖面圖

我們首先切換到地質模型樹下，展開三維模型根節點，選中剖面集節點，也可以在剖面編輯菜單裡面選擇增加剖面選項，然後在三維圖中畫出剖麵線，點擊右鍵即可完成。我們也可以直接讀取現有的剖面文件。

下面我們可以對剖面的屬性進行編輯，如對剖麵線的坐標的修改。先選中一個剖面，可以選擇「剖面編輯」裡面的「增加斷層線」來建立斷層線，我們也可以選取現已有的斷層線，可以在屬性框里對其屬性進行修改。同樣也可以在「剖面編輯」的菜單里選擇增加地層線或增加透鏡體線來建立地層線或透鏡體線。圖5—119為單面的三維剖面圖。

模型還可以生成柵狀的剖面形態圖，如圖5—120。

圖5—111 華北平原三維地質模型圖（貼有地表衛星圖片）

圖5—112 華北平原三維地質模型（岩性設置）

圖5—113 華北平原三維地質模型圖

圖5—114 渤海水體模型

圖5—115 第一含水層組模型

圖5—116 第二含水層組模型

圖5—117 第三含水層組模型

圖5—118 第四含水層組模型

圖5—119 三維地質模型剖切面圖

圖5—120 柵狀剖面圖

2.生成剖切面

因為在沒有計算機圖形學的輔助之前，地質專家和地質工作者，就是通過二維的剖切面圖來分析地質構造。現在，有了計算機三維建模，目的在於幫助他們建立三維空間想像能力，從而實現從二維平面圖到三維地質體模型的過度。本模型使用的是基於Delaunay三角網格的剖切面（前文有介紹）。

下面主要是對地質體進行單面剖切，組合剖切和挖掘等功能。

圖5—121 剖切面的屬性框

（1）單面剖切。首先我們選擇「可視化」中的「添加單面剖切面」，然後在三維圖中用滑鼠進行剖麵線的繪製，點擊右鍵即可完成。我們先做一個截面，被剖切的地質體根據截面的法向矢量與截面的兩側部分的法向矢量的夾角分為兩部分（正側與負側）。模型默認顯示的一側是與截面的法向矢量夾角小於90度角（正側）的。可以在剖切面的屬性框里圖5—121所示，進行切換剖切面對另一側進行觀察。

如圖5—122為一個單面剖切的效果圖：

圖5—122 單面剖切面效果

（2）組合剖切。首先我們選擇「可視化」中的「添加組合剖切面」，然後在三維圖中用滑鼠進行剖麵線的繪製，點擊右鍵即可完成。

組合剖切（多面剖切）是在單面剖切的基礎上進行改進。我們先定義一個多截面的集合（本模型最多可以定義六個面）。首先可以根據截面集合中的第一個截面進行單面的剖切，儲存下來然後使第一個剖切面失效，再進行第二個截面的剖切，儲存下來後使其實效，同樣可以依次類推，直到所以截面都剖切完以後，再使前面幾個剖切面同時生效，這樣就可以生成一個組合剖切面。

當然和單面剖切一樣可以在屬性框里進行剖切面的切換來觀察另一側。

如圖5—123為一個組合剖切應用效果圖：

圖5—123 組合剖切面效果

3.生成挖掘體

首先我們選擇「可視化」中的「添加挖掘體」，然後在三維圖中用滑鼠進行多邊行剖麵線的繪製，點擊右鍵即可完成。

挖掘剖切是組合剖切的一個特殊的應用，挖掘本身為一個封閉的多面剖切。

圖5—124為一個挖掘應用效果圖：

圖5—124 稜柱挖掘效果圖

三維建模的基本流程

三維建模基本流程步驟如下：

1，打開CAD，然後在下面找到「切換工作區」選項。單擊此選項可在其子菜單中找到3D建模選項。

2，單擊3D建模選項後，您將進入3D操作界面。

3，在3D界面中找到視覺樣式選項。單擊此選項可在其子菜單中找到著色選項，如圖所示。

4，單擊顏色，然後在下面找到3D導航選項。單擊此選項可找到東南等距側面選項。

5，單擊東南等軸測面選項，進入3D工作區。

6，在3D模式菜單中找到box選項。單擊此選項可在其下拉菜單中找到金字塔選項。

7，選擇金字塔選項以在3D空間中創建金字塔以創建3D多面體。