1 引言
2D地質(zhì)圖是基于同一平面坐標(biāo)參照系件缸，按一定的比例尺將工作區(qū)內(nèi)的各種地質(zhì)體(地層、巖體叔遂、礦體等)及地質(zhì)現(xiàn)象(斷層他炊、褶皺等)的分布及其相互關(guān)系，垂直投影到同一水平面上掏熬，用以反映區(qū)內(nèi)地殼表層的地質(zhì)特征佑稠。從1815年由英國(guó)地質(zhì)學(xué)家William Smith編輯的世界上第一幅描述英格蘭、威爾士與蘇格蘭的地質(zhì)構(gòu)造及地層關(guān)系的地質(zhì)圖出版起旗芬，由于技術(shù)的限制舌胶，2D紙質(zhì)地質(zhì)圖一直是地質(zhì)信息的主要表現(xiàn)形式。不僅是研究的基礎(chǔ)疮丛，更是為社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的重要內(nèi)容幔嫂。隨著IT的發(fā)展辆它，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制圖(CAD)技術(shù)履恩、GIS技術(shù)及3D地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展锰茉，地質(zhì)信息的表達(dá)實(shí)現(xiàn)了從2D紙質(zhì)地質(zhì)圖、數(shù)字地質(zhì)圖切心、地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)+數(shù)字地質(zhì)圖到3D地質(zhì)模型的3次重大突破飒筑。
2 從紙質(zhì)地質(zhì)圖到數(shù)字地質(zhì)圖是地質(zhì)信息表達(dá)方式的第一次突破
上個(gè)世紀(jì)70年代數(shù)字制圖技術(shù)已進(jìn)入了實(shí)用階段，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局BGS1971年就采用計(jì)算機(jī)輔助的方法出版了第一幅彩色地質(zhì)圖(圖1)(姜作勤绽昏，1999)协屡。德國(guó)地學(xué)與資源研究院BGR1977年購(gòu)置了德國(guó)ARISTO公司生產(chǎn)的CD400自動(dòng)制圖系統(tǒng)，開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)輔助的方法編制與出版地質(zhì)圖全谤。美國(guó)地調(diào)所經(jīng)過(guò)幾年的準(zhǔn)備肤晓，于1977年正式開(kāi)始全國(guó)數(shù)字制圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)工作。80年代開(kāi)始认然，不僅發(fā)達(dá)國(guó)家补憾，包括發(fā)展中國(guó)家如希臘、泰國(guó)等都在不同程度上采用數(shù)字制圖技術(shù)生產(chǎn)地學(xué)圖件(姜作勤卷员，1994)盈匾。90年代中期開(kāi)始，在發(fā)達(dá)國(guó)家子刮，數(shù)字制圖這種新的工作方式不僅納入了地質(zhì)圖的生產(chǎn)流程威酒，且開(kāi)始占統(tǒng)治地位(姜作勤，1996a)挺峡。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS在1995年向國(guó)際制圖協(xié)會(huì)提交的國(guó)家報(bào)告(Terry A. Slocum, ?1995)指出葵孤，在被調(diào)查的單位中，即使聲稱仍有很大的比例采用傳統(tǒng)手工方式進(jìn)行制圖的單位中橱赠，其比例也已低于50%尤仍，這就意味著，數(shù)字制圖技術(shù)已在地質(zhì)圖的生產(chǎn)中占據(jù)了統(tǒng)治地位狭姨，正在從根本上改變傳統(tǒng)的制圖方式宰啦。
CAD技術(shù)的開(kāi)發(fā)與成功應(yīng)用使數(shù)字地質(zhì)圖應(yīng)運(yùn)而生。這種以計(jì)算機(jī)可讀的形式存儲(chǔ)的地質(zhì)圖與傳統(tǒng)手工方式相比饼拍，大大減少了制圖工序赡模、縮短了地質(zhì)圖出版周期，不僅降低成本师抄，提高了效率漓柑，且易于修編與共享，可根據(jù)要求隨時(shí)生成紙質(zhì)圖件×静迹可以說(shuō)這是地質(zhì)信息表達(dá)方式的第一次突破瞬矩。
3 地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)+數(shù)字地質(zhì)圖是地質(zhì)信息表達(dá)方式的第二次突破
