三维地质建模的实际意义
要对地下水进行管理、规划，就必须查明水文地质条件，也就是要对地下水及其赋存的地质结构有清晰的认识。在水文地质领域中，研究对象都具有空间特征，地下水及其赋存介质埋藏于地面以下，对地下水运动规律只能依靠水文地质勘察资料和水位动态资料来揭示。而这些资料一般都是以平面图、剖面图及表格形式提供的，它们所反映的数据是离散的，有局限性的，在三维空间中研究这些数据时，其拓扑关系还难以考虑清楚；同时，由于地质空间分布的复杂性、模糊性与不确定性，在仅仅具有钻孔或少量的地质离散点信息的地区上，技术人员则很难得到直观有效的地质信息。也就是说，水文地质工作者必须对这些纷杂的数据信息进行仔细的分析理解，才能洞察研究对象的本质，获得对研究对象的认识和理解，但这是一个十分费时而繁琐的过程，对他们来说是一种沉重的负担。如果能将地下水及其赋存介质进行三维可视化表达，构建出其实体模型，则将有力地支持水文地质工作者对地下水运动规律的认识，同时，也为地下水的合理开采及其开采过程中的地质环境保护提供决策支持。基于以上认识，需要我们建立一种权威的、不断更新的、区域性的、具有传承性的地下水地质结构三维可视化模型，这个模型建立的初期可能是粗糙甚至是有错误的。但随着专业人员对地质结构认识的不断深化和勘探精度的提高，这个模型会逐渐准确直至完全正确。计算机技术发展到今天，已经为我们提供了建立这样真三维地质模型的技术条件。利用计算机图形学及可视化技术，可将二维抽象的地质信息以三维可视化的图形效果直观形象地表达出来，建立逼真的空间立体地质模型，并任意剖切地质体、对地质体进行三维交互信息查询等。这样可更高效地描述各种地质信息，如特定区域岩性，某一区域地层的厚度等；直观有效地表达各种地质现象间的拓扑关系，如地层的接触方式等，从而迅速提高专业技术人员对地质现象的认识，提高工作效率，发挥地质资料的最大价值。同时，在三维地质模型的建立中，还会生成一系列的三角网格数据，这为后续的地下水数值模拟奠定了基础。也就是说，三维地质建模还能将水文地质工作者从繁琐的网格剖分中解放出来。建立地下水三维地质可视化模型，不但减轻了水文地质工作者的任务，方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展，而且，这样的模型还能将专业领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式表现出来，它还将有助于不同领域间方便、正确地进行知识交流，有助于决策者做出正确判断。
三维地质模型建模元素
点。点是最简单的模型元素（图1.3）。点通常来源是一个三维地震解释系统，以现代勘查的规模，给定表面上所含道数以及由此产生的点通常多达百万，为了在现在三维模型系统中处理这些点，关键要找到方法以减少用于描绘一个层位曲面的所需点数。线。两点定义一条线段（图1.4），许多线段形成一条线或一簇线。通常的三维线包括地震射线路径，层位与断层交叉线，井迹。模型系统的最主要的输入之一是断层向量，这个断层轨迹由三维地震数据体中的二维切片的地震解释中得出（图1.3）。现代三维地震勘探和处理技术揭示了断层模式的巨大复杂性，所以很难决定一个二维切片中的哪一个断层向量与下一个二维切片中哪个断层向量相关的优先顺序，关键问题是在三维模型环境中找到连接解释的断层线来创建合理的断层面的方法。图1.4 多值地层表面（Steve Garrett等，1997）既在（x,y）处有多于1个的z值，这对描述管道、透镜体等的边界是理想的。习惯上用的二维作图系统只允许单一的z值，这对精确模拟有些地质特征是困难的在传统的制图方法中一个层位上的断层多边形是一个公共输出，根据独立的不同的二维图中画出的断层多边形中重构合理的断层面是很难的，通常是手工的。