本文目录一览：
- 1、地下水三维地质建模的数据需求与数据组织
- 2、建模流程
- 3、三维建模的基本流程
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著的影响，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。
建模流程
在前期项目的工作基础上，我们总结了大量的建模经验、教训，并结合地质专业技术人员的专业指导，针对华北平原地区的特点，提出一套建模流程。根据其构建流程，有条不紊地完成建立模型，模型制作的流程：
（1）数据的收集、整理与检查。包括剖面数据的预处理，钻孔数据的预处理，以及剖面数据与钻孔数据的配准等工作。并且通过Mapgis格式的华北地区底图，提取出地表离散点信息。此外，搜集了渤海地区的海底数据。
（2）数据导入到建模系统软件中，进行模型构建。将剖面数据、钻孔数据、地表离散点数据以及渤海海底数据等，导入到工区中，按照一定的建模顺序依次建立各模型元素。
（3）根据导入的数据，理清其对应的关系，依序建立各种地质体。按照上面建模过程中生成的地质元素，建立地质体模型。
（4）检查与校验。检查、校验所建立的三维可视化模型，如果发生错误，重复前面的步骤，进行模型的修改工作。
（一）导入剖面数据
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。本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AUTOCAD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。
MAPGIS明码文本文件包括两种文件，即.WAL和.DXF文件，.WAL文件记录了测线的名称、段数和测点坐标等信息，.DXF文件记录了剖面上的点和线等内容信息。通过读入这两种文件和一些变换便可以导入剖面信息，将剖面立在工区中（工区用来在三维地质体中划定一个待研究的区域，它是一个立方体，有一个顶面、一个底面及四个侧面。用户关心的所有地层、断面等都将包含在这个立方体中。）。从.WAL文件中读出剖面线上每个点的位置信息，每两个相邻的点可以确定一个面。图5-93为剖面导入到工区中的情况。
将剖面信息导入后，用户便可以观察剖面上的各种信息，并对进行分析。剖面是生成地层、断层、透镜体等的主要数据源之一，用户要从剖面上拾取地层线、断层线、透镜体线用于在后面生成各种地质元素，并且可以根据地质专家的要求对这些线信息进行增加、修改、删除等编辑操作。
图5—93 剖面导入到工区中
1.拾取断层线
拾取断层线时，首先在树节点上选定一个剖面，选择拾取断层线功能，便可以用鼠标左键在剖面上拾取合适的线用来控制生成断层，拾取完后要指定所拾取折线所属的断层。同样，可以完成在剖面上增加一个断层线的功能，增加断层线时要根据专家的意见，合理增加，以便更好的控制断层的生成。当我们选中一个断层线时，可以对它进行编辑操作。如图5—94。
2.拾取地层线
在拾取地层线时，首先在树节点上先选定一个剖面，然后旋转观察各个剖面上的信息，以便确定哪些线属于同一个地层，确定后再对剖面上的线进行拾取。拾取完成后，要设置每一条线所属的地层，以便后面生成地层时进行识别。同样，可以完成在剖面上增加一个地层线的功能，增加地层线时要根据专家的意见，合理增加，以便合理的控制地层的形态。由于剖面图是在平面上绘制的，这样就会有一定的误差，表现在导入的剖面上，相同的地层线不能吻合，这样就会对生成的地层产生影响，需要进行一定的编辑。系统按照需要提供了这样的功能，首先在树上选中一条地层线节点，并选择编辑地层线功能，便可以完成对地层线的编辑操作。如图5—95。
图5—94 拾取断层线
图5—95 拾取地层线
