地质三维数字化探讨

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Ⅰ、地质三维数字化定义 随着计算机与信息技术的高速发展，尤其是近年来“数字地球”理念的提出，地质三维数字化迎来了历史性发展机遇和广阔发展空间。 地质三维数字化，就是以地球三维地理空间中全面的地下各项内容，包括地层、土质、岩石、地下水、海水、废物、石油、天然气、矿藏等为对象，对这些对象相应在地球三维地理空间上各点的属性、状态、特征等的分布建立统一三维数字化描述，以便充分利用此来促进和改进地下、市政、交通、水利、港航、电力等土木建筑工程，以及规划、环保、矿藏开采、减灾防灾等“数字地球”各领域的深入发展与应用。 Ⅱ、地质三维数字化的研究现状 地质数字化方面的工作可以说很久以前就开展了，勘察系统采用的勘察报告就是一种最为简单的地质数字化工作，地理信息系统（GIS）与工程地质、石油地质等方面的结合是更高层次上的地质数字化应用工作，此外工程数值分析其实质也是研究工程地质应力与应变属性的一项数字化研究工作。应该说目前在这三方面国内外都取得了很大的发展，尤其在工程数值分析领域三维数字化已取得了较大的成功，如通过三维有限元、三维离散元方法等在一定程度上能建立起统一三维应力、应变描述等。 归纳起来，所有这些地质数字化方面的工作本质上都是基于已知离散点资料的基础上，进行分析计算的。如地质勘察报告是基于XOZ平面内离散点分析得出的，目前国内一些商业工程地质分析软件也有基于XOY平面适当考虑Z方向的影响来分析的，或者是考虑基于三维曲面离散点来分析的，但是对于地质工程属性分析来说，由于地质空间分布的复杂性、模糊性与不确定性，在已知地质钻孔资料的基础上，仅从其中剥离出有限个离散点在给定面的基础上分析是建立不起三维地质工程属性统一描述的。三维工程数值分析其实质也是基于已知离散点插值来实现的，同时由于工程地质对象（土、石、砂、水等）应力、应变属性的相互关系（本构关系）无法把握，用于分析工程地质应力、应变的前提即工程地质条件太简单，与现实地质条件相差太员，以及把已知力或位移边界条件简化成离散点进行考虑，因此即使建立起来三维应力、应变描述，其适用性与精确性到底有多大值得怀疑。 此外在矿藏、石油等地质分析领域，象工程地质数值分析中采用土体本构关系一样，基于矿藏、石油的成因机理等，提出了相应的三维分布模型，在此基础上通过离散已知点资料来分析求解。当然此时建立三维描述是可以的，但是其精确性象三维工程数值分析一样仍然存在很大不足，其一是很难真正找出具有一定代表性的合理化的地质三维分布模型，其二求解时在所有已知钻孔地质资料边界条件上必须进行大大简化。 Ⅲ、地质三维数字化研究对策 地质三维数字化的研究瓶颈，也是三维地质数字化建模的最关键点，最终可抽象为一个核心数学问题，就是如何从有限个已知属性的无穷子空间反演整个母空间属性，从而超越现有由有限个离散点的属性来分析、反演母空间的属性的算法。 如已知每一钻孔点地质资料就是一个有着无数个元素的一维子空间，地质遥感数据就是一个有着无数个元素的二维子空间，地质雷达探测数据也是一个个有着无数个元素的二维子空间；对这个场地进行三维数字化，就是如何由这些已知的有限无穷子空间，推导整个场地空间内各点的属性、状态、或特征。这是解决三维地质数字化所有问题的最关键所在。 基于地质背景的复杂性，从确定性方向建立地质统一三维分析模型既不可能也不科学，但是单纯从模糊理论、概率理论、随机理论方面进行考虑却找不到合适的切入点。自1999年5月起，我就开始开展地质三维数字化研究，目前已取得了一定的进展，其研究对策是综合模糊理论、概率理论、随机理论、神经网络的核心思想，并在此基础上构造了泛信数学空间，可以给从有限个已知属性的无穷子空间反演整个母空间属 性这个问题的解决提供一个新的思路。