主要三维地质建模软件平台分析

目前国内外三维地质建模软件不断涌现,有些较为通用,有些针对各自专业领域有其不同的侧重点和特色,有很多值得借鉴之处。下面列出一些国内外较为知名的三维地质建模软件,如表7.1所示,并对其中部分软件进行简要的介绍和分析,为VisualGeo系统的设计和开发提供一些有益的参考。

表7.1　国内外主要三维地质建模软件分类表

(1)GOCAD。GOCAD(Geological Object Computer Aided Design,地质目标计算机辅助设计)研究计划最早于1988年由法国Nancy大学Mallet教授提出,以适应地质、地球物理和油藏工程的三维建模需要,为多学科的综合研究提供主要技术支撑。后由Earth Decision Sciences(EDS)公司于1990年推出GOCAD软件,得到国外许多石油公司和地球物理公司的支持,取得了飞速的发展,现已发展为GOCAD2.0.8版本,如图7.1所示。GOCAD软件研发中主要采用Mallet教授提出的离散光滑插值(DSI)技术作为插值引擎,同时还采用了适应能力很强的三角剖分和四面体剖分技术,并独立开发了地质统计学部分。

GOCAD主要由GOCAD Base Module、Velocity Modeling、Geologic Interpretation和Reservoir Modeling等模块组成,其主要特点和功能有:

1)功能强,界面友好,易学易用,并能在几乎所有硬件平台上(Sun,SGI,PCLinux,PC-Windows)运行。

2)除了具有核心的地质建模功能外,软件的可视化功能及地质解释功能也非常强大,能进行地质解释、绘制油藏剖面和各种平面图。

图7.1　GOCAD(EDS)

3)其建模思想建立在工作流程之上,以地质建模的内在规律和程序为基本框架,为地质工程师和油藏工程师提供了充分发挥想像力的空间,使人的地质思想得以准确地融合到地质建模过程中。

4)GOCAD构造建模能处理任何复杂的构造模型,并能方便地对三维构造模型和三维地质网格模型进行编辑及更新,使软件用户能方便地对油藏进行动态跟踪;GOCAD属性体建模方法包含几十种地质统计算法,功能强大,使用灵活,并能方便地引入约束条件。

5)GOCAD建模的许多模块是EDS公司与多家石油公司联合研发的,实用性较强。

GOCAD软件各种强大的功能不容置疑,但该系统主要针对地球物理和油气勘探而开发,难以有针对性地为水利水电工程设计和施工服务,需要进行深入的合作开发,存在的困难和所需的代价均较大。

(2)Earth Vision。Earth Vision是美国Dynamic Graphics公司(简称DGI)研制开发的一种三维地质建模及三维可视化软件系统,如图7.2所示,用途较为广泛。它不仅可建立三维油藏构造格架模型、参数模型,也可对三维盆地模拟的结果进行三维可视化显示,还能为岩土工程、建筑工程提供三维地质模型。该软件主要特点有:

1)主要用于形成静态三维块体模型,精确描述结构面(断层、破碎带、节理、岩脉和岩场)之间的交切关系,不连续面和层面位置用规则的网格数据来表示。

2)具有较强的二维图形编辑功能和三维可视化功能,可将三维显示的图形任意放大和缩小、旋转和平移,并可在三维图形上切任意方向的剖面。

3)新的Work Flow Manager按照实际的地质工作流程进行建模,即使地质构造十分复杂,其建模过程也比较简便。

图7.2　Earth Vision(DGI)

4)提供重要的地质导向工具,包括数据读取程序、实时显示随钻测量的数据,能快速更新模型,在实地及办公室同步观察模型,便于共同作出决策。

EarthⅤision对于三维模型的编辑和修改是在三维面的等值线上进行的,这种空间曲面修改方法虽然定位准确,修改对象可以是任意非规则的复杂曲面,但很不直观,处理过程比较复杂。

