2. 东华理工大学地球科学学院, 南昌 330013;
3. 东华理工大学江西省数字国土重点实验室, 南昌 330013
2. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China;
3. Key Laboratory for Digital Land and Resources of Jiangxi Province, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
0 前言
三维地质建模的研究与应用始于20世纪70年代。随着计算机技术的迅速发展和建模软件的不断成熟，三维地质建模在地下水资源调查、地质灾害、水利工程建设、城市建设、油气勘探、矿山建设、深部找矿等领域得到广泛应用[1-8]，并取得丰硕成果。随着地表矿、浅部矿的日益减少，地质专家逐渐把目光投入到深部矿的探寻中，美国、英国、法国、加拿大、澳大利亚等主要西方发达国家相继开展了一系列三维地质调查计划[9]，例如美国大陆反射地震探测计划、英国反射地震计划、加拿大岩石圈探测计划、澳大利亚“玻璃地球”计划等。从20世纪50年代起，我国就开始了深部物探探测试验。针对深部找矿，中国地质调查局相继在安徽铜陵地区、湖北大冶铜绿山矿田、长江中下游的九瑞、宁芜等重要成矿区开展了三维填图试验。在城市三维地质调查方面，2003年起国土资源部在北京、上海、天津等6个大城市开展了城市立体调查试点[10]。2012年2月，中国地质调查局又在重要造山带、重要成矿带与矿集区、重要经济区和城市群三类典型地区分层次部署了13个深部三维地质调查试点项目，分层次构建了25个不同尺度、反映不同内容的三维地质模型[11]。“相山火山盆地三维地质调查”是其工作项目之一，重点探索矿集区大、中比例尺的三维地质调查方法。在相山火山盆地内，以法国南西大学开发的GOCAD软件为平台依次构建了陀上幅三维地质模型、邹家山矿床三维地质模型、沙洲矿床三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型和相山火山盆地三维地质结构模型5个不同范围、不同数据源的模型，涉及地理、地质、物探、遥感、钻探、采矿等建模数据。三维地质建模一般是在地表地质填图的基础之上，综合运用地质、物探、化探、遥感、钻探等技术手段获取地下深部地质信息；三维地质建模的核心是如何有效集成并充分利用已有多源地学数据真实客观地描述深部地质情况[12]。
三维地质建模方法按建模数据源的类型不同可以分为基于钻孔、基于地质剖面、基于野外地表地质数据、基于多源数据等建模方法。钻孔数据多适用于层状地质体的建模[13-15]，而在地质体复杂区运用钻孔数据直接建模较为困难。基于地质剖面的建模方法适用于复杂地质体模型的构建，该方法应用广泛，技术方法成熟，是现今主要采用的建模方法之一[16-20]。运用野外地表地质数据构建浅地表三维地质模型，包括将野外成果数据(地质图)切制图切剖面构建三维地质模型[21-22]、根据野外地质填图路线PRB (point-routing-boundary)数据绘制路线剖面后构建三维地质模型[23]、运用野外地质填图路线PRB数据直接构建三维地质模型[24]等方法，前2种方法都是先将野外地质填图数据转换成地质剖面，再运用基于地质剖面建模的方法构建三维地质模型。基于地质、物探、化探、遥感、钻探等多源数据的三维地质建模[25-27]所构建的模型准确性高，能够更真实地反映地质体的三维空间特征，但是数据之间的融合难度大，目前没有形成较为完整的方法体系[12, 28]。本文以江西相山火山盆地三维地质建模过程中的数据融合为例，简要介绍三维地质建模过程中的多源数据融合处理方法。
