地学三维可视化与过程模拟研究的主要步骤与内容

1.地学三维可视化与过程模拟研究的主要步骤

1）地学数据预处理

数据预处理就是对地学数据进行以下（但不限于）几个方面的处理，以满足可视化图形图像生成的需要，即：①数据格式及其标准化处理；②数据变换处理，如投影变换处理、几何变换处理、坐标变换处理及线性变换处理等；③数据压缩处理；④图像处理，包括图像分割与边沿检测、图像增强、图像提取、图像滤波、图像平滑等处理。

2）地学数据构模

数据构模主要是针对不同的数据处理对象、不同用户的需求或系统设计目标，选择或设计不同的数学模型或算法，对预处理的结果进行可视化，如生成二维、三维或四维时空数据以及表面重构或面向物体的重构，其技术核心主要是数据模型、建模方法以及三维可视化渲染表达。

3）地学图形图像的生成

即利用计算机图形图像学技术将各种地学数据生成直观、易读的计算机地学图形图像，也包括图像的明暗、阴影和纹理映射处理等。

4）地学图形图像的输出及过程模拟

即将可视化处理生成的地学数据按用户要求显示在计算机屏幕上，形成二维、三维、四维的直观化地学图形图像，再现各种地学过程的三维模拟。或者将生成的可视化图形图像直接打印出来，也可以转换为其他相关系统可读的可视化数据文件。

2.地学三维可视化与过程模拟研究的主要内容与任务

地学三维可视化研究的主要内容在基础地学空间信息方面目前概括起来大致如下（陈军， 2002）。

1）地学数据模型、地学建模以及空间分析的理论研究

要进行某地区的地学数据可视化研究，就必须要有该地区的动态地学空间的框架数据，目前世界各国尚不具备。为了做好动态地学空间框架数据的构建工作，需要深化对地学空间现象（实体）多维、动态特性的认识，研究动态空间现象（实体）的描述和表达方法，发展动态空间数据模型。拟解决的关键问题如下。

（1）地学空间信息的多维、动态机理研究，如：①实体运动状态和运动方式的发生与施效机理研究；②多维和动态特性的分类描述；③事件对时空目标作用机理研究等。

（2）动态空间关系理论研究，如：①三维、时空、模糊、层次等空间关系的语义研究；②形式化的描述模型与表达方法研究；③基于空间关系的认知、推理和存取研究。

（3）动态空间数据模型及建模方法研究，如：①三维空间实体及其时空变化的时空对象模型研究；②集主体、事件、状态为一体的时空数据模型研究；③多尺度空间数据模型研究；④基于全球坐标的球面层次数据模型研究；⑤海量空间数据的集成管理模式研究等。

2）地质过程的动态模拟

地质与成矿过程的动态模拟是近年来最为活跃的地学信息技术之一，这方面的内容难度较高。地质（包括成矿）过程计算机模拟也称为地质过程数学模拟，它是近20年来在计算机地质应用领域迅速发展的一种仿真技术。地质过程所涉及的空间之大、时间之长、影响因素之多、相互作用之复杂，是难以用实物的物理模拟方法和化学模拟方法来再现的。这个问题长期以来困惑着地质学家，既阻碍了人类深入、全面地认识各种地质过程，也阻碍了地质科学的定量化进程。自从计算机技术引进地学领域后，发达国家的地质学家们就开始了地质过程的计算机模拟研究并迅速地取得了进展。

地质过程计算机模拟的一般方法是：首先通过地质研究来建立对象的地质过程和地质特征的概念模型，再选择适当的数学模型来描述其中的主要过程，然后让计算机按一定的时序和法则来执行数值运算和逻辑推理（Harbaugh et al，1980）。所采用的数学模型可以是准确的数学函数表达式，也可以是概率性的、经验性的甚至逻辑启发性的关系表达式，地质过程数学模拟随之可分为静态确定型（如构造应力场模拟）、动态确定型（如地下水动力学模拟）、动态随机型（如某些沉积作用模拟）和动态混合型（确定＋随机，如油气成藏动力学模拟）和人工智能型。其中动态模型可以看作一系列静态型的有序组合，而确定性模型可以看作随机模型的特例。这些模型通过演绎和推理，可以随着输入数据的增加而提高仿真程度，又可以按离散的时间增量前进而实现动态效果，还可以及时地将结果同实际数据进行对比，不断地修改模型以适应实际情况。当所归纳的地质过程在计算机内持续的时间足够“长”，便可以产生与实际地质过程相似的数字化“结果”。地质工作者可以将这种从研究对象中抽取的概念模型及其相应的数学模型看作实验工具，通过改变各种条件和参数来观察它的反应，从而定量地揭示各种地质事件中主要影响因素的相互关系以及变化趋势和可能结果，达到理解和掌握地质过程的规律性和特殊性，进而实现工程地质条件和矿产资源的预测、评价以及地质灾害的预报目的。

