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GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 1 页 共 40 页前 言GMS（Groundwater Modeling System）是种综合性的图形界面软件，是一个各种软件于一体的，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件不仅具有地下水模拟、地下水溶质运移模拟的功能，其在实现地质结构可视化方面功能亦同样突出经过 10 多年的发展，GMS 软件的功能越来越完善，并在各个领域中取得广泛应用本文重点介绍了 GSM 软件在工程地质方面的应用情况，与其他三维地质建模软件对比对比显示 GMS 软件在当前广泛应用的三维建模软件软件中，如：GIS、FEFLOW、M OFDFLOW、 FFMWATER、 MT3DMS、 RT3D、 SEAM3D、 MODPATH、 SFFP2D，以其强大的功能明显优于其他三维地质建模软件在本文最后的工程实例中对3D GMS 软件在三维地质建模中的应用有更详尽的阐述。

GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 2 页 共 40 页1 三维地质建模基本问题概述1.1 三维地质建模概述三 维 地 质 建 模 技 术 在 上 世 纪 60 年 代 被 国 外 学 者 提 出 ， 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 EsrthVision 以 来 ， 也 已 经 发 展 了 快 二 十 年 近 10 年 来 ， 地 学 领 域 将 其 理 解 为 地 理 Geography、 地 质 Geology、 地 球 物 理Geophysics 和 大 地 测 量 Geodesy 等 地 学 相 关 学 科 的 统 称 ,因 其 英 文 名 称 之 前 缀 均 （ Geo-)关 于 三 维 空 间 信 息 的 研 究 与 日 俱 增 ,形 成 了 两 大 并 行 发 展 的 支 流 :一 是 三 维 地 理 信 息 系 统(3D GIS),二 是 三 维 地 学 模 拟 系 统 (3D Geosciences Modeling System,3D GMS)。

真 3D地 学 模 拟 、 地 面 与 地 下 空 间 的 统 一 表 达 、 陆 地 海 洋 的 统 一 建 模 、 三 维 拓 扑 描 述 、 三 维 空 间 分析 、 三 维 动 态 地 学 过 程 模 拟 等 问 题 ,已 成 为 地 学 与 信 息 科 学 的 交 叉 技 术 前 沿 和 攻 关 热 点 三 维 地 质 建 模 (3D Geological Modeling)又 称 为 三 维 地 学 建 模 (3D Geoscience Modeling)、 三 维 地 质 数 字 化 建 模 等 ， 一 般 对 其 过 程 进 行 了 概 括 ： 三 维 地 质 建 模 是 指 在 原 始的 地 质 勘 探 数 据 基 础 上 ， 在 地 质 工 程 师 的 专 家 知 识 和 经 验 指 导 下 经 过 一 系 列 的 解 译 、 修 改 后 ，以 适 当 的 数 据 结 构 建 立 地 质 特 征 的 数 学 模 型 ， 通 过 对 实 际 地 质 实 体 对 象 的 几 何 形 态 、 拓 扑 信息 (地 质 对 象 间 的 关 系 )和 物 性 三 个 方 面 的 计 算 机 模 拟 ， 由 这 些 对 象 的 各 种 信 息 综 合 形 成 的一 个 复 杂 整 体 三 维 模 型 的 过 程 [1]。

1.2 三位地质建模的研究目的和意义近十几年来，中国经济的高速发展，极大地带动了土木建设领域的发展，大型工程活动数量之多、规模之大、速度之快，举世瞩目，如南水北调、青藏铁路、三峡工程、西气东输、龙滩水电工程、小湾水电工程、锦屏水电工程等这些巨大型工程所处地区大多地质构造复杂、地质信息众多，给工程场址选择、枢纽布置、地下工程设计与施工，以及灾害防治等方面带来了极大的困难，这些问题的解决必须建立在对有关地质信息全面分析和把握的基础之上工程勘察部门提交的遥感数据、地形测量数据、现场踏勘资料、地球物理勘探资料、钻孔资料、探GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 3 页 共 40 页槽和探洞资料等勘察成果，种类繁多，内容翔实，但这些资料多以表格、文字、图表、图纸等格式保存，严重存在数据管理分散，共享率低，更新速度慢等问题；而且，这些数据资料 80％都牵涉到相关的空间属性，即信息依存于地理位置，因此大多数的科学研究都需要我们进行相关的空间分析。