1 相山火山盆地地质概况及模型简介 1.1 相山火山盆地地质概况相山火山盆地是我国目前最大的火山岩型铀矿田，地理(115°46′24″E-116°03′30″E；27°27′1″N-27°38′12″N)上处于江西省抚州市乐安县与崇仁县交界地区。大地构造位置属于华夏板块湘桂赣地块北东缘，北距钦杭结合带约50 km，东距鹰潭-安远大断裂约15 km，遂川-德兴深大断裂从盆地北西角穿过。成矿区划分上，盆地位于NNE向大王山-于山花岗岩型铀多金属成矿带与NE向乐安-广丰火山岩型铀多金属成矿带交汇处，造就了有利的铀多金属成矿环境。目前在盆地内已探明了一大批铀矿床。
相山火山盆地基底主要为青白口系浅变质岩，盆地东缘可见小范围下泥盆统云山组碎屑岩系出露。盆地内，下白垩统打鼓顶组和鹅湖岭组覆盖于变质岩基底之上，早白垩世粗斑二长花岗斑岩沿深大断裂侵入。盆地北西角被抚州-崇仁盆地上白垩统红层覆盖，西南角有早泥盆世二长花岗岩侵位(图 1)。
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| 1.第四系残坡积物；2.上白垩统红层；3.下白垩统鹅湖岭组二段中心相含花岗质团块碎斑熔岩；4.下白垩统鹅湖岭组二段过渡相碎斑熔岩；5.下白垩统鹅湖岭组二段边缘相含变质岩角砾碎斑熔岩；6.下白垩统鹅湖岭组一段砂岩、凝灰岩；7.下白垩统打鼓顶组二段流纹英安岩；8.下白垩统打鼓顶组一段砂岩、凝灰岩；9.下泥盆统云山组砂岩；10.青白口系变质岩；11.早白垩世粗斑二长花岗斑岩；12.早泥盆世二长花岗岩；13.早泥盆世二长花岗岩；14.角度不整合界线；15.岩相界线；16.断层；17.骨干大地电磁测深(MT)剖面及编号；18.精细MT剖面及编号；19.可控源音频大地电磁测深(CSAMT)剖面及编号；20.磁力数据范围；21.重力数据范围区；22.陀上幅三维地质建模范围；23.铀矿床及矿床三维地质建模范围；24.邹家山-居隆庵三维地质模型范围；25.相山火山盆地三维地质结构模型范围；26.火山口。 图 1 相山火山盆地地质图及三维地质模型分布 Figure 1 Geological map of Xiangshan volcanic basin and 3D geological model distribution |
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模型的构建遵循由点到面、由浅到深、从粗到细的原则。针对相山火山盆地地质情况复杂的特殊性，分层次、分阶段、依次在GOCAD软件平台上构建了陀上幅三维地质模型、邹家山矿床三维地质模型、沙洲矿床三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型和相山火山盆地三维地质结构模型5个不同范围、不同深度、不同层次、不同数据源的三维地质模型，前4个模型都是为相山火山盆地三维地质结构模型的构建做准备。
1.2.1 陀上幅三维地质模型地表地质填图是三维地质调查的基础，只有充分查明地表出露的地质体和地质现象特征，理清地质体的空间组合关系，明确区域地质演化历史，才能探索各地质体的深部延伸规律。陀上幅(G50E003008)为1:5万标准图幅，范围为115°45′E-116°00′E、27°30′N-27°40′N，面积约456 km2。陀上幅范围未完全覆盖整个盆地，主要涵盖盆地北西部绝大部分面积(图 1)，但有一部分超出盆地范围。陀上幅三维地质模型是运用野外填图路线PRB数据和实测地质剖面直接构建的浅地表三维地质模型[24](图 2)。模型厚500 m，底界面与地表面平行，建模单元与地表地质填图单元一致，用于详细刻画浅地表地质体的三维展布情况，并作为深部三维地质建模的约束条件。