理想情况下，应该是三维空间中层面和断层面相交成断层多边形，然后输出到二维绘制成平面图。曲面。虽然网格化的单值二维曲面表示目前在整个石油工业中广泛应用，但基于由三角形集合构造三维曲面的三维建模系统已经被越来越多的使用。三角剖分曲面是一个非常有效的方法，可用于表示诸如油气接触面的简单曲面，如边界垂直曲面，或没有扩展到整个区域的曲面（尖灭断层）。三角剖分曲面也可用来表示多值曲面（图1.3），它们通常来自于围绕河道和礁体等对象的岩石层位边界，挤压环境的构造边界或盐岩体的边界（图1.4）。生成三角剖分曲面的困难包括建立点线间最优连接和同时处理重叠和错误连接的点和线，此外产生以断层约束为边界的有效的三角剖分曲面也是有困难的。交线。有许多种地质交线（图1.5），在一个模型中封闭的交线包含由两个相交曲面共享的点和边界，严格的交线最好是用一个曲面切割另一个曲面来产生。图1.5 构造交线（Steve Garrett等，1997）由于断裂的存在导致多条复杂的交线，利用常规的二维绘图系统不能模拟垂直断裂、倒转断裂和多值地质体等复杂构造。在有多条构造面和层面相交的情况下，需要有效的和可行的面－面切割算法一个面切割另一个面——如断层切割层位，在三维空间的解是一个困难的问题。Wilson（1998）认为，通过细心选择数据来改变三维交线算法是可能的，因为这种算法需要使用搜索法，用户可以通过逼近或越过搜索的间断点来解释曲面；而且可以在用户的特定容许度中计算交线。在处理含噪数据时将会产生新的问题——例如，亚平行层位在地震解释中交叉是不一致的。在没有优化的三角形网格曲面上，如长的或过瘦的三角形，将加剧问题的难度。在进行曲面切割时将涉及删除、平滑、三角剖分和外推。如果正确地执行这些步骤，切割操作通常快速而无需费力。当被切割的曲面多值、含噪、三角形剖分不良和未充分外推时，切割操作往往难以完成。拓扑。从地质科学角度看，拓扑是地质对象间关系的表格。层位（上覆、下伏、切断）间地层学关系在建模时由解释人员记下，形成一个简单的拓扑表，也可以通过绘制一系列的草图来量化结构框架、建立结构关系。用拓扑结构建模有三个途径，一个理想的地质模型系统允许使用所有的这三种方法：（1）在全交互系统中，解释人员建立断层和层位的切割线，计算机得到相关的拓扑关系。这对于在地震解释期间的建模是理想的。（2）批处理系统，解释人员输入结构表和地层岩性拓扑表，计算机用这些指令集合或关系表来进行交线操作。这种方法在试图从复杂的断层区域的图件中重构三维模型是很有用的（Hoffman等，1996）。（3）全自动系统，所有曲面交叉根据相关的拓扑关系都是自动算出而不需要用户干预。这对具有适当先验条件的一些复杂曲面的模拟来说是很理想的。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。目前最常用的数据结构是层状结构：模型全部用界面和层来表示，这里的层在现实中是不一定存在的，曲面边界曲面必须一致以便该层具有零厚度。这种层状结构与二维流形具有相同的拓扑，这种数据结构称为流形拓扑。另一方法是非流形拓扑，所有曲面在交线处切割成允许层位和断层共享交线的子曲面（Weiler,1988），并且层位在断层错断处消失。评价地质模型系统的优缺点往往决定于开发者软件中描述地质对象所用的拓扑结构。块体。块体是指由交叉曲面封闭的空间体积，一个块体可以是断层块、层、盐体或通道和其他可能的对象。拓扑表也存储哪个块体被哪个曲面或子曲面封闭。这使对曲面或子曲面的查询以确定地下某一点在哪个块体成为可能。从而通过查询来确定分析目标的合适分布，网格或功能。块体描述共享相同的物性表达的地质体部分，从块体角度来看，盐体明显有别于封闭的沉积岩，从储层角度看，砂充填的管道与封闭的页岩有不同的物性。如果目的是钻井，则希望准确了解何时我们会遇到超压岩石块体或改变机构物性的块体。