泛信数学空间中构造的几个基本概念如下： 1、映征、法则域与法则度量函数 f是X到Y的映征，在两个集合X、Y之间，其中X集合中元素某单一性质状态为N（N可以为无穷大），Y集合是对X集合中元素该单一性质描述的N维状态特征量，如果存在一个法则f使得X中每个元素x，在Y中都有唯一N维状态特征量元素y与之对应，其中法则f由法则域与法则度量函数确定。映征是映射概念的一种推广。 法则域是构造法则f的集合源Z，显然法则域Z是集合X的子集。 法则度量函数是以法则域为样本，用来度量集合X属性特征张量的函数权重。 2、泛信集 设在论域U、属性特征域W（有限集），以及由法则域Z（ZÌU，可以是无穷空间）和法则度量函数g确定的泛信空间上给定一个映征： 称A为U、Z、W上的泛信集，A（u）称为A的泛信隶属函数。 3、泛信主极和泛信均M极 称属性j为i点的泛信主极，在论域U中待求元素i点的属性特征向量值ωi中存在最大的分量值ωij。 称属性j、k、l、...为i点的泛信均M（M>1）极，在论域U中待求元素i点的属性特征向量值ωi中同时存在M个最大相等的分量值ωij、ωiK、ωil、...。 4、法则度量函数g构造的条件 设法则域Z对应的属性特征值为WZ，则法则度量函数g必须满足二个必要条件： a、A(z)=WZ，即有： b、给定论域U上点u1 、u2ÎU，如果在泛信集A上，u1与法则域Z的距离小于u2与法则域Z的距离，则有： A(u1)-WZ< A(u2)-WZ 当然法则度量函数也与论域U的背景有关系，目前作者已初步构造出了能满足以上两个必要条件的法则度量函数g。 Ⅳ、地质三维数字化应用前景 地质三维数字化是地学、数学、计算机、软件、信息、环保、工程、建筑等多领域相结合的边缘高新技术领域，其将可能在勘察业、软件市场、工程数值分析、“数字地球”四个层次领域有着广泛的应用前景。 1、变革勘察业的成果。 三维数字化的地质可以提供全方位的、可视化、动态的、虚拟化的勘察报告，彻底改变传统两点一连线简单而又欠科学分析的勘察报告方式，可以大大提高工程投标、设计、分析的竞争力，走向国际社会，参与国际大型工程竞争，开拓新的市场。 2、开拓软件业高科技市场 地质三维数字化可以将GIS发展成为GDS （Geographic Digital System），开创全新的经济形式。GDS是以地球地理位置、全面的地下各种信息，包括地层、土质、岩石、地下水、废物、石油、天然气、矿藏等各种资源，以及地下管线、管道、地下水等各种地下信息的三维分布为平台建立起来的地球地下数据信息数字化系统。GDS 将是GIS的高级形式，能够真正进行高层次的智能应用与分析，将构筑成“数字地球”体系的核心软件平台之一。 3、实现工程数值分析的革命 地质三维数字化，不仅可以为工程数值分析提供充分准确的已知边界条件，改进数值分析的精度，而且使建立概率性、随机性、模糊性数值分析方法成为可能。 4、构筑“数字地球”的核心支撑子系统 地质三维数字化可以实现智能建筑、环保、防灾、规划、地矿、石油、海洋等有关新世纪“数字地球”关键技术的革命。全面地质资料的信息化、可视化查询，抗震、滑坡、塌陷等防灾专家智能化分析，环境土工、地下水污染、地下放射性废物、地下垃圾等的专家智能化环保分析，建筑工程设计、监理、施工、咨询等专家智能化分析，城市建筑、交通专家智能化规划，地下各种管线、管道、地下建筑物等的寿命、安全、布局专家智能化分析，油田、煤炭、天然气、矿藏等的专家智能化评估、管理与开发，以及以上各种内容的远程虚拟化技术应用等，都离不开地质三维数字化。比如要分析地下水污染的影响，就必须了解地下水在整个地下的运动途径，要了解这个运动途径，就必须掌握这个地下的三维地质分布，因为不同的土层对地下水将有不同的影响，因此可以说没有真正实现地质三维数字化，更高层次上的地下水污染问题的研究就很难取得成功。