（二）导入钻孔数据
钻孔数据主要包括钻孔各地层深度、岩性、所属时代等与地质结构相关的内容。钻孔数量有240多个，主要分布在黑河流域平原区。钻孔数据已装订成册记录，为符合建模数据的要求，把钻孔全部录入到地下水资源数据系统Access数据库Gwexplore中。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，因此，要对钻井数据进行充分利用。我们实现了对断层钻点、地层钻点以及透镜体钻点的加载和编辑功能。
1.导入钻孔数据
导入钻孔数据时，首先切换到钻孔模型树下，选中“钻孔集”根节点，然后选择将导入的钻孔数据文件，连接数据库。完成了数据库的连接之后，用户可以选择导入所有钻孔或单个钻孔信息，这样就将钻孔信息加载到了工区中。同样，用户也可以选择断开与钻孔数据源的连接。如图5—96。
图5—96 导入钻孔
2.编辑钻孔数据
导入了钻孔信息后，用户可以对钻孔进行一些编辑操作。首先在屏幕上选择一个钻孔，如果该钻孔信息不符合实际情况，点击右键将该钻孔删除。
导入了钻孔数据后，选择一个钻孔，用户便可以在该钻孔上添加钻点信息，并设置该钻点所属地质元素类型，即断层、地层或透镜体，并且制定所属地质元素的名称，如图5-97，创建了一个钻点，并指定该钻点信息属于地层“第四含水层”。创建的钻点将严格控制地质元素的生成。
图5—97 创建一个地层钻点
（三）地表建模
1.地表的生成
生成地表的主要数据是地表离散点数据，地表离散点数据由ARCINFO格式数据转换而来。组成等高线的平面线段与它的高程值一一对应，这样，就有了地表的三维坐标集。系统输入时，读入组成等值线的各个点，即读入各个线段的点，结合线段所对应的高程值，就形成了生成模型所需的离散点，系统使用这些离散点进行插值，生成地表。由于数据较多，这样离散点的密度也大，以MAPGIS明码文件存放的数据容量达到150多兆，如果把这些数据都输入到系统中，插值生成地表面，那么生成地表面的小三角形数量将会相当大，占用过多的计算机资源，对后续模型的构建影响很大。同时，生成地表面时速度慢，效果不理想。因此就需要对这些离散点进行抽稀处理。抽稀的效果是减少等值线上的点的数量，由于等值线上有大量的点存在，按比值抽稀不会对它的精度造成影响。抽稀后，生成模型所需的离散点密度降低，离散点的数量减少，系统生成地表面时速度加快，地表面的平滑度提高。对于地表面的一些坏点，如高程值过高或过低的点，即高程高于地表最高点，或高程低于地表最低点的高程，这些点是由于误差或数据转换时造成的，使用这样的点插值，就会造成地表面的起伏变化剧烈，地表面粗糟不平，影响地表面的光滑度。因此，对于这样的点需要在输入系统时进行剔除处理，即在系统输入模块中，采用门槛值进行限制，过高或过低的点剔除，不让其参与建模。
将处理后的离散点数据导入到工区中作为控制点，采用DSI插值技术生成三角网，用这个三角网来描述地表的形态。
2.加载地表信息
（1）地理信息数据。地理信息数据包括河流、铁路、公路、湖泊、城市等点、线、面图元信息，这些信息对于增强三维可视化模型的内涵、增强模型的展示效果具有积极的作用。每项地理信息数据读入后，采用OpenGL技术来实现这些图元在三维模型中的显示状态，同时给出对应的属性信息内容。但建模系统目前不做GIS方面的分析功能，留待后续开发时进行功能增强。
（2）遥感影像图片。地表网格剖分完成以后，系统采用OpenGL的纹理映射技术，将卫星影像贴到地表，这样使整个模型看起来更加真实，效果更好。为减少内存占用量，卫星影像在保证可视化分辨率的前提下，转变为位图图像格式（.bmp）读入。
