2024年2月22日发(作者：)

　６　２０２０年１２月高　速　铁　路　技　术Ｎｏ．６，Ｖｏｌ．１１第１１卷第６期ＨＩＧＨＳＰＥＥＤＲＡＩＬＷＡＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＤｅｃ．２０２０　文章编号：　１６７４—８２４７（２０２０）０６—０００６—０５ＤＯＩ：１０．１２０９８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８２４７．２０２０．０６．００２基于ＥＶＳ的三维地质建模研究陈　兵１　朱泳标１　张　燕２（１．中铁二院工程集团有限责任公司，　成都６１００３１；２．成都理工大学，　成都６１００５９）摘　要：ＥＶＳ地质建模平台可实现真三维的地质体建模、分析及可视化，提供了克里金法、自然邻点法、最近邻点法等７种空间插值方法，支持矩形线性网格、有限差分网格、凸包网格等４种网格类型。本文系统介绍了ＥＶＳ地层建模、岩性建模、混合建模等构造建模及属性建模的方法及流程，总结了各类建模方法的适用地质条件，为ＥＶＳ在三维地质建模中的应用提供技术参考，推进了地质ＢＩＭ技术的发展。关键词：ＢＩＭ；三维地质建模；ＥＶＳ；地层建模；岩性建模；属性建模中图分类号：Ｐ６２８＋３　　　文献标志码：Ａ　　　ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＥＶＳｂａｓｅｄ３ＤＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇＣＨＥＮＢｉｎｇ１　ＺＨＵＹｏｎｇｂｉａｏ１　ＺＨＡＮＧＹａｎ２（１．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６０００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＥＶＳｂａｓｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｒｕｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｂｏｄｉｅｓ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｓｅｖｅｎｓｐａｔｉａｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ（ｋｒｉｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｎａｔｕｒａｌｎｅｉｇｈｂｏｒｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｎｅａｒｅｓｔｎｅｉｇｈｂｏｒｍｅｔｈｏｄ，ｅｔｃ．）ａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｆｏｕｒｔｙｐｅｓｏｆｇｒｉｄｓ（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｌｉｎｅａｒｇｒｉｄ，ｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｇｒｉｄ，ｃｏｎｖｅｘｈｕｌｌｇｒｉｄ，ｅｔｃ．）．