当进行地震射线追踪时，在某一曲面的折射一定程度上受该曲面包围的块体的地震速度所控制。网格。四点定义一个四面体，理想情况下，由曲面和交线定义的非流形块体能由四面体充填，该四面体完全匹配于三角形表面的边界。实际上，严格的非流形四面体网是很难构造的，并且在计算机中占很大存储空间。而且，油藏描述和流体流动应用在四面体情况下更难开发，所以这些工具目前需要将三维对象的物性放在一个规则网格（流形拓扑）上。一些曲面和网格之间的一致性可通过用户定义的上覆、下伏和切断关系的拓扑表给出，这种关系能用于产生网格的内部层。从几何上看，网格节点可能不能准确地匹配三角形的节点，虽然通常地层表面的几何性质是足够平滑的，而且错误连接的很少。通过使用参数化或规则网格化曲面可以实现网格和地层曲面之间几何和拓扑的完全一致。在存在断层时，规则网格（流形拓扑）的主要缺点很明显表现出来。网格与封闭断块区域的三角剖分曲面不一定有完全一致的几何和拓扑。使用非流形网格能达到这种一致，其中网格沿断层的单元不能以顺序方式接触下一个单元，然而，这将造成油藏描述和流体流动模拟应用的困难：它要求网格单元以顺序方式彼此接触。属性。地质模型包含由点、线、表面、块体和网格携带的地质属性。地质属性按其不同插值方法可分为两类。平滑属性可以是常数，也可在给定块体内随深度或横向上逐步变化。从区域的或油田范围看，可以通过以一个曲面（对于地震速度，v=v0+k·z）为参考或光滑地插值将属性参数化，例如：●地震速度；●地层压力；●地层温度。从更精细的储层角度来看，非均匀属性插值（地质统计学、神经网络等）是更合理的，非均匀插值的成败紧密地依赖于携带属性的网格的几何特性。例如：●地震速度；●地震属性；●孔隙度；●渗透率；●构造倾斜。某些属性同时要求光滑和非均匀插值，例如，地震速度经常通过两种方式描述，一是合理的地震成像所需的光滑处理场，另一种是做出地震图像并且解释曲面与井准确拟合的所需的非均匀场。对于储层流体流动模拟研究，关键属性是网格单元的渗透率和界面的透过能力，在不同学科间进行充分循环的工作流程的一个障碍是动态的流体流动属性很难与静态的属性，如孔隙性或断层封闭潜能的度量关联起来。在断裂储层情况下则更糟，这时模拟网格的顺序性与地质结构的复杂非流形性不一致。基于四面体的有限元精细模拟算法则最终将提供模型一致性问题的长期解决方法，其中四面体顶点和面与三角剖分边界曲面的顶点和面应该完全一致。
非连续型层状地质体映射建模
7.3.3.1 建模步骤如果建模范围内，断层倾角大，地层界面的平面结构相似，也可以采用映射建模方法。非连续型层状地质体映射建模的思路是:先在一组平行水平剖面上绘制断层迹线，并将每条断层迹线裂变成对应上、下盘的两条迹线;从水平剖面组中选择一个作为标准剖面，以断层迹线、边界线为约束，将标准剖面剖分成三角形或四边形网格，形成标准平面网格;以其他水平剖面上的边界线、断层界线为约束，将标准平面网格映射到其他水平剖面上，得到若干网格结构相同的水平剖面网格;将所有相邻水平剖面网格上的对应结点用线段连接起来组成结点迹线网络;按照断层切割情况，在每个区块内模拟原始地层界面，用结点迹线网络与原始地层界面进行求交运算生成地层界面;将相邻地层界面的断层迹线、边界线上的对应结点连接起来形成地层，若干地层构成了实体模型。具体步骤如下:(1)选择一组不同高程的水平地质剖面，分别绘制断层迹线，将相邻剖面上相同断层的迹线连接起来形成断层界面。(2)选择一个标准的水平地质剖面，以断层迹线与边界线为约束进行三角剖分或四边形剖分，形成标准平面网格。(3)利用平面映射变形方法，依次选择水平地质剖面组中的一个剖面，以该剖面的断层迹线与边界线为约束，将标准平面网格进行变形，形成该剖面的平面网格。从而得到一组网格结构相同，且能反映断层迹线的水平地质剖面。