为了使遥感影像图片与生成的地表网格贴合得很好，位置更准确，系统采用三点坐标定位的方法对图片进行校正。校正的方法是从图片上选取三点，确保这三点不在同一条直线上，将它们分别记作P1、P2和P3，用户要知道这三点的真实坐标值，为此可以选那些具有标识性的地理位置点。我们设图片贴到地表上时这三点的坐标为Old_P1、Old_P2和Old_P3，而输入的真实坐标为New_P1、New_P2和New_P3，依据最小二乘原理可以得到一个变换矩阵M。
用矩阵M对图片的四个顶点进行变换，即可以得到校正后的图片。图5—98是加载了地理信息和遥感影像图片的地表。
图5—98 加载信息后的地表形态
3.网格大小的确定
模型所建的地质体如地表、地层、断层和透镜体等都是由网格相连构成面，面相包而组成体。构成模型的最小单位是小三角形，三角形的数量多少对模型的精度、系统运转的快慢有直接的影响。
一般来说，生成模型的三角形网格过大，则模型面比较粗糙，模型不精细，甚至不能表现面的形态特征，网格过小，则网格的密度大，对这些三角形运算需占用大量的系统资源，使计算机处理的数据量剧增，从而使机器运行速度慢，如果离散点数据量过多或过少，则会使模型面较复杂，不能表现模型面的总体特征。因此，在构建模型时，需要选择合适的网格大小。
经过实践，地表的网格大小选用50～200m的格网间距较好，机器速度和表面光滑度能达到协调统一。一般在模型初建中，选用200m的格网间距，机器速度快，如果需要对建模区域进行分割，如黑河流域模型，则在小盆地模型构建完成后，选用50m格网间距进行地表面生成，使地表面比较精细。
地层和断层由于使用剖面图上的线段进行建模，系统会自动在这些线段上加密离散点，选用100～200m的格网间距，对地层和断层的生成影响不大，精细度也符合要求。透镜体由于其面积小，对精度要求适中，因此网格大小选用50～100m的格网间距即可满足需要。
对于栅格数据，如遥感影像图片，其空间分辨率可根据模型显示的精度调整像素的大小。一般100～300dpi 即可。可根据需要把精细的具有800多兆的遥感影像图片生成BMP、JPG等图形格式，达到保证像素精度和减少内存占用量的需要。
（四）断面建模
1.断面的生成
在断面建模之前，要先导入剖面图和钻孔以及断层线等信息。根据导入的剖面图、断层线和钻孔信息，来生成模型的断层。生成断层有两种方式，即根据剖面上的断层剖面线和根据离散点数据生成。
将剖面导入三维建模软件系统之后，对剖面上的断层线进行分析，选定属于相同断层的剖面断层线，然后进行剖分、插值生成断层。如图5—99所示。
图5—99 根据剖面上的断层线生成断层
通过导入的离散点也可以生成断层，或者在钻孔导入三维建模软件系统之后，通过在孔轨迹上指定断层上的钻点，然后通过剖分、插值生成断层。如图5—100所示。
图5—100 根据离散点生成断层
2.断面的编辑
断层生成之后，根据需要可以编辑断层边界和使用控制点编辑断层，改变断层面的形状，还可以通过修改属性框中的内容来编辑断层的属性等。如图5—101所示。
图5—101 根据离散点生成断层
对地质体中的信息进行修改是重要的功能之一。课题组地质体模型的数据结构中，输入可以是点集合和折线集合，但是折线集合也被示为有序点的集合。所以，对于点的编辑和修改是所有编辑和修改的基础。由于一般图形平台中很难解决计算机图形学中的一个基本问题即“坐标变换”的深度问题，所以只能依赖于生成的三角网格面，实现沿着面和垂直面两个方向的空间点的“位置坐标”编辑，即标量编辑。采用标量编辑，解决了“坐标变换”的深度问题，实现了不依赖于三角网格面的空间点编辑。
此外，还采用了“三维空间矢量点”的编辑功能。“三维空间矢量点”是指工区种的三维点不仅含有“位置坐标”的概念，还赋予每个点一个“方向矢量”。这样，很容易对空间点进行方向上的编辑功能，我们称谓“三维空间矢量点编辑”。本系统中多处采用了这种编辑功能，例如断面上控制点的编辑、地层上控制点的编辑、光源矢量的编辑等。光源矢量的编辑效果如图5-102所示。