起源于上個(gè)世紀(jì)60年代，80年代中期開(kāi)始在地學(xué)領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用的GIS技術(shù)具有綜合管理锋玲、集成與分析地質(zhì)景用、地球物理、地球化學(xué)及遙感等多元地學(xué)信息的能力惭蹂。美國(guó)伞插、加拿大與澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家的地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)自80年代中期先后開(kāi)始的新一代地質(zhì)填圖，其核心是采用多學(xué)科填圖的方法盾碗，應(yīng)用GIS與CAD技術(shù)建立地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)蜂怎，生產(chǎn)數(shù)字地質(zhì)圖(姜作勤，1996b)置尔。地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)成為地質(zhì)圖和地質(zhì)報(bào)告的配套產(chǎn)品，共同組成地質(zhì)調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)出氢伟，地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)成為地質(zhì)信息的重要表現(xiàn)形式(圖2)榜轿。
基于GIS的地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)除了與數(shù)字地質(zhì)圖一樣，采用統(tǒng)一的坐標(biāo)參照系朵锣，將地質(zhì)實(shí)體與現(xiàn)象抽象為點(diǎn)谬盐、線與面幾何元素，用以表達(dá)地質(zhì)體之間的位置與幾何形態(tài)外诚些，還具有下列特點(diǎn)：
(1) 用拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)地質(zhì)體之間的相鄰飞傀、組成、壓蓋诬烹、包含等空間關(guān)系;
(2) 設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)模型描述與存儲(chǔ)專題屬性砸烦。這些屬性不僅包括地質(zhì)圖中的信息，還包括地質(zhì)報(bào)告中關(guān)于地層绞吁、構(gòu)造與巖性等與應(yīng)用有關(guān)的的重要專題屬性;
(3)采用信息分類編碼技術(shù)幢痘，對(duì)專題屬性信息的語(yǔ)義進(jìn)行規(guī)范。對(duì)具有隸屬關(guān)系的屬性如地層等采用層次編碼的方法進(jìn)行編碼家破，提高查詢檢索的效率颜说。這些特點(diǎn)構(gòu)成了地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)字地質(zhì)圖最本質(zhì)的差別。
由于建立了空間數(shù)據(jù)庫(kù)汰聋，在GIS及基于GIS開(kāi)發(fā)的各種分析處理軟件的支持下门粪，就能夠通過(guò)各種空間、屬性或空間與屬性的組合檢索烹困，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意區(qū)域(如圖幅玄妈、行政區(qū)劃、研究區(qū)等)的空間和屬性信息的有效提取，實(shí)現(xiàn)多種空間分析措近，包括地形分析溶弟、疊置分析、緩沖區(qū)分析瞭郑、網(wǎng)絡(luò)分析辜御、統(tǒng)計(jì)與空間統(tǒng)計(jì)分析等，支持充分利用已有信息屈张，進(jìn)行離線或在線的編圖擒权，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助礦產(chǎn)、能源與水的資源評(píng)價(jià)阁谆、工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)碳抄、土地適用性評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)场绿、地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)剖效、防治與減災(zāi)以及資源管理等。地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立焰盗，不僅大大提高了地質(zhì)圖信息利用的靈活度與效率璧尸，而且為多元地學(xué)信息的綜合分析奠定了基礎(chǔ)。從數(shù)字地質(zhì)圖到地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)+數(shù)字地質(zhì)圖雖然間隔時(shí)間不長(zhǎng)熬拒，但卻涉及地質(zhì)信息表達(dá)觀念的變化爷光，可以說(shuō)是地質(zhì)信息表達(dá)的第二次突破。