从国外情况看，计算机模拟最早是从与地下水有关的研究开始的。美、日、法、英等国在十几年前就已经广泛地应用计算机模拟来解决地下水资源管理问题，进行储量评价和预测。然而，计算机模拟在近年来发展得最为迅猛的领域要算石油天然气勘查领域，也就是人们常说的盆地模拟（Basin Simulation）。盆地模拟从研究盆地的构造演化、沉积演化和地热演化入手，分析岩层分散有机质的降解和烃类的生成、排放、运移、聚集过程的影响因素及控制条件，建立其概念模型和数学模型；然后利用计算机再现这一过程，达到预测、评价盆地和富集带油气潜力的目的。由于这一方法在预测盆地油气潜力、提高勘探命中率、降低投资风险方面有显著效果，从20世纪80年代初期以来得到广泛的重视。从技术方法看，目前已经从一维的单井模拟经过二维联井剖面模拟，发展到三维区块或盆地整体模拟，并且正在向四维的时空动态模拟发展；从模拟内容看，已经从单一的油气资源量模拟，发展成为盆地地质过程的综合模拟和油气富集区带的油气成藏动力学模拟，并且向以确定钻探靶区为目的的油气勘查目标模拟发展。到目前为止，国际上已经开发应用的盆地模拟软件有近百个，其中比较有名的有德国尤利希公司、法国石油研究院、美国南卡大学和英国Bp石油公司研制的二维盆地模拟系统。石油地质领域内另一种较为成功的过程模拟，是旨在定量地描述油气藏特征及其变化的三维油藏模拟。其理论基础和技术方法是建立在现今地下水动力学和密集的钻孔资料基础之上的，由于该项模拟的对象是层位较浅且相对均匀连续的多孔介质，模拟内容是伴随当前采油作业而发生的油气动态变化，因而比盆地模拟和油气成藏动力学模拟显得成熟和可靠。

与此同时，在地学各个领域，各种地质作用计算机模拟的研究也在蓬勃地开展着，大至板块相互作用、造山运动、造盆运动、古气候演化和古生物演化的模拟，小至岩层褶皱作用、断裂作用、成矿作用、地质灾害的酝酿、水库和渠道的渗漏和淤填、坝基和边坡稳定性等的模拟都取得了显著进展。多媒体和虚拟现实技术的采用使地质过程数学模拟有了良好的声像表现形式。1989年，美国能源部曾利用Cray-1巨型机完成了几百秒钟的火山喷发过程模拟，十分逼真、生动，使人如同身临其境，可以深化人们的科学认识。

我国这方面的工作刚起步不久，但在地下水资源、盆地模拟，地球化学动力学模拟，地下热流体动力学模拟和海底喷流成矿模拟等方面已取得初步成果。中国地质大学（武汉）的成矿动力学模拟系统（於崇文等，1998）、沿海地区的地下海水入侵模拟系统（陈崇希，1996）以及北京石油规划设计院和海洋石油研究中心分别开发的大型二维盆地模拟系统（石广仁，1994；王伟元等，1995），具有较高的水平和实用性。

鉴于地质体与资源形成演化过程的复杂性，地质过程计算机模拟的发展方向是：加强研究对象的实际地质过程分析，提高概念模型的相似性；注重地质作用过程各影响因素的相互作用分析，尤其注意揭示其中的反馈控制关系；考虑实际地质过程的非线性特征和地质体的分形特征，开展非线性动力学和分形模拟研究；与数据库及GIS密切结合，充分利用地矿勘查中所获取的庞大空间和属性信息；与人工智能模拟相结合，吸取专家的知识与经验，体现勘查人员的分析思路与方法；与三维动态图示技术结合，将动力学模拟与非动力学模拟结合起来，向整体的三维化、动态化发展。最近，中国地质大学（武汉）与中国海洋石油总公司联合开发的“油气成藏动力学模拟评价系统”将动力学模拟与非动力学模拟结合起来，以非动力学模拟再造油气生排运聚散过程的三维物质空间；将经典动力学模拟与系统动力学模拟结合起来，以系统动力学模拟反映子系统之间的反馈控制关系和整体的非线性过程；将数值模拟与人工智能模拟结合起来，以人工智能模拟体现地质学家的思想、方法、知识与经验，解决局部过程的非线性问题，并且采用各种镶嵌、套合技术和图示技术，初步实现了油气成藏动力学过程的三维动态和可视化模拟（吴冲龙等，2001）。

本书以在石油地质勘探领域中较为成熟的盆地模拟和油气成藏模拟为例，介绍地质成矿过程的动态模拟的方法原理。

3）开展地学空间框架数据的建设工程

为了满足国家信息化、国家安全、经济建设、社会发展和人民生活对基础地学信息资源不断增长的需求，今后将从二维地学空间框架数据向多维、动态地学空间框架数据发展，逐步地向用户提供真三维、多时态、高精度的基础地学空间数据资源。为此，应根据应用需求进行三维框架数据、全球空间数据库系统、无显示拓扑的框架数据、移动服务框架数据等的技术设计和前期实验，制定技术规范；同时，组织研究多比例尺数据协同更新、多尺度框架数据集成、历史数据保存和时态数据组织、海量空间数据管理等方面的问题。

4）开拓地学空间框架数据的应用领域

为了发挥动态地学空间框架数据的作用，应针对国家宏观管理、重大战略、重大工程和人民生活的实际需要，研究和发展各类应用系统和典型应用模式，包括面向政府的专题空间决策支持系统和面向公众的网上服务系统。为此，需要进一步发展多维数据的时空统计和内插分析方法与模型、时空数据的实时动态显示方法等。

思考题

1．简述数据、信息与知识之间的联系与区别。

2．什么是地质信息科学？地质信息科学在信息科学中的地位如何？地质信息科学与地质科学的联系是什么？

3．科学计算可视化、数据可视化、信息可视化与知识可视化的研究内容是什么？

4．地质数据可视化的属性特征有哪些？地质数据可视化分哪几类？