从2D纸质地质图到3D地质模型 地质信息表达三大突破
1 引言
2D地质图是基于同一平面坐标参照系，按一定的比例尺将工作区内的各种地质体(地层、岩体、矿体等)及地质现象(断层、褶皱等)的分布及其相互关系，垂直投影到同一水平面上，用以反映区内地壳表层的地质特征。从1815年由英国地质学家William Smith编辑的世界上第一幅描述英格兰、威尔士与苏格兰的地质构造及地层关系的地质图出版起，由于技术的限制，2D纸质地质图一直是地质信息的主要表现形式。不仅是研究的基础，更是为社会与经济发展服务的重要内容。随着IT的发展，特别是计算机技术、计算机辅助制图(CAD)技术、GIS技术及3D地质建模技术的发展，地质信息的表达实现了从2D纸质地质图、数字地质图、地质图空间数据库+数字地质图到3D地质模型的3次重大突破。
2 从纸质地质图到数字地质图是地质信息表达方式的第一次突破
上个世纪70年代数字制图技术已进入了实用阶段，英国地质调查局BGS1971年就采用计算机辅助的方法出版了第一幅彩色地质图(图1)(姜作勤，1999)。德国地学与资源研究院BGR1977年购置了德国ARISTO公司生产的CD400自动制图系统，开始采用计算机辅助的方法编制与出版地质图。美国地调所经过几年的准备，于1977年正式开始全国数字制图数据库的建设工作。80年代开始，不仅发达国家，包括发展中国家如希腊、泰国等都在不同程度上采用数字制图技术生产地学图件(姜作勤，1994)。90年代中期开始，在发达国家，数字制图这种新的工作方式不仅纳入了地质图的生产流程，且开始占统治地位(姜作勤，1996a)。美国地质调查局USGS在1995年向国际制图协会提交的国家报告(Terry A. Slocum, 1995)指出，在被调查的单位中，即使声称仍有很大的比例采用传统手工方式进行制图的单位中，其比例也已低于50%，这就意味着，数字制图技术已在地质图的生产中占据了统治地位，正在从根本上改变传统的制图方式。
图1 世界上第一幅地质图
CAD技术的开发与成功应用使数字地质图应运而生。这种以计算机可读的形式存储的地质图与传统手工方式相比，大大减少了制图工序、缩短了地质图出版周期，不仅降低成本，提高了效率，且易于修编与共享，可根据要求随时生成纸质图件。可以说这是地质信息表达方式的第一次突破。
3 地质图空间数据库+数字地质图是地质信息表达方式的第二次突破
起源于上个世纪60年代，80年代中期开始在地学领域逐步得到广泛应用的GIS技术具有综合管理、集成与分析地质、地球物理、地球化学及遥感等多元地学信息的能力。美国、加拿大与澳大利亚等发达国家的地质调查机构自80年代中期先后开始的新一代地质填图，其核心是采用多学科填图的方法，应用GIS与CAD技术建立地质图空间数据库，生产数字地质图(姜作勤，1996b)。地质图空间数据库成为地质图和地质报告的配套产品，共同组成地质调查的标准产出，地质图空间数据库成为地质信息的重要表现形式(图2)。
图 2 地质图空间数据库+数字地质图
基于GIS的地质图空间数据库除了与数字地质图一样，采用统一的坐标参照系，将地质实体与现象抽象为点、线与面几何元素，用以表达地质体之间的位置与几何形态外，还具有下列特点：
(1) 用拓扑关系表达地质体之间的相邻、组成、压盖、包含等空间关系;
(2) 设计合理的数据模型描述与存储专题属性。这些属性不仅包括地质图中的信息，还包括地质报告中关于地层、构造与岩性等与应用有关的的重要专题属性;
(3)采用信息分类编码技术，对专题属性信息的语义进行规范。对具有隶属关系的属性如地层等采用层次编码的方法进行编码，提高查询检索的效率。这些特点构成了地质图空间数据库与数字地质图最本质的差别。