图5—102 光源矢量编辑功能
3.定义断面关系
在建模时，对于工区中相交的两个断层，需要确认它们的相交关系，即哪一个是主切面，哪一个是被切面。通过定义它们的关系，实现主断层面剪切辅断层面的功能。在定义主断层面时，一般选择相对较高且长度大于被切断层面在其上的投影面的断层面，这样选择的要求可使系统较快地构建断面网格。
断层主辅关系定义之后，选择“更新断层”功能，生成切割后的断层。图5—103所示为定义断层关系之后重新生成的断层效果。
图5—103 定义断层关系
（五）地层面建模
1.地层面的主要内容
三维地质构造模型中的地层，是由地层中的若干图元和图元集合组成，包括：
（1）地层顶面：是由已知的地层数据离散点拟和出的地质曲面。
（2）地层离散点集合：是地层等值线上的离散点。
（3）地层井点集合：是钻井钻探到的地层顶面上的井分位点。
（4）地层控制点集合：是用户在建模过程中手工可以添加到模型中的点，这些点在地层生成过程中会对地层形态起约束作用，用户可以通过编辑这些点，来改变地层的形态。
（5）地层上的断层线集合：是地层顶面被各个断层切割出的断层线的集合。
（6）地层等值线集合：是按照地层顶面深度在地层顶面上画出的等值线集合。
（7）地层断块：是地层被断层切割撕裂后形成的有顶有底有围边的封闭地质体。
我们建模时就是要根据这些数据来具体构建地层面。地层与地层之间可以相交，这导致地层形态变得复杂。有时某个地层会在与其他地层相交处缺失，从而出现所谓尖灭、侵入体和透镜体的现象。下面我们将具体针对每一种地层现象具体讨论其建模方法。
2.层状地层
层状地层是地层形态中最简单的一种，既没有裂口、也不与其他地层切割，仅是一个单独的曲面。在这种情况下可以使用简单的剖分与插值算法来构造地层面。具体来讲，就是经过简单的三角剖分得到其三角网格，然后从已有离散点数据及剖面中的地层线数据中提取到离散点集合，以此作为依据对三角网格中的每个顶点进行插值，得到具有起伏形态的地层面。这里我们采用的生成连续曲面的方式是通过将平面细化为网格后，将三角网格的顶点插值生成曲面。曲面的光滑和精细程度由网格的密度决定。
根据如上的特点设计了复合法表示曲面的形式，即以矩形网格作为计算曲面，以三角网格作为显示曲面，由两种网格协作，共同表示连续曲面。矩形网格和三角网格表示同一个曲面，矩形网格用于查询计算，表示的曲面比实际曲面要大，因为只作为背景网格不参与显示，不关心曲面的边界。
3.透镜体状地层建模
透镜体的生成有两种方式，即根据导入的物探等值线数据生成透镜体，也可以根据剖面上的透镜体线图元生成透镜体。透镜体顶面生成后，需要编辑透镜体尖灭线改变透镜体的大小，使用控制点调整透镜体形态，可以通过修改属性框来编辑透镜体的属性、提取透镜体表面等值线图等功能。
（1）生成透镜体顶面。生成透镜体首先需要生成透镜体顶面，根据导入的等值线离散点数据进行离散点化处理，然后进行限定剖分和插值或者剖面线图元可以生成透镜体顶面。如图5—104所示为通过在剖面上选择剖面线图元生成透镜体顶面。
（2）定义透镜体尖灭线。透镜体顶面生成之后根据实际的数据信息，可以定义透镜体的大小。通过在顶面上定义透镜体尖灭线来设置透镜体的大小。如图5—105所示：
（3）生成透镜体。透镜体尖灭线定义之后，可以生成透镜体。对生成的透镜体可以通过属性框来设置其属性信息，包括其显示方式、颜色、图元大小等与可视化显示及参数有关的属性项。图5—106所示为生成的透镜体。
（4）透镜体的编辑。系统自动生成的透镜体，有时不可能完全准确地表达实际的形态特征，需要对其上顶面或下底面添加控制点加以调整，通过人为的方式改变控制点的空间位置。重新生成透镜体，让控制点参与透镜体上下面的重新生成，则可以较好地改变透镜体的局部形态。
图5—104 生成透镜体顶面
图5—105 定义透镜体尖灭线