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇ（ｓｕｃｈａｓＥＶＳｂａｓｅｄｓｔｒａｔｕｍｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｌｉｔｈｏｌｏｇｙｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇ），ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥＶＳｉｎ３Ｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｉｍｉｎｇｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＩＭ；３Ｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＥＶＳ；ｓｔｒａｔｕｍｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｌｉｔｈｏｌｏｇｙｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐｒｏｐｅｒｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇ　　ＢＩＭ技术具有数字化、可视化、多维化、协同性、模极为重要，既能表达地质对象的拓扑结构、几何结构及拟性等特点，在地质行业逐步得到了推广和应用。三属性信息，还需具备融合多源数据及地质模型动态更维地质模型是地质ＢＩＭ技术应用的核心，同路基、桥新的能力。梁、隧道、站场等专业的计算模型建模相比，具有地层ＥＶＳ（ＥａｒｔｈＶｏｌｕｍｅｔｒｉｃＳｔｕｄｉｏ）建模系统是应用于分界面不规则、地质认识的多解性、地质数据多样性、地球科学领域的３Ｄ建模软件［１］，此软件基于数据驱约束条件多等特点。在建模过程中，需考虑地质体平动，采用拖拽式功能模块，灵活定制工作流，具有数据面出露界线与地质剖面界线的空间耦合性、地质成因可视化及模型动态更新的特点，能较好地满足地质建上的合理性等条件。因此，选择适合的地质建模平台模的需求。随着ＢＩＭ技术的推广，ＥＶＳ地质建模平台收稿日期：２０２００５２７作者简介：陈兵（１９８３），男，高级工程师。引文格式：陈兵，朱泳标，张燕．基于ＥＶＳ的三维地质建模研究［Ｊ］．高速铁路技术，２０２０，１１（６）：６－１０．ＣＨＥＮＢｉｎｇ，ＺＨＵＹｏｎｇｂｉａｏ，ＺＨＡＮＧＹａｎ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＥＶＳｂａｓｅｄ３ＤＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，１１（６）：６－１０．

第６期陈　兵，等：基于ＥＶＳ的三维地质建模研究２０２０年１２月在越来越多的项目中得到运用，本文通过对ＥＶＳ地质建模平台的建模理论介绍及应用方法总结，为使用ＥＶＳ地质建模平台的地质技术人员提供参考。１　ＥＶＳ建模理论ＥＶＳ地质建模平台提供了多种空间插值方法和网格类型，根据选定的插值方法和网格类型可实现仿真三维地质体数据建模、分析及可视化，并可基于仿真三维地质模型制作动画展示。１．１　插值方法地质模拟中所用的数据主要为空间数据，空间数据插值法是常用的插值处理方法之一［２］，用于估计网格中与原始数据点不重合的节点数据。ＥＶＳ主要提供了以下七种空间插值方法：克里金（Ｋｒｉｇｉｎｇ）法［３］、自然邻点（ＮａｔｕｒａｌＮｅｉｇｈｂｏｒｓ）法、最近邻点（ＮｅａｒｅｓｔＮｅｉｇｈｂｏｒ）法［４］、样条（Ｓｐｌｉｎｅ）法［５］、谢别德（Ｓｈｅｐａｒｄ）法、改进谢别德（Ｆｒａｎｋｅ／Ｎｉｅｌｓｏｎ）法［６］、径向基函数（ＦａｓｔＲＢＦ）法［７］，根据地质数据分布特征采用不同的空间插值方法。１．２　网格类型ＥＶＳ地质建模平台支持矩形线性网格、有限差分网格、凸包网格、自适应网格等多种网格类型。１．２．１　矩形线性网格矩形网格是最简单的网格类型之一，网格坐标轴平行于坐标系坐标轴，单元格大小和方向均为固定设置，通过网格的坐标范围即可计算所有节点的位置，网格的连接性直接可以用隐式表示。矩形线性网格易于创建且具有二维平面单元和三维体积单元的均匀性，如图１所示。