由于建立了空间数据库，在GIS及基于GIS开发的各种分析处理软件的支持下，就能够通过各种空间、属性或空间与属性的组合检索，实现对任意区域(如图幅、行政区划、研究区等)的空间和属性信息的有效提取，实现多种空间分析，包括地形分析、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、统计与空间统计分析等，支持充分利用已有信息，进行离线或在线的编图，进行计算机辅助矿产、能源与水的资源评价、工程稳定性评价、土地适用性评价、地质环境评价、地震灾害风险评价、防治与减灾以及资源管理等。地质图空间数据库的建立，不仅大大提高了地质图信息利用的灵活度与效率，而且为多元地学信息的综合分析奠定了基础。从数字地质图到地质图空间数据库+数字地质图虽然间隔时间不长，但却涉及地质信息表达观念的变化，可以说是地质信息表达的第二次突破。
4 3D地质模型是地质信息表达方式的第三次突破
4.1 3D地质模型及其优越性
3D地质模型是将3D空间坐标(x, y, z)作为独立参数来对地质空间对象进行几何与属性建模。采用面建模技术建立的3D实体模型描述地质体的整体形态与属性，通常用于建立地质框架模型;采用体元建模技术建立的3D地质模型能够将地质体的任意物理化学特征存储在不同大小的规则或非规则的体元中，描述地质体内部这些特征的变化与分布。
与2D地质图相比，3D地质模型具有如下优势：
(1) 还地质以本来面目。采用3D建模技术，建立真3D地质模型，表达地层、构造、岩石等地质体的空间位置、几何形态以及地质体之间的空间或空间与时间的关系;
(2) 直观易懂。不仅可有效表达专业人员的地质知识，而且大大提高了非专业用户对地质知识的理解能力。如何使用户理解地质知识，加强与用户的交流沟通一直是困扰专业人员的问题。许多潜在的非专业用户及决策者，他们不会解释基本的地质数据、不会评价不同解释的优劣、不会区分理论与事实，他们需要结论，而不是数据，即以可理解的形式表达的信息。3D模型就是一种比较易于理解的信息表达方式;
(3) 3D地质模型是基于计算机系统的模型，因此是动态的。可从任意角度观察地质体及其相互关系、可在任选方向对3D模型进行剖切生成相应的剖面图;由于建立了数据库，在观察的同时，可显示其属性，可选择某一类地质实体进行单独显示、也可进行分离爆炸式显示，便于观察，这是2D数字地质体不可比拟的;
(4) 除表达地质体的几何形态与相互之间的空间关系外，3D地质模型即可描述地质体的整体属性，又可描述地质体内各种物理属性的变化与分布。通过与各种数据分析评价及数字模拟软件集成，3D地质模型即可用于油气与地热等能源的评价，矿产资源勘察与潜力评价、地下水资源评价、地下水污染的运移与评价、地质灾害评价以及工程稳定性评价等。
4.2 3D地质建模的发展
地质学以地球为主要研究对象，其本质就是多维的，自从有了地质工作，专家们就一直寻求表达3D地质信息的方法。1815年William Smith在编辑出版第一幅地质图时，同时出版了该区域的综合剖面图用以表达3D地质信息。
英美等国上个世纪20年代开始探索，在70年代大大加强的块状单元填图(stack-unit mapping)方法生成的块状单元图使用符号、颜色或花纹对深度进行编码，在一定程度上实现了对3D地质信息的表达(Richard C. Berg and David R. Soller, 2005)。
此外，线框图、栅状图、2D数字地质图与DEM数据构成2.5D地质图等都是在真3D地质模型出现之前对3D信息的某种程度的表达(图3)(J. Nicholas Van Driel, 1989)。
图3 真3D地质模型出现之前对3D地质信息的表达 (a)剖面图;b 块状单元图;c 栅状图;d 2.5D地质图
3D地质(地学)建模的研究从上个世纪80年代中期开始。随着GIS在2D编图与分析方面取得相当大的进展，人们开始将研究开发的注意力转向在多个领域设计开发3D地学编图与建模系统(Raper J., 1989)，并有多篇论文阐述地质界对3D建模系统的功能需求(Turner，A. K.，1992)。1984-89年，德国实施了一个题为“Digital Geoscientific Mapping”的大规模的研究项目，有24个研究团队参与，3D数据的可视化与管理列入研究内容(Vinken，1986)