图5—106 生成的透镜体
具体的操作是打开地质模型树窗口内的需要编辑的透镜体上、下面的“控制点集合”节点，然后选择主菜单“透镜体”下的“编辑控制点”功能项，通过鼠标在透镜体面需要调整的位置添加控制点，然后对添加的控制点进行编辑，重新生成透镜体，透镜体的形态即发生更改。
（5）透镜体顶底面等值线的提取。透镜体生成后，可以提取它的顶面和底面的等值线。
操作时，选定要提取等值线的透镜体上面或下面树节点下的“等值线集”项，选择主菜单“透镜体”下的“生成等值线”菜单项，即可提取该面的等值线。等值线的间距、标注高程、间隔、等值线颜色由技术人员在属性框中自己定义。
4.侵入体状地层建模
若两个地层出现侵入体现象，则会在其中一个层面上出现闭合的“洞”，我们的剖分算法可以处理这样的情形。
在地下水地质结构中，存在着很多侵入岩的地质结构，是由于深部岩浆向上运移，侵入围岩而未到达地表所形成的蘑菇状、脉状等形态岩体，对这类地质体，建模时需具体分析，具体对待。但有相同一点，它们都可看作是非层状模型，当作一个小的子地质体，对这个子地质体进行建模，然后读入总模型中，即可实现模型的整体显示。地质体的建模将在下一节具体介绍。
5.地层的编辑
地层面生成后，根据实际需要编辑地层上的控制点来局部改变地层面的形状，还可以通过修改属性框内容来编辑地层面的属性。
地层面生成后，不可能完全准确地表达地层的凸凹起伏状态，需要添加地层控制点加以调整，用人工拖动的方式改变控制点的位置，之后，让控制点参与地层面的重新生成，可以较好地改变地层面的局部形态。如图5—107所示。（a）图中使用了“三维空间矢量点编辑”功能。
图5—107 地层面编辑
6.定义地层间关系
地层面在与断层相交之后，地层在和断层相交的地方要发生移动，形成断裂的地层。断裂地层的生成可以通过自动生成和人工设置两种方式实现。自动生成是三维建模软件系统根据断层两侧的地层离散点空间分布自动计算出两侧的变形量，图5—108即为自动生成的断裂地层：
图5—108 自动生成撕裂的地层
人工设置是通过人为设定断层的断距大小和变形方向生成断裂的地层。图5—109所示为人工设置生成断裂的地层。
图5—109 人工生成断裂的地层
7.生成地层等值线
地层面生成后，三维建模软件系统可绘制用户指定含水层顶面/底面的等值线，此功能可以有效地解决等值线跨越断层的问题，绘制等值线结果可以以用户认可的形式提交给用户。该功能对于工程应用是一项很实用的功能。
对指定的地层选择“生成等值线”功能项，即可提取该地层的等值线。等值线的间距、标注间隔、等值线颜色由技术人员在属性框中自己定义。如图5—110所示。
（六）地质体建模
本算法是在已知地层面和断层面的情况下，采取变形场的方法来构造地质体。根据变形场建模的思想，所有的地质元素都是在逐步断裂的情况下，形变达到当前的形态的，所以地质体的围边也是由初始的形态变形而成的。初始状态的地层与断层面相交形成的围边具有形状简单的特点，一般情况只有四个拐点，初始地层面的围边易于求解，所以可以采用通常的方法求得初始地层的围边，然后将变形场逐级作用于初始围边，就可以得到当前状态下地层体的围边了。生成地层的具体算法如下：
图5—110 地层面等值线提取
（1）首先构建地层初始网格，及地层的初始外围边网格；
（2）按断裂顺序找到当前断裂的断面，直至地层没有新裂口为止；
（3）复制一份断层网格记为A，用地层裁剪断层网格A分为若干地层围边，分层后的断层网格被复制两份，一份是断层左侧地层裂口的内围边，一份是断层右侧地层裂口的内围边；
（4）将该断层的变形场作用到地层上及其围边上，地层的表面网格发生形变，围边网格发生变形；
（5）按步骤（2），（3），（4）作用于地层面即可得到地层的体网格。