将所有相邻水平地质剖面上的相应结点用线段连接起来，得到结点迹线网络。(4)根据断层切割状况，将模型划分成不同断块，并利用原始采样数据，在每个断块内模拟原始地层界面。(5)依次选择一个断块，用断块内的结点迹线与每一个原始地层界面进行求交运算，所得到的交点即为相应地层界面的网格结点。将这些结点与标准平面网格的拓扑结构相结合，形成了地层界面。(6)将相邻水平地质剖面的边界线、断层迹线对应连接起来，形成模型的侧边界面与断层界面，从而构成封闭的实体模型。7.3.3.2 构造断层系统绘制不同高程的水平地质剖面是反映断层空间特征的一种手段，在水平地质剖面上，断层用迹线来表示，如果将不同水平地质剖面上相同断层的迹线连接起来就构成了断层曲面。所有断层曲面的集合构成了断层系统(图7.13)。为了方便，可以根据断层曲面的几何形态选择一定数量的等距离水平地质剖面。图7.13 由平行水平地质剖面构建断层系统为了保证断层上、下盘断块之间的合理连接，将断层作为由双层曲面组成的薄片，薄片的厚度约等于断层的水平断距。根据这种处理方法，可以将同一水平地质剖面上的断层迹线裂变成两条曲线，这两条曲线上的结点数与结点顺序完全一致。实际上，交线的裂变是通过交线上结点的裂变来实现的。建模时，可以先将每个结点裂变成具有相同坐标、不同结点号的结点组，然后按照断层薄片的厚度适当地调整结点组内各结点的坐标。如图7.14所示，当某结点在一条断层迹线上时，则裂变成两个结点;而当该结点为两条断层迹线上的交点时，可以裂变成3个或4个。图7.14(a)表示结点在一条断层迹线上，图7.14(b)表示两条断层迹线呈“丁”字形相交，图7.14(c)表示两条断层迹线呈“十”字形相交。图7.14 断层迹线的裂变7.3.3.3 构建水平地质剖面的平面网格首先从一组水平地质剖面中选择一个标准剖面，以该剖面上断层迹线、边界线为约束进行三角剖分或四边形剖分，形成标准平面网格H0。然后依次从水平剖面组中选择一个剖面Hi，以Hi的断层迹线、边界线为固定约束，对标准平面网格进行变形运算，从而得到Hi的平面网格。尽管Hi与H0的几何形状有所不同，但两者的网格完全对应，也就是说Hi与H0的网格结点是一一对应的，网格单元也是一一对应的。变形计算方法可以采用DSI方法与直接法。这种变形类似于材料的弹性变形，当材料的边界发生改变时，材料的内部也发生相应的改变以适应边界变形。下面以水平剖面Hi为例介绍变形方法。在进行变形计算时，先将H0的断层迹线、边界线上的结点按顺序映射到Hi上断层迹线、边界线上。然后以Hi上断层迹线、边界线的结点为固定约束，利用DSI方法或直接法进行保持拓扑的平面网格变形。按照上述方法逐一形成水平地质剖面的网格后，得到一组几何形状不同但结构完全相同的平面网格。用线段将所有相邻剖面的对应结点连接起来，就可以形成结点迹线网络。7.3.3.4 模拟地层界面断层将模型划分成了若干独立断块B={Bk|k=0，…，m}(m为模型内的独立断块数)，每个断块内的地层界面应单独模拟。地层界面模拟的算法过程为:(1)从断块集中选择断块Bk，以断块Bk在水平面上的最大投影范围为参考平面，采用连续型层状地质体映射建模方法创建原始界面集sk={ski|i=0，…，n}(i为地层界面序号，n为地层层数)。(2)从原始界面集中选择界面ski，计算断块Bk内的所有结点迹线与ski的交点，组成交点集Nki;依次选择不同的原始地层界面，重复执行该过程，将得到Bk内的不同地层的交点集Nk={Nkii=0，…，n}。(3)依次选择不同的断块，重复执行步骤1)与步骤2)，将得到所有断块内所有原始地层界面的交点集N={Nk|k=1，…，m}。(4)从N中选取属于相同地层界面Si的结点组成集合Gi={Nkik=0，…，m}，用结点集Gi内的结点替换标准平面网格H0的对应结点，这样，H0就变成了Si。重复执行该过程就可以形成地层界面集S。7.3.3.5 侧边界的连接在完成地层界面的模拟后，将相邻地层界面的边界线、断层界线上的对应结点直接连接起来就可以形成地层，进而形成实体模型。另外，由于每条断层界线均包括上、下盘两条，因此，在连接地层时应考虑断层界线与断块的关系，而且上、下盘界线之间的部分是与断块内的地层无关的，应赋予断层属性。
