三维地质建模与GIS的结合研究

李芳玉

(中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249)

三维地质建模与GIS的结合研究

李芳玉

(中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249)

三维地质建模与GIS应用目的不同,由此决定了它们研究重点不同,这二者的相互结合能促进双方的共同发展,但目前对此还缺乏较系统的研究。这里在对三维地质建模和G IS功能进行比较分析的基础上,指出了二者相结合的意义,提出了二者相结合的途径并分析了各自的优缺点,最后对二者相结合的发展趋势进行了展望。

三维GIS;三维地质建模;结合

0 前言

GIS(Geographic Info rm ation System)是1963年由加拿大测量学家R.Tom lison首先提出来的,它是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统,该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示,以便解决复杂的规划和管理问题。经过四十多年的发展,GIS已经广泛应用于资源、环境、城市、交通等各行各业中。三维地质建模(Three D im ension Geo logicalM odeling)这一概念最早由加拿大的学者SimonW.Houd ling于1993年提出,它是一项运用计算机技术,在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质分析的技术。它是随着地球空间信息技术的不断发展而发展起来的,由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科[1],由此可见,G IS与三维地质建模有着密切的关系。三维地质建模的产生和发展离不开GIS的发展,三维地质建模可以看成三维GIS在地质这个特定领域中的应用[2],反过来,三维地质建模的发展可以促进三维GIS的发展,但是二者的应用目的和应用背景的差异决定了二者研究的重点不同。如何将二者进行有机地结合并促进相互地发展,是一个重要的研究问题,目前对此还缺乏全面系统的研究。本文在对三维地质建模和三维G IS的功能进行比较研究的基础上,对它们之间功能相互融合的意义进行了全方位的分析,总结了三维地质建模与GIS相结合的途径,并分析了各自的优缺点,最后对三维地质信息系统的发展进行了展望。

1 三维地质建模与三维G IS分析比较

1.1 三维地质建模概述

三维地质建模主要应用于石油、矿山等领域,在功能上主要可分为二大部份,即构造建模和属性建模。

(1)构造建模主要是指建立地质层面的三维模型,如:地层面、断层面等。通常的思路是根据离散的点数据生成三维的面或由点生成线,再由线生成面。具体的方法有空间曲面插值拟合、不规则三角网的生成等。目前对简单的地质体模型一般的建模软件能较好的实现,而对复杂地质体的建模方法还有待进一步的研究[3～5]。

(2)属性建模是指建立储层属性参数,如孔隙度、渗透率、含油饱和度等的三维空间分布模型。实际上是根据井点已知的属性数据,进行插值预测井间的属性分布。

具体的建模方法总的可分为确定性建模方法和随机建模方法,由于储层属性参数存在着不确定性,所以通常采用随机建模和确定性建模相结合的方法[6]。

1.2 三维GIS特点分析

三维GIS的应用领域主要有城市、矿山、石油、管网、环境、军事等,不同应用领域描述的地理实体不同。这些地理实体有地面的,也有地下的,它们的特点也不同。例如三维城市模拟的建筑物以及三维管网描述的管道往往是小尺度的,形状比较规则,自身一般是封闭的,并且内部可为空;而石油、地质等领域描述的地质体往往是大尺度的,形状比较复杂,有断层、褶皱等,地质体内部属性具有非均质性和多样性的特点[7]。正因为如此,三维GIS目前并无通用的商用平台出现,而主要出现在专业应用领域,有些商用GIS软件的三维功能也主要局限在三维表面,并非真三维。三维G IS的研究内容主要有三维数据模型、三维空间查询、三维空间分析、三维空间数据库、三维可视化等。

1.3 3DGIS与3DGM软件功能比较分析

由于3DGIS和3DGM产生的背景和应用的目的不同,就决定了它们实现的功能侧重点不同。在表1中对它们的功能进行了比较分析。从对比中可以看出,3DG IS的优点体现在数据一体化管理和空间分析方面,而3D GM的优点体现在三维建模能力之上,这是由它们的实现技术所决定的。由于3D GIS是基于空间数据库的,所以它具有较强的空间数据管理和空间数据查询功能。3D GM中集成了大量的确定性建模和随机建模的技术,所以它具有很强的三维建模功能。

表1 3D GIS与3D GM功能比较Tab.1 3D GIS and 3D GM function comparison

2 三维地质建模与GIS的结合

2.1 二者相结合的意义分析

由于三维地质建模与三维GIS在功能上各有侧重点,而目前三维GIS主要应用在不同的专业应用领域,并无通用平台出现,并且也不适合开发通用平台。若能将GIS与三维地质建模有效地结合起来,充分利用各自的优点,必将促进三维G IS和三维地质建模的共同发展。我们既可将三维地质建模的功能融合到三维G IS中,也可将三维GIS功能融合到三维地质建模中。在三维GIS中融合三维地质建模的功能主要表现在以下几个方面:

