从二D纸质感质图到3D地质模型 地质音信表明三大突破

杜昊宇

1 引言

二D地质图是依照同1平面坐标参照系,按自然的比例尺将工作区内的各个地质体(地层、岩体、矿体等)及地质现象(断层、褶皱等)的分布及其相互关系,垂直投影到同1档次面上,用以反映区本省壳表层的地质特点。从1815年由英帝国地质学家William
Smith编辑的社会风气上先是幅描述英格兰、威尔士与英格兰的地质结构及地层关系的地质图出版起,由于手艺的限制,2D纸材料质图一向是地质消息的严重性表现情势。不仅是商讨的基础,更是为社会与经济进步服务的基本点内容。随着IT的升高,特别是Computer技艺、计算机帮衬制图(CAD)技能、GIS手艺及3D地质建立模型技巧的前进,地质消息的宣布落成了从2D纸质感质图、数字地形图、地质图空间数据库+数字地质图到3D地质模型的三回重大突破。

2 从纸材料质图到数字地质图是地质音信表达形式的首先次突破

上个世纪70时代数字制图手艺已跻身了实用阶段,英国地质考察局BGS1九七二年就动用Computer扶助的艺术出版了第二幅多彩地图(图一)(姜作勤,1996)。德意志地球科学与能源斟酌院BG宝马X31977年购入了德意志联邦共和国ATiguanISTO公司生产的CD400机动制图系统,开始利用Computer帮助的方法编写制定与出版地质图。美利坚联邦合众国地质调查所经过几年的预备,于197柒年标准启幕全国数字制图数据库的建设办事。80年份开始,不仅发达国家,包蕴发展中夏族民共和国家如希腊共和国(Ελληνική Δημοκρατία)、泰王国等都在不一样程度上选择数字制图工夫生产地球科学图件(姜作勤,一九九1)。90时期中叶开端,在发达国家,数字制图那种新的劳作措施不但纳入了地图的生产流程,且发轫占统治地位(姜作勤,一九九九a)。U.S.地质考察局USGS在19九伍年向国际单位制图组织提交的国家报告(TerryA. Slocum,
 19玖五)建议,在被考察的单位中,尽管声称仍有十分的大的比重使用古板手工业形式举行绘图的单位中,其比重也已低于二分一,那就意味着,数字制图技能已在地图的生育中据有了统治地位,正在从根本上更改守旧的绘图格局。

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图一 世界上首先幅地图

CAD技能的支出与成功利用使数字地形图应运而生。这种以Computer可读的款式储存的地形图与历史观手工格局相比较,大大减弱了绘图工序、减少了地质图出版周期,不仅下降本钱,进步了作用,且便于修编与共享,可依照须要随时生成纸质图件。能够说那是地质信息表达格局的率先次突破。

三 地质图空间数据库+数字地质图是地质音信表达方式的首次突破

源点于上个世纪60年份,80年份中期初叶在地学领域渐渐获得普遍应用的GIS技术具有综合管理、集成与分析地质、地球物理、地球化学及遥感等多元地球科学音信的力量。U.S.、加拿大与澳洲等发达国家的地质调查部门自80年份中叶先后初阶的新一代地质填图,其基本是选用多学科填图的情势,应用GIS与CAD本事建立地质图空间数据库,生产数字地形图(姜作勤,199九b)。地质图空间数据库成为地质图和地质报告的配套产品,共同组成地质调查的正儿8经产出,地质图空间数据库成为地质音讯的最首要表现格局(图二)。

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图 2 地质图空间数据库+数字地形图

听新闻说GIS的地质图空间数据库除了与数字地质图1律,选用统壹的坐标参照系,将地质实体与风貌抽象为点、线与面几何成分,用以表达地质体之间的任务与几何样子外,还保有下列特征:

(一) 用拓扑关系表述地质体之间的附近、组成、压盖、包涵等空间关系;

(贰)
设计合理的数据模型描述与仓库储存专题属性。这一个属性不仅包含地质图中的新闻,还包蕴地质报告中有关地层、构造与岩性等与应用有关的的基本点专题属性;

(3)采取音信分类编码技艺,对专题属性消息的语义举行正式。对全数隶属关系的习性如地层等应用层次编码的法子开始展览编码,提升查询检索的频率。那些特色构成了地质图空间数据库与数字地质图最实质的差距。