§三维地质建模的方法体系
三维地质建模是一门高度交叉的学科，不同领域的学者从不同角度对三维地质建模的内涵进行了论述。Houlding(1994)最早提出了三维地学模拟(3D Geoscience Modeling)的概念，从广义角度对三维地质建模进行了界定，将空间信息管理、地质解译的图形处理、空间地质统计、地质体的模拟、地质信息的可视化等统称为三维地学模拟。Mallet(2002)将地质建模定义为能够统一模拟地质对象的拓扑、几何与物理属性并且能够考虑多源地质数据的数学方法的集合。三维地质建模技术是以数字化与可视化手段刻画地质实际、构建地质模型的工具，一个完整的三维地质模型应该具备以下特征:(1)地质模型所表示的地质对象具有明确的几何形状与空间位置，并与地质勘探数据吻合，所有几何元素均以图形与数字化的形式存在。(2)具有有效的数据模型，所有几何元素之间具有完备的拓扑关系。(3)拥有有效的图形与属性数据库支持，便于图形与属性信息的查询与分析。(4)地质模型是可视的、直观的，真实感强。上述特征决定了三维地质建模方法所涵盖的基本内容。三维地质建模方法是若干理论、方法与技术的集合体，主要涉及地质勘探数据的标准化处理、几何造型、三维空间数据模型、属性数据管理与图形可视化等方面。图1.1为三维地质建模的方法体系。图1.1 三维地质建模的方法体系地质数据来源众多，可靠程度不一，而且分布不均匀，建模时需要借助地质方面的知识与经验进行分析与处理，形成合理有效的信息源。地质勘探数据的标准化处理包括两方面:一是对地质勘探数据进行系统的地质分析，保证数据的可靠性;二是制定标准的数据格式，对地质信息进行标准化处理。目前，各国学者在这方面的研究较少，还没有形成统一的方法。为了方便、简洁、合理地表达、存储与管理地质模型，必须建立有效的三维空间数据模型。简单地说，三维空间数据模型就是指图形数据的表示与存储方式以及图形元素之间的拓扑关系。常用的空间数据模型包括两类:曲面表示模型与体元表示模型。曲面表示模型是指用曲面的组合来表示地质对象，例如，用地层界面围成地层实体。目前，常见的曲面表示模型有边界表示模型、表面模型与线框模型等。体元表示模型就是将地质对象离散成若干六面体、四面体、三棱柱等形式的体元，用体元的组合表示地质体。目前文献报道较多的体元表示模型包括结构实体几何模型、规则块体模型、四面体模型、三棱柱模型、混合体元模型等。几何造型是三维地质建模的核心内容，是指根据地质地理数据，利用数学、几何与地质分析方法重构地质对象的空间几何形态，并利用点、线、面、体等基本几何元素及其衍生的几何元素表示地质对象的过程。例如，地层界面常用不规则三角网表示，建模时可以根据钻孔数据进行插值运算，计算出三角网格结点的空间坐标，从而得到由空间三角形面片连接而成的地层界面。地质建模中常见的几何造型方法包括边界建模方法、线框建模方法、断面建模方法、映射建模方法、块段建模方法等。这些方法的思路、过程与实用性有一定的差异，但是，大多数方法都会涉及一些基本内容，如三角剖分与优化、插值计算、曲面细分与优化、曲面曲线求交、环与块体搜索、空间体元剖分等。图形可视化就是在计算机屏幕上绘制出地质模型，利用材质、颜色与光照等手段实现真实感成像。属性数据管理是指建立属性数据库，存储与管理地质对象的物性参数，如地层名称、岩性、力学参数等。在地质建模中，图形可视化与数据库技术与其他领域的相关内容类似，没有明显的特别之处，因此，本书不再详细介绍相关内容。