(1)方便地建立三维地质构造模型。随着G IS应用越来越深入,矿石、石油、地质的很多相关部门都采用GIS来管理数据和制图,用户往往希望能直接在GIS中生成三维地质图。但目前的GIS软件一般只能建立三维地形或地层的表面模型,建立断层模型及真三维的地质模型的功能有限,其中一个重要的原因是目前还没有建立一个统一的三维数据模型。三维数据模型一直是G IS的一个研究热点和难点[8、9],而三维地质建模软件中已经有比较成熟的三维模型,不过这种三维模型一般没有考虑拓扑关系。如果将目前三维地质建模软件的三维模型移植到GIS软件当中,并根据特殊的应用,考虑是否加入拓扑关系,无疑会对三维GIS软件的发展起到重要的推动作用。

(2)建立三维属性模型。三维数据模型以及地质统计学,是建立在三维属性模型的基础上,目前有些G IS软件已经融入了地质统计学功能,如A rcG IS9.x,这为建立三维属性模型提供了基础。

在三维地质建模中融入GIS功能主要表现在以下几个方面:

(1)空间数据和属性数据的集成管理。在三维地质建模中涉及大量的原始数据,如钻井数据、断层数据、测井数据、地震数据、生产数据、试油数据等,这些数据大部份都是与空间位置相关的。在目前的三维地质建模软件中,这些数据往往分别以文件的形式存储,数据之间缺乏紧密的联系,并且无法有效地进行管理。GIS能将空间数据和属性数据以空间数据库的形式进行集成化管理,从而便于数据的维护、更新和查询。在三维地质建模中引入空间数据库,无疑会大大提高对原始数据的管理能力。

(2)三维空间查询。在目前的三维地质建模软件中,能通过简单的空间选择查询属性数据,但不能完成由属性数据查询空间数据、属性和空间关系的组合查询。例如通过输入井名,查看井在研究区所处的位置,研究区往往有几十到几百口井,通过这样的查询可以大大提高工作效率。例如在三维地质建模中往往需要类似这样的查询:哪些井通过某条断层,哪些井钻穿了某个地层,距离某条断层500m范围的井有哪些等。在三维地质建模中融入这样的三维查询功能,无疑会提高工作效率和空间分析的功能[10～12]。

(3)多种信息的综合分析。在三维地质建模中由于钻井资料的限制,工作人员往往很难拟合出准确可靠的变差函数,这时必须借助其它的辅助信息来确定变程和方向,G IS能将各种数据和信息集成到一起,包括不能直接被地质统计方法直接利用的信息,通过这些辅助信息指导模型的建立[13]。

2.2 结合模式剖析

三维地质建模与GIS结合的形式,可以归纳为三种:松散结合,紧密结合以及完全融合。

(1)松散结合就是将G IS软件作为三维数据的采集、预处理及建立拓扑关系的工具,G IS软件与建模软件之间通过文件交换的方式建立联系,它们拥有各自不同的用户界面。有学者[3、4]用这种方式进行复杂地质体建模之前的数据预处理。采用这种方式的优点,是可以根据需要对GIS软件进行二次开发或直接利用GIS软件已有的功能。缺点是无法进行真三维的空间查询,因为目前还没有真三维的通用GIS平台出现,这里的GIS软件仍然是二维的。

(2)紧密结合的方式与松散结合方式的区别是只有一个用户界面,紧密结合的方式有二种:①一种是对三维地质建模软件进行二次开发,在三维地质建模软件中融入GIS特有的功能。国外有学者[11、12]研究在GOCAD软件之上建立三维空间查询系统,并应用到固体矿产的勘探中。这种方式的优点是能充分利用三维地质建模软件本身所具有的强大建模功能,缺点是目前这些三维地质建模软件二次开发功能有限,主要是利用动态链接库或应用程序接口的方式,以插件的形式对原三维地质建模软件进行扩展;②另一种方式是对GIS软件进行二次开发,使之实现三维地质建模功能[14],这种方式的优点是可以充分利用GIS软件强大的基于组件的二次开发功能,缺点是目前的GIS软件一般仅仅具有强大的三维表面建模和分析功能,真三维建模和分析功能依然有限,这使得二次开发工作量很大,并且功能实现也有限。

(3)完全融合的方式就是三维地质建模与三维GIS的技术完全融合到一起,形成一套完整的三维地质信息系统。这种三维地质信息系统应具备的基本功能有:①三维数据的采集;②三维数据的编辑;③三维地质建模;④三维空间查询等。这种方式需要完全从底层进行开发,需要花费较大的人力和物力,开发周期长,并且目前还有很多技术难点没有解决。

3 结论与展望

通过以上对三维地质建模与三维GIS相结合的意义和模式的分析,考虑到完全融入还存在一定的技术难度,目前适合采用紧密结合的方式,这种方式能保证充分利用它们各自的优点。但随着相关技术的进一步发展,完全融合是发展的必然趋势。

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P 208;TP 391

A

1001—1749(2011)01—0097—04

国家自然科学基金资助项目(40672095)

2010-08-09 改回日期:2010-11-05

李芳玉(1973-),女,博士,讲师,研究方向为三维地理信息系统与三维地质建模。