由于建立了空间数据库,在GIS及遵照GIS开采的种种分析处理软件的支撑下,就可知因而各样空间、属性或空中与天性的组成检索,实现对工商业自由贸易区域(如图幅、行政区划、商量区等)的上空和属性消息的管事提取,达成八种空中分析,包蕴地形分析、叠置分析、缓冲区分析、互联网分析、总结与上空计算分析等,帮忙丰盛利用已有音信,举办离线或在线的编图,举办计算机协助矿产、能源与水的财富评价、工程牢固性评价、土地适用性评价、地质条件评价、地震患难危机评价、防治与减灾以及能源管理等。地质图空间数据库的确立,不仅大大进步了地质图音讯使用的灵活度与频率,而且为多元地球科学音信的概括分析奠定了基础。从数字地质图到地质图空间数据库+数字地形图固然间隔时间相当的短,但却事关地质新闻表明观念的生成,能够说是地质音讯表明的第壹次突破。

4 3D地质模型是地质新闻表明方式的第三回突破

四.一 3D地质模型及其优越性

3D地质模型是将3D空间坐标(x, y,
z)作为单身参数来对地质空间对象举办几何与性情建立模型。接纳面建立模型才能建立的3D实人体模型型描述地质体的总体造型与质量,日常用于建立地质框架模型;采取体元建立模型能力建立的3D地质模型能够将地质体的自由物物理和化学学特征存款和储蓄在差别尺寸的规则或非规则的体元中,描述地质体内部这几个特点的扭转与遍布。

与二D地质图比较,3D地质模型具有如下优势:

(1)
还地质以原始。选拔3D建立模型技能,建立真3D地质模型,表明地层、构造、岩石等地质体的空间地点、几何样子以及地质体之间的上空或空中与时光的关联;

(二)
直观易懂。不仅可实用发挥规范职员的地质知识,而且大大进步了非专业用户对地质知识的精通本事。如何使用户知道地质知识,抓实与用户的调换沟通一向是干扰专业人士的难点。很多暧昧的非专业用户及领导,他们不会解释基本的地质数据、不会评价不1解释的高低、不会有别理论与真情,他们须求结论,而不是多少,即以可见晓的款型表明的新闻。3D模型便是壹种相比较易于精通的音讯表达方式;

(三)
3D地质模型是依据Computer种类的模子,因而是动态的。可从随机角度观望地质体及其互相关系、可在任选方向对3D模型进行剖切生成对应的切面图;由于建立了数据库,在察看的同时,可兆示其天性,可选择某一类地质实体举办单独展现、也可进展分离爆炸式显示,便于观望,那是2D数字地质体不可比拟的;

(肆)
除表明地质体的几何样子与彼此的空中关系外,3D地质模型就能够描述地质体的欧洲经济共同体质量,又可讲述地质体内各类物理个性的改动与遍布。通过与各样数据解析评价及数字模拟软件集成,3D地质模型就可以用于油气与地球热能等财富的褒贬,矿产财富勘察与潜力评价、地下水财富评价、地下水污染的运移与评论、地质灾祸评价以及工程牢固性评价等。

四.二 3D地质建立模型的前进

地质学以地球为机要斟酌对象,其本质就是多维的,自从有了地质工作,专家们就径直寻求表明3D地质消息的情势。1八一5年威尔iam
Smith在编辑出版第叁幅地图时,同时出版了该区域的回顾剖面图用以表明3D地质消息。

英美等国上个世纪20年份初步商量,在70年份大大加强的疙瘩单元填图(stack-unit
mapping)方法生成的块状单元图使用标记、颜色或花纹对纵深开始展览编码,在确定水平上完结了对3D地质新闻的宣布(RichardC. Berg and 大卫 大切诺基. Soller, 二零零七)。

其余,线框图、栅状图、2D数字地形图与DEM数据整合二.五D地形图等都是在真3D地质模型出现在此以前对3D新闻的某种程度的抒发(图叁)(J.
Nicolas Van Driel, 一9九零)。

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图3 真3D地质模型出现以前对3D地质消息的发挥 (a)剖面图;b 块状单元图;c
栅状图;d 二.五D地图

3D地质(地球科学)建立模型的钻研从上个世纪80年间中叶开端。随着GIS在二D编图与分析方面获得一点都非常的大的实行,人们发轫将商讨开垦的专注力转向在八个领域规划开采3D地球科学编图与建立模型系统(Raper
J., 1玖捌6),并有多篇故事集解说地质界对3D建立模型系统的功力供给(特纳,A.
K.,1玖九一)。1983-89年,德意志推行了三个题为“Digital 吉优scientific
Mapping”的科学普及的钻研项目,有二四个切磋集体参预,3D数据的可视化与治本列入钻探内容(Vinken,一九玖零)