图１　矩形线性网格图１．２．２　有限差分网格矩形线性网格由于每个网格的大小和方向都是固定的，在进行某些数据插值时，会产生大量外插没有意义的区域，增加插值计算时间，这种不足在铁路、公路等线状工程建模中尤其突出。而有限差分网格可以调整网格间距，在保证网格方向一致的情况下可对所有网格进行旋转，如图２所示。图２　有限差分网格图１．２．３　凸包网格相对于矩形线性网格和有限差分网格，凸包网格并不规整，每个单元都可以是不一样的大小和方向，二维空间中一组点的凸包即为包含该集合的最小凸区域。使用凸包网格的模型所有点均可内插。其最大优势在于可以保证整个模型的每个地方都是内插，如图３所示。　７图３　凸包网格图１．２．４　自适应网格当需要把每个原始数据点或者钻孔都放在网格节点上时，上述３种网格类型都很难做到。而自适应网格可以在保证计算效率的基础上，又可满足所有原始数据点落在节点上。自适应网格如图４所示。从图４图４　自适应网格图

第６期陈　兵，等：基于ＥＶＳ的三维地质建模研究２０２０年１２月　８可以看出，在原始数据点处增加了１个节点，模型对该节点所在的网格进行了细分。２　ＥＶＳ数据类型２．１　地质数据地质数据具有多源异构特征，很难用一种统一的格式进行描述。在ＥＶＳ平台下，可采用两种方法去描述地层信息：一种是包含钻孔数据的钻孔地层信息，数据文件格式为ＰＧＦ；一种是根据钻孔数据进行了地质解释的层序地层信息，数据文件格式为ＧＥＯ或ＧＭＦ。（１）ＰＧＦ文件ＰＧＦ文件可利用ＥＶＳ的ＰＧＦ制作工具，将钻孔编录信息转换成ＰＧＦ格式，每个部分代表单个钻孔的岩性。其格式如下：Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ＂１｜ＳｉｌｔｙＳａｎｄ＂　＂２｜Ｃｌａｙ＂　＂３｜Ｇｒａｖｅｌ＂ｍ１６２６３０４３８．６０　４２７２０２８．７１　３１．９５　１　ＣＳＢ１６３０４３８．６０　４２７２０２８．７１　２２．４６　１　ＣＳＢ１６３０４３８．６０　４２７２０２８．７１　２１．５７　２　ＣＳＢ１６３０４３８．６０　４２７２０２８．７１　－０．７０　３　ＣＳＢ１……………第一行数据依次定义了分层位置（采用高程或深度模式）、岩性序号、岩性定名和单位；第二行为数据区行数；第三行及以后为数据区，包含钻孔东坐标、钻孔北坐标、岩性分层高程或深度、岩性序号和钻孔编号。若第一行定义为深度模式，须在数据区钻孔编号后增加钻孔高程数据。（２）ＧＥＯ文件ＧＥＯ文件以ＰＧＦ文件为基础数据，利用ｍａｋｅ＿ｇｅｏ＿ｈｉｅｒａｒｃｈｙ模块通过人机交互的方式创建而成。ＧＥＯ文件包含一系列对垂直钻孔分层岩性及分层位置进行空间插值运算取得的透镜体和倾斜地层的地层岩性和位置数据。其格式如下：ＸＹＴｏｐＢｏｔ＿０Ｂｏｔ＿１Ｂｏｔ＿２Ｂｏｔ＿３　ＢｏｒｅＥｌｅｖａｔｉｏｎ＂ＳｉｌｔｙＳａｎｄ＂＂ＳｉｌｔｙＳａｎｄ＂＂Ｃｌａｙ＂＂Ｇｒａｖｅｌ＂ｍ４５４１１２３６３０４３８　４２７２０２８　３１．９　２２．４　２１．５　－０．７　＂ＣＳＢ１＂６３０８７４　４２７１９７５　３０．７　２１．６　１１．８　－０．７　＂ＣＳＢ１０＂６３０８７５　４２７２００７　３０．４　２１．１　１３．２　－０．７　＂ＣＳＢ１１＂………………第一行数据依次定义东坐标、北坐标、第一层顶面名称、第一层底面名称、第二层底面名称、钻孔编号；第二行数据定义了分层位置为高程或深度模式及各分层面岩性定名；第三行数据依次描述了数据行数、岩性分界面个数、各分界面序号；第四行以后为各钻孔在对应岩层面上的点数据描述，若分层数据缺失，用ｐｉｎｃｈ表示。（３）ＧＭＦ文件ＧＭＦ文件以ＰＧＦ文件或ＧＥＯ文件为基础数据制作而成，包含一系列用于定义地层各分层点的数据。ＧＭＦ文件不限于垂直钻孔，每一层都可有任意数量的坐标点，需要采用插值算法来处理透镜体和倾斜地层。其格式如下：ｕｎｉｔｓｍｓｕｒｆａｃｅ０Ｔｏｐ１１０８６．５１２８３０．７４．