虽然在这个过程中地层和断层有求交的操作，但这种操作可以保证是在连续地层面和断面之间的求交，所以稳定性高，初始地层面的易于求交简单。图5—111至5—118为华北平原的地质体模型。
（七）三维可视化方法
1.生成剖面图
我们首先切换到地质模型树下，展开三维模型根节点，选中剖面集节点，也可以在剖面编辑菜单里面选择增加剖面选项，然后在三维图中画出剖面线，点击右键即可完成。我们也可以直接读取现有的剖面文件。
下面我们可以对剖面的属性进行编辑，如对剖面线的坐标的修改。先选中一个剖面，可以选择“剖面编辑”里面的“增加断层线”来建立断层线，我们也可以选取现已有的断层线，可以在属性框里对其属性进行修改。同样也可以在“剖面编辑”的菜单里选择增加地层线或增加透镜体线来建立地层线或透镜体线。图5—119为单面的三维剖面图。
模型还可以生成栅状的剖面形态图，如图5—120。
图5—111 华北平原三维地质模型图（贴有地表卫星图片）
图5—112 华北平原三维地质模型（岩性设置）
图5—113 华北平原三维地质模型图
图5—114 渤海水体模型
图5—115 第一含水层组模型
图5—116 第二含水层组模型
图5—117 第三含水层组模型
图5—118 第四含水层组模型
图5—119 三维地质模型剖切面图
图5—120 栅状剖面图
2.生成剖切面
因为在没有计算机图形学的辅助之前，地质专家和地质工作者，就是通过二维的剖切面图来分析地质构造。现在，有了计算机三维建模，目的在于帮助他们建立三维空间想象能力，从而实现从二维平面图到三维地质体模型的过度。本模型使用的是基于Delaunay三角网格的剖切面（前文有介绍）。
下面主要是对地质体进行单面剖切，组合剖切和挖掘等功能。
图5—121 剖切面的属性框
（1）单面剖切。首先我们选择“可视化”中的“添加单面剖切面”，然后在三维图中用鼠标进行剖面线的绘制，点击右键即可完成。我们先做一个截面，被剖切的地质体根据截面的法向矢量与截面的两侧部分的法向矢量的夹角分为两部分（正侧与负侧）。模型默认显示的一侧是与截面的法向矢量夹角小于90度角（正侧）的。可以在剖切面的属性框里图5—121所示，进行切换剖切面对另一侧进行观察。
如图5—122为一个单面剖切的效果图：
图5—122 单面剖切面效果
（2）组合剖切。首先我们选择“可视化”中的“添加组合剖切面”，然后在三维图中用鼠标进行剖面线的绘制，点击右键即可完成。
组合剖切（多面剖切）是在单面剖切的基础上进行改进。我们先定义一个多截面的集合（本模型最多可以定义六个面）。首先可以根据截面集合中的第一个截面进行单面的剖切，储存下来然后使第一个剖切面失效，再进行第二个截面的剖切，储存下来后使其实效，同样可以依次类推，直到所以截面都剖切完以后，再使前面几个剖切面同时生效，这样就可以生成一个组合剖切面。
当然和单面剖切一样可以在属性框里进行剖切面的切换来观察另一侧。
如图5—123为一个组合剖切应用效果图：
图5—123 组合剖切面效果
3.生成挖掘体
首先我们选择“可视化”中的“添加挖掘体”，然后在三维图中用鼠标进行多边行剖面线的绘制，点击右键即可完成。
挖掘剖切是组合剖切的一个特殊的应用，挖掘本身为一个封闭的多面剖切。
图5—124为一个挖掘应用效果图：
图5—124 棱柱挖掘效果图
三维建模的基本流程
三维建模基本流程步骤如下：
1，打开CAD，然后在下面找到“切换工作区”选项。单击此选项可在其子菜单中找到3D建模选项。
2，单击3D建模选项后，您将进入3D操作界面。
3，在3D界面中找到视觉样式选项。单击此选项可在其子菜单中找到着色选项，如图所示。
4，单击颜色，然后在下面找到3D导航选项。单击此选项可找到东南等距侧面选项。
5，单击东南等轴测面选项，进入3D工作区。
6，在3D模式菜单中找到box选项。单击此选项可在其下拉菜单中找到金字塔选项。
7，选择金字塔选项以在3D空间中创建金字塔以创建3D多面体。