直到一九九〇-1玖8柒年,今世Computer工作站的升高使Computer的积存与图片本事大幅提升,十分的大程度上打败了3D地球科学建立模型的重点障碍,包蕴存款和储蓄设备太贵、处理速度太慢、显示的分辨率太低,生成有价值的显得的资金太高等,开端出现了商业化的3D地球科学建立模型系统(特纳,
A.K., (艾德.), 一玖9伍),3D地球科学建立模型的施用也随即现身;

美、英、加拿大、澳大罗兹联邦(Commonwealth of Australia)等发达国家的地质侦查机关于90年间先前时代先后起头了3D地质建立模型的切磋与使用研讨(GillNorton,1九玖9; Matile, G.L.D., Thorleifson, L.H., et al, 一九9七; 奥德赛S
Blewett, DL Huston & DC
Champion,2001)。经过几年的技艺准备与建立模型实践,加上Computer品质的快速增进以及3D可视化与建立模型才具的前进,使本来只可以在正儿8经图形工作站上运营的价格昂贵的3D建立模型系统能够在个体Computer上运营,从200伍年左右从头,各国GSO的3D地质建立模型进入了相比较便捷的升华阶段。

四.3
3D地质建立模型已列入GSO的各式发展计策或布署,应用于地球科学各类领域,一群区别规格的3D地质模型作为产品已在网上发表服务,地质音信的表明达成了第三回突破

2005年光景,以生产成品为目标3D地质建立模型开首列入各国GSO的进化计策、填图陈设及水能源、矿产、能源、环境与磨难等各类计划,包含BGS
2006-20十年的不利战术安排, USGS
2005-201壹的NC放线菌壮观素P布置,地质灾祸安顿;加拿大GSC的二零零六-2014地下水科学安排及2005-20拾年的TGI-三矿产财富计划,澳大莱切斯特联邦(Commonwealth of Australia)的国度填图布署及200三-200七的新原油安排、200陆-2011的财富安全安插(陆地和海域)及水资源计划等。

听他们说对由U.S.和加拿大地质组织自200一年至201三年共同设立的8届3D建立模型研究切磋会、201一年登载的《地质考察机构3D建立模型综述》(RichardC. Berg, 斯蒂芬 Mathers, 霍尔格 Kessler and 唐Nader A. Keefer,
201一)及2013年3四届国际地质大会资料的分析,3D地质建立模型已在基础地质研讨、水能源勘探与保险、财富的获得与仓库储存、土地使用与统筹、市政工程与基础设备、核废料处置与二氧化碳存款和储蓄、矿产财富评价、地质灾殃防灾减灾、考古发现、教育与宣传等重重世界获得了应用。

经过长年累月的着力,建立了一群国家、州(省)及1些商讨区等不等尺度的3D地质模型产品。

国家规范的3D地质模型产品首要不外乎BGS的LithFrame3D及国家地质模型第三品级成果-国家基岩3D交叉剖面栅状图;荷兰王国的1个国标化的地质框架模型;

州(省)层次的3D地质模型:澳大耶路撒冷联邦(Commonwealth of Australia)塔斯马尼亚州与维多利亚州的3D地质框架模型;加拿大曼尼托巴省的模型正在建设中;

一部分讨论区的3D模型:澳洲最首要成矿省及陆上和海域能源潜力大的所在的的3D地质模型以及地质魔难评估和海岸环境等几十一个3D模型;U.S.际结盟邦与州的地质考察部门建立的用于含水层评价、地质患难、冰川沉积的野鸡3D地质框架模型。加拿大的含水层模型评价的3D模型、阿尔伯达与安大约省的严重性区域地下水与第5纪地质模型等;德意志、法兰西共和国、荷兰王国、波兰共和国(The Republic of Poland)与丹麦王国等国的GSO建立的3D模型。

综述,3D地质模型已选拔于地球科学各样领域,一群不一致规格的3D地质模型作为产品已在网上发布服务,地质新闻的表达方式达成了继数字地形图、地质图空间数据库+数字地质图到3D地质模型的第二遍重大突破。正如BGS于2010年在其网址上刊载的驰念创造175周年的稿子中所说,从地质图到3D地质模型,终于达成了地质学家的愿意,那是出自BGS的重大突破(图肆)。

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图肆 一群3D地质模型已当做产品公布服务

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