(3)Surpac Vision。Surpac Vision是澳大利亚Surpac国际软件公司开发的一套基于Windows操作系统的大型矿山工程软件,主要应用领域包括勘探和地质建模、采矿设计、钻孔编录、生产计划和开采进度计划等。其界面采用Java语言开发,便于与Internet有很好的兼容性,如图7.3所示。该集成软件系统由三维图形建模、地质数据库、Quarry、XPLOPpac等模块组成,其主要特点有:

1)软件核心是一个完全集成的图形模块,包括全面的可视化手段和数据编辑工具,能够进行方便快捷的实体建模(通过一系列剖面)和矿石块体建模。

2)地质数据库采用多用户开放数据库(ODBC)技术,可用Access、SQL Server、Oracle等任一种方式来存储和管理地质信息,数据库与中心图形系统紧密相关,连接十分方便。

3)XPLOPpac软件包含有多种常见的组合解译程序、一套基本的统计工具和计算处理功能,地质工程师能够灵活地分析和解译空间地质数据。

4)对于采矿项目,项目成员可以利用Surpac Vision进行交互式的全球协作工作。

该软件将地质数据库与图形系统相关联的思想值得借鉴,但和大多数专业软件一样,三维地质建模有其特定的服务对象——矿山工程,难以推广到水利水电工程。

图7.3　Surpac Vision(Surpac)

(4)Gemcom。Gemcom是加拿大Gemcom国际软件公司为使矿产资源勘探、矿产资源评价、矿井规划、矿井设计和采矿生产的关键操作实现自动化而设计开发的软件系统。该软件桌面系统集成了开放数据库、多种应用程序、无线技术和网络商业化智能系统,为用户提供高级的决策支持手段,能够规划、管理和监督采矿生产,减少采矿风险和降低成本。Gemcom软件通过钻孔、点、多边形等数据,利用大量实用的图形编辑和生成工具,显示钻孔孔位分布,运用不规则三角网建立Surface(表面)和Solid(实体)模型,提供交互操作功能,并允许用户根据自己的经验和专家知识勾画三维地质模型,能够实现任意剖面切割、任意角度观察以及实体之间或实体与表面之间的交切布尔运算等。(www.xing528.com)

与Surpac软件一样,Gemcom主要针对采矿工程,而对于工程地质岩土体的建模与分析针对性不强。

(5)Geo View。Geo View是依托于中国地质大学的武汉坤迪科技有限公司基于Windows平台开发的一套大型地学信息系统软件,是一种可对各种地学数据进行收集、存储、管理、处理和使用的基础信息系统和综合性技术系统。该系统设计以地质矿产点源信息系统理论框架为指导,由属性数据、空间数据采集、数据整理和空间分析、三维图形编辑与建模4个子系统组成,具有如下特点:

1)以强大的主题数据库为核心,可以实现区域地质调查和地质矿产勘查数据处理全程计算机辅助化。

2)采用面向对象技术、数据仓库技术和网络技术,子系统间无缝连接,具有较完善的二次开发工具。

3)采用行业或部门统一的数据模型、标准的代码体系、规范的图式图例、约定的处理方式和通用的软件接口,专业化程度较高。

其中的三维图形编辑与建模系统是一个基于IDL(Interactive Data Language,交互式数据语言)平台开发的地质结构三维可视化分析工具(图7.4),能实现通过二维剖面和一维岩心柱模拟生成三维数字地质体,并可以对其进行三维空间下的交互式图形编辑、建模、显示、剪切分析等。

图7.4　三维图形编辑与建模系统界面

由于该系统主要为矿产地质设计的,难以直接应用于水利水电工程中,因此坤迪公司目前与华东勘测设计研究院合作,在Geo View基础上开展“水电工程地质三维信息系统(HEGMIS)”软件开发,但也主要局限于地质工程师使用,与水工、施工专业的需求还有较大的差距。

(6)Titan 3DM(Titan T3M)。Titan地学资讯系统是北京东方泰坦科技有限公司在加拿大阿波罗科技集团TitanGIS软件基础上研制开发的一套综合地学信息分析系统平台。其中的三维地质建模软件Titan 3DM基于框架建模思想开发,利用平行的剖面数据建立真三维实体模型,并以此为基础提供特定的服务。Titan 3DM由虚拟钻孔模块,剖面处理、对应关系处理及模型处理模块[图7.5(a)]、Sbore Map模块[图7.5(b)]三个核心模块组成。其主要的特点和功能包括:

1)采用面向对象方法设计。

2)用户界面友好。

3)编辑操作工具丰富。

4)抽象的三维地质建模软件,没有具体到某个行业。

5)任意切割模型。

图7.5　Titan 3DM(北京泰坦)

(a)模型处理模块;(b)Sbore Map模块

6)模型面积和体积计算等。

Titan 3DM主要存在两点局限:

1)只能处理平行或基本平行的剖面数据,而水利水电工程地质剖面往往是方向各异的,如横剖面、纵剖面、建筑物轴线剖面等。

2)试图实现一套通用的三维地质建模软件,而实际上不同行业的地质建模要求差别很大,会遇到专业方面的困难。

根据上述分析可以发现,虽然国外有很多优秀的三维地质建模软件,国内也取得了很大的进展,但是目前主要还是面向油气勘探、矿产开采等领域,在除了石油、矿山勘探行业之外的其他勘测行业很少引进,分析原因主要有以下三点:

(1)大部分商业软件系统庞大,要求计算机性能很高(工作站环境),而且普遍对用户的使用水平和专业知识要求较高,存在建模周期长、数据前期处理复杂等缺点,难以在水利水电工程领域推广使用。

(2)此类软件复杂性强,开发难度大,技术含量高,开发周期长,价格比较昂贵,一般每套在5万～15万美元之间,每增加一个模块价格也不菲。这种价格对于一般性土建工程勘察没有必要,即使是大型水利水电工程也难以承受。

(3)不同行业的地质勘探存在较大的差异,这是一个根本性的原因。以石油地质勘探和水利水电工程地质勘测对比为例,具体分析如下。

石油地质勘探的主要特点为:①以物探为主,其中地震勘探为重,钻井勘探虽然必不可少的,但投资费用昂贵,一般较少使用;②石油勘探范围很大,在数十至数百平方公里之间,探测地下地质体的深度也在数千米以上,物探受地表地形地貌地物的影响几乎可以忽略;③石油钻井的井位确定非常关键,需要进行细致的分析论证,定错一个井位即达不到勘探目的,成为报废井,损失极大。当前最为有效的石油勘探方法是人工地震勘探,这是一种需要以强大的运算能力为基础的专门技术,例如100km2的三维地震资料数据多达30～60GB,这些海量数据的分析计算耗时巨大。而且,节省一个钻孔井或准确地打出一口油井,所取得的效益达数千万元,利用价格昂贵的图形工作站和功能强大的三维分析软件来确定钻井井位,是很有必要的。

水利水电工程地质勘测以水利枢纽工程区最为复杂,对查明工程地质条件的要求最高,与石油地质勘探存在较大的不同:①水利水电工程地质勘测的目的是为了查明工程区域一定范围内的地质情况,为工程建设服务,而石油勘探则是以探测分析地下油藏分布为目地;②工程范围在数平方公里之内,工程地质勘探的地下深度在数十至数百米之内,较之石油地质勘探范围小很多;③工程地质勘探的绝对误差在厘米至米的数量级,而石油勘探有关储油层埋深的绝对误差为米至数十米,甚至百米数量级都可以接受;④高山峡谷区的大坝工程采用单一的物探手段很难查明地下地质结构体,因此多在钻孔和平硐勘探中再结合物探手段进行综合分析,而石油地质勘探则以物探为主结合钻探进行油藏分析。

由此可见,水利水电工程中最复杂、要求最高的坝址区地质勘测决定了其勘探手段和分析方法不同于石油、矿产资源地质勘探,在三维地质建模与后续分析需求方面存在较大差异,难以直接引进在油气、矿山领域获得成功应用但系统庞大、价格昂贵的商业软件;而且工程地质勘测和三维建模分析是为水利水电工程设计、施工服务的,因此针对其自身专业特点开发水利水电工程三维地质建模与分析系统,有着广泛且迫切的需求和必要性。