4 3D地質(zhì)模型是地質(zhì)信息表達(dá)方式的第三次突破
4.1 3D地質(zhì)模型及其優(yōu)越性
3D地質(zhì)模型是將3D空間坐標(biāo)(x, y, z)作為獨(dú)立參數(shù)來(lái)對(duì)地質(zhì)空間對(duì)象進(jìn)行幾何與屬性建模澎粟。采用面建模技術(shù)建立的3D實(shí)體模型描述地質(zhì)體的整體形態(tài)與屬性蛀序，通常用于建立地質(zhì)框架模型;采用體元建模技術(shù)建立的3D地質(zhì)模型能夠?qū)⒌刭|(zhì)體的任意物理化學(xué)特征存儲(chǔ)在不同大小的規(guī)則或非規(guī)則的體元中，描述地質(zhì)體內(nèi)部這些特征的變化與分布活烙。
與2D地質(zhì)圖相比徐裸，3D地質(zhì)模型具有如下優(yōu)勢(shì)：
(1) 還地質(zhì)以本來(lái)面目。采用3D建模技術(shù)啸盏，建立真3D地質(zhì)模型倦逐，表達(dá)地層、構(gòu)造宫补、巖石等地質(zhì)體的空間位置檬姥、幾何形態(tài)以及地質(zhì)體之間的空間或空間與時(shí)間的關(guān)系;
(2) 直觀易懂。不僅可有效表達(dá)專業(yè)人員的地質(zhì)知識(shí)粉怕，而且大大提高了非專業(yè)用戶對(duì)地質(zhì)知識(shí)的理解能力健民。如何使用戶理解地質(zhì)知識(shí)，加強(qiáng)與用戶的交流溝通一直是困擾專業(yè)人員的問(wèn)題贫贝。許多潛在的非專業(yè)用戶及決策者秉犹，他們不會(huì)解釋基本的地質(zhì)數(shù)據(jù)蛉谜、不會(huì)評(píng)價(jià)不同解釋的優(yōu)劣、不會(huì)區(qū)分理論與事實(shí)崇堵，他們需要結(jié)論型诚，而不是數(shù)據(jù)，即以可理解的形式表達(dá)的信息鸳劳。3D模型就是一種比較易于理解的信息表達(dá)方式;
(3) 3D地質(zhì)模型是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的模型狰贯，因此是動(dòng)態(tài)的∩屠可從任意角度觀察地質(zhì)體及其相互關(guān)系涵紊、可在任選方向?qū)?D模型進(jìn)行剖切生成相應(yīng)的剖面圖;由于建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，在觀察的同時(shí)幔摸，可顯示其屬性摸柄，可選擇某一類地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行單獨(dú)顯示、也可進(jìn)行分離爆炸式顯示既忆，便于觀察驱负，這是2D數(shù)字地質(zhì)體不可比擬的;
(4) 除表達(dá)地質(zhì)體的幾何形態(tài)與相互之間的空間關(guān)系外，3D地質(zhì)模型即可描述地質(zhì)體的整體屬性患雇，又可描述地質(zhì)體內(nèi)各種物理屬性的變化與分布电媳。通過(guò)與各種數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)及數(shù)字模擬軟件集成，3D地質(zhì)模型即可用于油氣與地?zé)岬饶茉吹脑u(píng)價(jià)庆亡，礦產(chǎn)資源勘察與潛力評(píng)價(jià)、地下水資源評(píng)價(jià)捞稿、地下水污染的運(yùn)移與評(píng)價(jià)又谋、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)以及工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等。
4.2 3D地質(zhì)建模的發(fā)展
地質(zhì)學(xué)以地球?yàn)橹饕芯繉?duì)象娱局，其本質(zhì)就是多維的彰亥，自從有了地質(zhì)工作，專家們就一直尋求表達(dá)3D地質(zhì)信息的方法衰齐。1815年William Smith在編輯出版第一幅地質(zhì)圖時(shí)任斋，同時(shí)出版了該區(qū)域的綜合剖面圖用以表達(dá)3D地質(zhì)信息。