直到1988-1989年，现代计算机工作站的发展使计算机的存储与图形能力大幅提高，很大程度上克服了3D地学建模的主要障碍，包括存储设备太贵、处理速度太慢、显示的分辨率太低，生成有价值的显示的成本太高等，开始出现了商业化的3D地学建模系统(Turner, A.K., (Ed.), 1992)，3D地学建模的应用也随之出现;
美、英、加拿大、澳大利亚等发达国家的地质调查机构于90年代中期先后开始了3D地质建模的探索与应用研究(Gill Norton，1998; Matile, G.L.D., Thorleifson, L.H., et al, 1999; RS Blewett， DL Huston & DC Champion，2001)。经过几年的技术准备与建模实践，加上计算机性能的快速提高以及3D可视化与建模技术的发展，使原本只能在专业图形工作站上运行的价格昂贵的3D建模系统可以在个人计算机上运行，从2005年左右开始，各国GSO的3D地质建模进入了比较快速的发展阶段。
4.3 3D地质建模已列入GSO的各类发展战略或计划，应用于地学各个领域，一批不同尺度的3D地质模型作为产品已在网上发布服务，地质信息的表达实现了第3次突破
2005年前后，以生产产品为目的3D地质建模开始列入各国GSO的发展战略、填图计划及水资源、矿产、能源、环境与灾害等各类计划，包括BGS 2005-2010年的科学战略计划， USGS 2007-2011的NCGMP计划，地质灾害计划;加拿大GSC的2009-2014地下水科学计划及2005-2010年的TGI-3矿产资源计划，澳大利亚的国家填图计划及2003-2007的新石油计划、2006-2011的能源安全计划(陆地和海域)及水资源计划等。
根据对由美国和加拿大地质协会自2001年至2013年联合举办的8届3D建模研讨会、2011年发表的《地质调查机构3D建模综述》(Richard C. Berg, Stephen Mathers, Holger Kessler and Donald A. Keefer, 2011)及2012年34届国际地质大会资料的分析，3D地质建模已在基础地质研究、水资源勘探与保护、能源的获取与存储、土地利用与规划、市政工程与基础设施、核废料处置与二氧化碳存储、矿产资源评价、地质灾害防灾减灾、考古发现、教育与宣传等众多领域得到了应用。
经过多年的努力，建立了一批国家、州(省)及局部研究区等不同尺度的3D地质模型产品。
国家尺度的3D地质模型产品主要包括BGS的LithFrame3D及国家地质模型第一阶段成果-国家基岩3D交叉剖面栅状图;荷兰的2个国家尺度的地质框架模型;
州(省)层次的3D地质模型：澳大利亚塔斯马尼亚州与维多利亚州的3D地质框架模型;加拿大曼尼托巴省的模型正在建设中;
局部研究区的3D模型：澳大利亚主要成矿省及陆地和海域资源潜力大的地区的的3D地质模型以及地质灾害评估和海岸环境等几十个3D模型;美国联邦与州的地质调查机构建立的用于含水层评价、地质灾害、冰川沉积的地下3D地质框架模型。加拿大的含水层模型评价的3D模型、阿尔伯达与安大略省的重点区域地下水与第四纪地质模型等;德国、法国、荷兰、波兰与丹麦等国的GSO建立的3D模型。
综上所述，3D地质模型已应用于地学各个领域，一批不同尺度的3D地质模型作为产品已在网上发布服务，地质信息的表达形式实现了继数字地质图、地质图空间数据库+数字地质图到3D地质模型的第3次重大突破。正如BGS于2010年在其网站上发表的纪念成立175周年的文章中所说，从地质图到3D地质模型，终于实现了地质学家的梦想，这是来自BGS的重大突破(图4)。
图4 一批3D地质模型已作为产品发布服务