三维地质建模的地质研究
若要将三维地质建模技术直接应用到油藏开发生产，必须也能够与油藏地质研究相结合。下面的图片是一个华北油田的例子。我认为是一个将三维地质建模直接应用于生产研究的很好的例子。由于渤海湾盆地沉积、构造的复杂性，在许多区块地层对比是一个很大的难题，尤其是断点的对比，出现50m左右的误差是很平常的事。但断点对比的不准确，会直接影响到断层两侧油藏关系的认识，并进而影响到生产措施的实施。在利用最初的地层对比方案建立断层模型的时候发现，两条主要断层的断点是分散在断层模型两侧的，显然这是由于地层对比的误差所导致的。对于常规建模工作来说，我们完全可以不必考虑所有的断点，只要根据多数断点建立起一个平均的断面就可以。如果出现不准确的问题，哪是地层对比人员的事，不是我们的责任。但油田采油厂的人从生产要求的角度出发，采用了断层建模与地层对比相交互的方法。即通过Petrel的断层模型找出与断层面不吻合的断点，然后对断点进行重新对比。经过多次的反复，最终将所有的断点都收敛到了一个断面上。其结果不仅使断层模型更为准确，也帮助解决了地层对比工作中长期存在疑问。从而使建模技术很快的被油田一线生产人员所接受和喜爱。三
三维地质建模的发展
三维地质建模的概念最早是由加拿大SimonWHoulding 于1993年提出的。所谓三维地质建模, 就是运用计算机技术, 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，用于地质研究的一门新技术。严格的讲，三维地质建模已经不能算是很新的技术，在国外，地质建模已经发展了几十年，中国自上世纪80年代末开始引入EarthVision以来，也已经发展了快二十年。但回顾一下地质建模在油田开发中的作用，我们不难发现，目前的三维地质建模主要有两个作用：一个是为数值模拟提供基础模型，第二是用于油藏的整体评价，例如油藏勘探开发的风险评价。但三维地质建模一直没能深入到油田的生产中。就像许多搞生产的人评价的：好看，但不中用。在另一方面，油田开发地质研究工作中，目前还没有十分有效、先进的技术。油藏地质研究还主要依靠手工编制的厚度图、油藏剖面图、连通图等。十分需要新的技术的补充与提高。在整个开发阶段地质研究工作中，唯一可以称为新技术的就是三维地质建模。因此三维地质建模完全可以在开发阶段地质研究中起到更为突出的作用。实际上，三维地质建模应该，也完全可以成为油藏开发阶段油藏精细描述和生产措施部署的核心技术。自上世纪五十年代马特龙把地质统计学引用地质研究以来，地质统计学就成了地质建模的核心。但是几十年的实际应用也表明，单纯依靠地质统计学是不能把三维地质建模更深入的引入到油田的开发生产中的。如何更多的发挥三维地质建模技术的作用，真正使其成为油藏开发阶段油藏精细描述和生产措施部署的核心技术是每一个从事三维地质建模工作的人必须经常琢磨的问题。
开展的工作
针对三维地质建模所存在的问题以及对三维地质建模的新认识，在数字地下空间与工程框架下，重点研究三维地质建模方法。强调地质建模的层次性，不同的场地特征和数据特征应采用不同的建模方法，对于简单场地适应于钻孔地质建模，对于复杂场地则适应于地质剖面或多源地质建模。本书的研究内容主要包括五方面：(1)阐述三维地质建模的基本概念及理论基础。将地下空间对象分为地质对象和工程对象，重点研究地质对象，分别从几何特征、空间特征和数据特征进行系统分析。并进一步将研究对象聚焦在层状地质体——简单层状地质体和复杂层状地质体，分别对应于简单场地条件和复杂场地条件。认为认知地下空间的重要手段是地质采样，建立了以地质采样为约束条件的地质建模体系框架。(2)钻孔是三维地质信息最直观、准确和详细的数据，如何根据钻孔数据建立三维地质模型一直是国内外研究的热点。