英美等國(guó)上個(gè)世紀(jì)20年代開(kāi)始探索耻涛，在70年代大大加強(qiáng)的塊狀單元填圖(stack-unit mapping)方法生成的塊狀單元圖使用符號(hào)废酷、顏色或花紋對(duì)深度進(jìn)行編碼，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)3D地質(zhì)信息的表達(dá)(Richard C. Berg and David R. Soller, 2005)抹缕。
此外澈蟆，線框圖、柵狀圖卓研、2D數(shù)字地質(zhì)圖與DEM數(shù)據(jù)構(gòu)成2.5D地質(zhì)圖等都是在真3D地質(zhì)模型出現(xiàn)之前對(duì)3D信息的某種程度的表達(dá)(圖3)(J. Nicholas Van Driel, 1989)趴俘。
3D地質(zhì)(地學(xué))建模的研究從上個(gè)世紀(jì)80年代中期開(kāi)始睹簇。隨著GIS在2D編圖與分析方面取得相當(dāng)大的進(jìn)展，人們開(kāi)始將研究開(kāi)發(fā)的注意力轉(zhuǎn)向在多個(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)3D地學(xué)編圖與建模系統(tǒng)(Raper J., 1989)寥闪，并有多篇論文闡述地質(zhì)界對(duì)3D建模系統(tǒng)的功能需求(Turner太惠，A. K.，1992)疲憋。1984-89年凿渊，德國(guó)實(shí)施了一個(gè)題為“Digital Geoscientific Mapping”的大規(guī)模的研究項(xiàng)目，有24個(gè)研究團(tuán)隊(duì)參與柜某，3D數(shù)據(jù)的可視化與管理列入研究?jī)?nèi)容(Vinken嗽元，1986)
直到1988-1989年，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作站的發(fā)展使計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與圖形能力大幅提高喂击，很大程度上克服了3D地學(xué)建模的主要障礙剂癌，包括存儲(chǔ)設(shè)備太貴、處理速度太慢翰绊、顯示的分辨率太低佩谷，生成有價(jià)值的顯示的成本太高等，開(kāi)始出現(xiàn)了商業(yè)化的3D地學(xué)建模系統(tǒng)(Turner, A.K., (Ed.), 1992)监嗜，3D地學(xué)建模的應(yīng)用也隨之出現(xiàn);
美谐檀、英、加拿大裁奇、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家的地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)于90年代中期先后開(kāi)始了3D地質(zhì)建模的探索與應(yīng)用研究(Gill Norton桐猬，1998; Matile, G.L.D., Thorleifson, L.H., et al, 1999; RS Blewett， DL Huston & DC Champion刽肠，2001)溃肪。經(jīng)過(guò)幾年的技術(shù)準(zhǔn)備與建模實(shí)踐，加上計(jì)算機(jī)性能的快速提高以及3D可視化與建模技術(shù)的發(fā)展音五，使原本只能在專業(yè)圖形工作站上運(yùn)行的價(jià)格昂貴的3D建模系統(tǒng)可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行惫撰，從2005年左右開(kāi)始，各國(guó)GSO的3D地質(zhì)建模進(jìn)入了比較快速的發(fā)展階段躺涝。
4.3 3D地質(zhì)建模已列入GSO的各類發(fā)展戰(zhàn)略或計(jì)劃厨钻，應(yīng)用于地學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，一批不同尺度的3D地質(zhì)模型作為產(chǎn)品已在網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)坚嗜，地質(zhì)信息的表達(dá)實(shí)現(xiàn)了第3次突破