面对如此海量的空间数据，一般的数据库管理系统显得无能为力，而以空间数据管理为核心的 GIS 技术的快速发展，以及“数字地球”理念的形成为这些问题的解决提供了无限契机岩土工程学者第一时间将 GIS 技术应用于工程地质资料的管理和分析当中，为多源数据的集成管理、地质资料可视化与分析、专题地图的输出、虚拟工程，以及地质资料的共享提供了良好的平台，极大的促进了岩土工程信息化建设的步伐多年以来，对于地学信息的表示和处理都是基于二维的，通常将垂直方向的信息抽象成一个属性值，其实质就是将三维地质环境中的地质现象投影到某一平面（XY 平面、XZ 平面或 YZ平面）上进行表达，称为 2.5 维或假三维，它描述空间地质构造的起伏变化直观性差，往往不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，越来越不能满足工程设计和分析的需求，因此，真三维处理显得愈来愈迫切与此同时，众多新型勘探手段的应用，诸如地震勘探、探地雷达、遥感，以及地球化学勘探等，致使各种地质资料急速膨胀，迫使地质工作者采用新的手段来综合利用这些信息一般来说，勘探资料都是一些离散的数据，地质工作者很难直接利用它们分析其在地质体中的分布规律。

面对这些实测信息，人们必然会提出这样的问题：如何利用实测资料来推断其在区域内的分布规律；即使能够预测各种信息在所研究地质区域中的分布值，面对大量的输出数据，地质工作者仍然会感到很难分析，而且他们往往习惯于用图件来反映地质信息，自然希望能利用计算机自动显示这些信息在地质体内的分布规律三维地质建模的主要目的是地质信息的三维表达和数据管理，同时也应为岩土工程稳定性分析提供计算模型，这都取决于一个健壮的三维数据模型因此，空间三维地质建模技术的研究是计算机在工程地质领域应用的一个必然趋势，并且已经成为岩土工程、工程地质学、数学地质学，以及计算机科学等多学科交叉领域研究的前沿和热点问题1.3 三维地质建模软件在国内外发展现状20 世纪 80 年代以来，三维地学可视化系统应用于地质建模在国外已经变得非常普遍，以美国、法国、加拿大、澳大利亚、英国为代表的西方主要国家相继推出了多种代表性的地学可视GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 4 页 共 40 页化建模软件。

法国 Earth Decision Sciences(EDS)推出的 GoCAD 是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，达到了半智能化建模的最高水平，具有功能强，界面友好，并能在几乎所有硬件平(Sun,SGI,PC-Linux,PC-Windows)运行的特点 [2]自 1990 年 GoCAD 诞生后，地质建模技术取得了飞速的发展，目前已经发展到 2.1.6 版本从最初的简单构造建模，发展到今天复杂构造建模、复杂三维模型网格生成、储层岩石物理属性模型、岩相模型等，可以说以 Gocad 为代表的先进地质建模软件大大提高了地质建模的效率和精度，可以满足对复杂地质区域的建模要求美国 Dynamic Graphics 公司(DGI)研制开发的 EarthVision 空间地质建模软件，在建立复杂地质构造的三实体地质模型方面颇有独到之处，可用于识别目的层，描述储油层特征，优化油田开发，计算石油储量；将其用于油田的地质分析，可节省 75%的钻井费用(软件广告声称)该软件用于建立油田的三维地质构造模型和属性模型，绘制精确描述层位面与断层几何形态的构造图，绘制与三维空间一致的剖面图，精确计算油田石油储量，准确认识油田的储油层特征，调整井位的最佳布置，获得最佳布置效果。

世界许多石油公司采用 Earth Vision 软件建立的油藏模型能清楚地反映地层与地质结构的空间分布及其相互关系，对于项目的管理起到综合各学科的综合作用 [3]澳大利亚 Surpac11 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 Surpac Vision，在勘探、地质建模、采矿设计、钻孔编录、生产计划和开采进度计划等方面功能突出，其界面采用 Java 语言开发，便于与 Internet 有很好的兼容性 [4]加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件 MicroLYNX，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型，确定矿藏分布和等级变化并计算矿藏储量 [5]加拿大 Gemcom Software International Inc.公司开发的 Gemcom 软件通过钻孔、点、多边形等数据，利用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表面和实体模型，运用多义线圈闭岩层和矿体边界进行储量和品位分析，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地质模型，实现任意剖面切割、任意角度观察和实体与实体或实体与表面的交切与布尔运算等 [6]。

我国对三维地学可视化研究起步较晚，但也做了大量有益的探索近年来国家自然科学基金委大力支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研究” 、 “油储地球物理理论与三维地质图像成图方法” 、 “地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”等项目 [7]天津大学钟登华教授 [8]采用 NURBS 曲面构模技术来拟合构造复杂的地质曲面，开发研制了水利水电工程地质建模与分析系统(VisualGeo)，并将其应用于龙滩、锦屏、溪洛渡、白鹤滩GMS 软件在三维地质建模中的应用 李明昊长春工程学院 第 5 页 共 40 页等大型水利水电地质工程及洞室的三维建模与分析中水电工程三维地质系统 GeoEngine 2006是中国水电顾问集团公司华东勘测设计研究院联合中国地质大学地学信息研究所以及武汉地大坤迪科技有限公司基于自主知识产权的 GeoVIiew3D 平台开发完成的专业地质建模软件，目前已经应用于多个国内大工程 [6]。

1996 年中国科学院地球物理研究所与胜利油田管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪 GoCAD长春科技大学在阿波罗公司 Titan GIS上开发了 G。