利用钻孔数据建立三维地质模型，在数据模型的选择上主要有两种：三棱柱(TP)和四面体(TEN)。TP模型具有数据冗余度小、建模算法简单等优点；TEN模型算法复杂、数据冗余度大，但对地质对象的属性信息表达相对丰富。基于钻孔数据进行三维地质建模是当前地质建模的研究热点，将该方法归结为两个核心内容：一是建立钻孔的空间拓扑关系，选用具有数学含义的 GMaps拓扑数据模型，在Delaunay三角剖分过程中能够快速进行点的局部插入和删除；二是考虑到钻孔成本高昂，一般钻孔数量比较稀少，采用虚拟钻孔的方法来对地质模型进行细化，并提出自然邻接方法生成虚拟钻孔。此外，基于自然邻接对地层尖灭做了进一步处理，使钻孔建模方法得到不断完善。(3)地质剖面数据包含了地质工程师、专家经验信息，是通过低维数据生成剖面数据的最为常用的地质信息表达方法。对地质剖面进行了数据分析，将其分为三个层次：地层线、地层块和地层。提出最小多边形自动搜索算法来实现地层块或地层的快速自动搜索，构成地质剖面建模的基本元素。研究了轮廓线三维表面重构算法，并对最小对角线算法做了强约束处理实现对该算法的改进，并研究利用该算法对各种地质构造的三维表面重构方法。(4)研究多源地质建模方法，集成多种数据源，提出多源数据地质建模的方法，并对其中可能涉及的关键算法进行了探讨。(5)在建立煤矿三维煤层和断层模型的基础上，开发了一套矿山巷道的三维实时设计系统，能够同时考虑巷道—巷道、巷道—断层及巷道—煤层之间的空间关系，初步实现了巷道的空间辅助优化设计。
无缝地质建模的基本原理
应用于数值模拟的地质模型应符合以下要求:①不仅能够刻画复杂地质特征、地质现象等自然对象，还能够刻画工程建筑、人工开挖面等非自然对象;②可以被剖分成连续的、拓扑相容且具有较高质量的计算网格;③能够根据岩体质量评价以及岩体力学试验的成果，方便地进行岩体力学参数的设置与调整。本书第2章介绍的三维无缝地质模型满足几何连续、拓扑与地质相容条件，是适合于数值模拟的地质模型表达方式。无缝地质模型由若干简单块体组成，每个简单块体由若干简单曲面围成。在保持所有简单块体边界不变的条件下，如果将每个简单块体剖分成四面体网格，无缝地质模型将成为一个三维简单复形。无缝地质建模是用来创建三维无缝地质模型的方法。该方法的核心思想是:先利用曲面求交与曲线求交方法构建模型的统一线框架，以保证不同界面之间的无缝连接，即实现不同界面在相交处几何连续、拓扑相容;然后以统一线框架为约束，进行界面的编辑与重构;再利用块体搜索方法搜索简单块体并组建无缝模型;最后按照一定的规模，以简单块体的边界为约束将无缝模型剖分成四面体网格(Xu等，2009)。该方法的具体步骤如下:(1)多源数据分析与地质模型的概化。地质建模的原始数据是由钻探、物探、坑探、地面勘探与测量等手段所获取的地质特征的空间分布信息与物理属性，数据的来源众多、分布不均匀、可靠程度不一。建模时需要根据这些数据进行地质分析，进行地质概化，建立概念地质模型。(2)模拟模型中的各类界面形成原始界面集。根据所确定的建模范围与坐标系，选择合适的参考面模拟地层界面与断层界面。对地层界面进行叠合处理，消除地层交叉现象。(3)创建模型统一线框架。进行原始界面的求交运算，并将交线与所有界面上的界线组成原始线框架;通过界线求交、简单弧划分等运算构建模型的线框架，并形成所有原始界面的界线轮廓。(4)编辑与重构地质界面。根据界面的交切状况，利用界面编辑规则或人机交互方法，编辑所有原始界面的界线轮廓，删除多余部分;以编辑后的界线轮廓为约束，重新剖分与插值所有界面。(5)搜索简单块体。利用块体搜索技术搜索简单块体，并根据属性将块体进行归类，形成三维无缝地质模型。(6)将无缝地质模型剖分成四面体网格。根据需要，以简单块体的边界为约束，将所有简单块体剖分成四面体网格。