2005年前后夯膀，以生產(chǎn)產(chǎn)品為目的3D地質(zhì)建模開(kāi)始列入各國(guó)GSO的發(fā)展戰(zhàn)略、填圖計(jì)劃及水資源苍蔬、礦產(chǎn)乘瓤、能源谆扎、環(huán)境與災(zāi)害等各類計(jì)劃掐暮，包括BGS 2005-2010年的科學(xué)戰(zhàn)略計(jì)劃， USGS 2007-2011的NCGMP計(jì)劃励翼，地質(zhì)災(zāi)害計(jì)劃;加拿大GSC的2009-2014地下水科學(xué)計(jì)劃及2005-2010年的TGI-3礦產(chǎn)資源計(jì)劃，澳大利亞的國(guó)家填圖計(jì)劃及2003-2007的新石油計(jì)劃辜荠、2006-2011的能源安全計(jì)劃(陸地和海域)及水資源計(jì)劃等汽抚。
根據(jù)對(duì)由美國(guó)和加拿大地質(zhì)協(xié)會(huì)自2001年至2013年聯(lián)合舉辦的8屆3D建模研討會(huì)、2011年發(fā)表的《地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)3D建模綜述》(Richard C. Berg, Stephen Mathers, Holger Kessler and Donald A. Keefer, 2011)及2012年34屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)資料的分析伯病，3D地質(zhì)建模已在基礎(chǔ)地質(zhì)研究造烁、水資源勘探與保護(hù)、能源的獲取與存儲(chǔ)午笛、土地利用與規(guī)劃惭蟋、市政工程與基礎(chǔ)設(shè)施、核廢料處置與二氧化碳存儲(chǔ)药磺、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)告组、地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)、考古發(fā)現(xiàn)癌佩、教育與宣傳等眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用木缝。
經(jīng)過(guò)多年的努力，建立了一批國(guó)家围辙、州(省)及局部研究區(qū)等不同尺度的3D地質(zhì)模型產(chǎn)品我碟。
國(guó)家尺度的3D地質(zhì)模型產(chǎn)品主要包括BGS的LithFrame3D及國(guó)家地質(zhì)模型第一階段成果-國(guó)家基巖3D交叉剖面柵狀圖;荷蘭的2個(gè)國(guó)家尺度的地質(zhì)框架模型;
州(省)層次的3D地質(zhì)模型：澳大利亞塔斯馬尼亞州與維多利亞州的3D地質(zhì)框架模型;加拿大曼尼托巴省的模型正在建設(shè)中;
局部研究區(qū)的3D模型：澳大利亞主要成礦省及陸地和海域資源潛力大的地區(qū)的的3D地質(zhì)模型以及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估和海岸環(huán)境等幾十個(gè)3D模型;美國(guó)聯(lián)邦與州的地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)建立的用于含水層評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害姚建、冰川沉積的地下3D地質(zhì)框架模型矫俺。加拿大的含水層模型評(píng)價(jià)的3D模型、阿爾伯達(dá)與安大略省的重點(diǎn)區(qū)域地下水與第四紀(jì)地質(zhì)模型等;德國(guó)掸冤、法國(guó)厘托、荷蘭、波蘭與丹麥等國(guó)的GSO建立的3D模型贩虾。
綜上所述，3D地質(zhì)模型已應(yīng)用于地學(xué)各個(gè)領(lǐng)域沥阱，一批不同尺度的3D地質(zhì)模型作為產(chǎn)品已在網(wǎng)上發(fā)布服務(wù)缎罢，地質(zhì)信息的表達(dá)形式實(shí)現(xiàn)了繼數(shù)字地質(zhì)圖、地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)+數(shù)字地質(zhì)圖到3D地質(zhì)模型的第3次重大突破考杉。正如BGS于2010年在其網(wǎng)站上發(fā)表的紀(jì)念成立175周年的文章中所說(shuō)策精，從地質(zhì)圖到3D地質(zhì)模型，終于實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)學(xué)家的夢(mèng)想崇棠，這是來(lái)自BGS的重大突破(圖4)咽袜。