５１１１９９．０１２８１０．２４…………………第一行定义数据单位；第二行定义层面序号及名称；第三行以后为数据区，包含东坐标、北坐标、高程。２．２　属性数据在地质数据中，除岩性数据、构造数据外，还有密度、孔隙度、电导率、重力、温度、地震、电阻等物探数据，污染物浓度、盐度、浮游生物密度等环境数据，以及如地下水位的变化、地形变化等带有时间效应的数据。针对这些属性数据可以选用合适的插值方法进行三维属性建模。ＥＶＳ中采用两种不同的ＡＳＣＩＩ数据格式来表示属性数据，具体格式如下：（１）ＡＰＤＶ：一种空间点数据格式，表示在某一点进行测量的分析数据。其格式如下：ＸＹＥＬＥＶ＠＠１ＤＣＡ１ＤＣＥＴＣＥＶＣＳＩＴＥ＿ＩＤＥｌｅｖａｔｉｏｎｍ　５０　４　ｍｇ／ｋｇ　ｕｇ／ｋｇ　ｕｇ／ｋｇ　ｍｇ／ｋｇ１２００８１２４３１２２．９２２ＮＤ５００＜０．０１ＣＳＢ３９１２００８１２４３１１８．９＜０．０１＜０．０１２８００＜０．０１ＣＳＢ３９１２００８１２４３１１３．４＜０．０１＜０．０１２９０＜００１ＣＳＢ３９………………

第６期陈　兵，等：基于ＥＶＳ的三维地质建模研究２０２０年１２月第一行数据依次定义东坐标、北坐标、高程、数据项１、数据项２、……、点编号；第二行定义分层位置高程模式及单位；第三行依次定义数据区行数、数据项个数、数据项单位；第四行以后为数据区，若分析数据未检出，用“ＮＤ”表示。（２）ＡＩＤＶ：一种空间区间数据格式，表示在某一段高程（深度）范围内测量的分析数据。该数据格式与ＡＰＤＶ格式数据类似，区别在于把某一点的高程用某一段的起始高程来表示。３　ＥＶＳ建模方法ＥＶＳ内置上百个功能模块，用户可根据需求进行模块组合，灵活定制工作流，实现各种功能。地质实体的几何形态建模是建立地质体结构模型，为构造建模。地质实体内部属性参数的建模是建立地质体内部物理、化学属性参数模型，为属性建模［８］。３．１　构造建模ＥＶＳ主要有地层建模和岩性建模两种基本方法，在建模时这两种方法可以相互套用，进行混合建模，也可加入地质剖面作为建模约束条件，进行剖面建模，以满足实际需求。３．１．１　地层建模地层建模适用于地层层序比较清晰、地层新老关系比较明确、钻孔分层相对简单的情况，根据地质平剖面界线以及钻孔分层数据建立地层分界面，用地层分界面模拟出地质体，地层建模流程如图５所示。该方法在人机交互层面划分过程中结合了地质人员的认识，优点是建模过程中插值速度快，缺点是对于透镜体分布较多及溶洞、采空区等多Ｚ值地质体的表达能图５　地层建模流程图力差。３．１．２　岩性建模岩性建模适用于地层无新老关系、钻孔分层复杂、层序不能一目了然或存在不规则岩体、脉体、岩溶、采空区等多Ｚ值地质体的情况，采用克里金法和随机模拟法等统计方法，根据已知岩性的分布位置，计算出各种岩性在空间上的分布概率，其本质是地统计学的数值模拟，岩性建模流程如图６所示。该方法优点可实现程序化工作，无需人工干预，缺点是数值模拟结果可能会出现与地质认识不符的情况。　９图６　岩性建模流程图３．１．３　混合建模多数地质条件表现为无序分布，这种情况下就需要先进行主层的地层建模，再进行亚层的岩性建模，最终建立区域内的地质模型，如图７所示。３．１．４　剖面建模在钻孔比较少的地质区域，需添加辅助剖面，可把辅助剖面作为建模的层位约束条件，其建模流程如图８所示。３．２　属性建模地质建模除表达地层岩性分布特征外，还需进一步根据区域内电阻率、温度、地应力等属性数据建立三维属性模型。ＥＶＳ根据属性数据文件，利用ｋｒｉｇ＿３ｄ模块选用相应的插值方法对属性数据进行插值建立三维属性模型，如图９所示。４　结束语ＥＶＳ是一个可进行仿真三维地质建模的平台，结合地质数据分布特征，选用合适的空间插值方法及网格类型，根据不同地质条件选用相应的建模方法及流

１　０第６期陈　兵，等：基于ＥＶＳ的三维地质建模研究２０２０年１２月图７　混合建模流程图图９　属性建模流程图参考文献：［１］　雷