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| 1.第四系残坡积物；2.上白垩统莲荷组二段砾岩；3.上白垩统莲荷组一段砂岩；4.上白垩统塘边组三段粉砂岩；5.上白垩统塘边组二段砂岩；6.上白垩统塘边组一段粉砂岩；7.上白垩统河口组三段砾岩；8.上白垩统河口组二段复成分砾岩；9.上白垩统河口组一段砾岩；10.下白垩统鹅湖岭组二段中心相含花岗质团块碎斑熔岩；11.下白垩统鹅湖岭组二段过渡相碎斑熔岩；12.下白垩统鹅湖岭组二段边缘相含变质岩角砾碎斑熔岩；13.下白垩统鹅湖岭组一段砂岩、凝灰岩；14.下白垩统打鼓顶组二段流纹英安岩；15.下白垩统打鼓顶组一段砂岩、凝灰岩；16.青白口系上施组二段千枚岩；17.青白口系上施组一段片岩；18.青白口系库里组二段片岩；19.青白口系库里组一段片岩；20.早白垩世二长花岗斑岩；21.早泥盆世二长花岗岩；22.煌斑岩脉；23.硅化脉；24.地质界线；25.断层；26.河流。a.三维遥感影像图(RGB (ETM7，ETM4，ETM1)+ALOS PAN)；b.矢量三维地质图；c.三维地质模型。 图 2 陀上幅三维地质模型 Figure 2 Tuoshang 3D geological model |
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相山盆地内已探明一大批铀矿床，主要分布于盆地北部和西部，东部仅有云际矿床，南部和中部至今尚未发现矿床。北部成矿区的矿床与粗斑二长花岗斑岩密切相关，铀矿化主要产于斑岩体内部和斑岩与变质岩的接触部位；西部成矿区的矿床与构造关系密切，受断裂构造控制明显，矿体主要沿南北向断裂构造分布，从北部成矿区和西部成矿区分别选取沙洲矿床和邹家山矿床作为典型矿床进行解剖并建模(图 1)。这2个模型的建模数据主要有地形图、钻孔、勘探线剖面图、采矿中段平面图和地质图，建模深度与勘探线剖面图深度一致，深约1 km，建模单元与勘探线剖面图中的地质单元一致。邹家山矿床三维地质模型建模单元有变质岩、打鼓顶组一段、打鼓顶组二段、鹅湖岭组一段、鹅湖岭组二段和断裂构造等，盆地内重要的邹家山-石洞断裂(邹-石断裂)穿过该矿床。沙洲矿床三维地质模型中包含变质岩、沙洲单元和断裂构造等建模单元。这2个矿床模型的建模单元包含了盆地内的主要地质单元。通过这2个典型矿床模型的构建，从深度上、精度上呈现了盆地内主要建模地质体的三维空间展布特征。
1.2.3 邹家山-居隆庵三维地质模型邹家山-居隆庵地区位于盆地的西部成矿区，是铀矿重点勘查区，区内有邹家山、居隆庵、牛头山等一批铀矿床，在牛头山地区深部存在丰富的铅、锌、银多金属矿化，也是构造、地层复杂区。结合已构建的陀上幅三维地质模型和邹家山矿床三维地质模型，以14条CSAMT解译的地质剖面为主要建模据(图 1)，辅以区内钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、地质图等数据，构建2 km以浅的三维地质模型，建模单元与相山火山盆地三维地质结构模型一致。该模型主要用于重点区、复杂区地质结构的解剖，呈现主要建模地质体的三维空间展布特征和关键断裂构造的三维形态，为盆地三维地质结构模型的构建做准备。
1.2.4 相山火山盆地三维地质结构模型将已构建的前4个模型合并到同一数据库中。结合这4个模型，以19条MT解译的地质剖面为主要建模数据(图 1)，地质图、勘探线剖面图、中段平面图、钻孔等数据为约束数据，构建3 km以浅的相山火山盆地三维地质结构模型(图 3)。19条MT剖面中：2条为横跨盆地的骨干MT剖面，NNE向(GG1)和SEE向(GG2)的骨干MT剖面以相山主峰为交汇点呈十字形格局布置，用以查明盆地变质岩基底、大型断裂、火山口等区域构造格架；其余的17条精细MT剖面覆盖整个盆地，其中15条为NW向(MT1-14、MTJ1)，另外2条为NE向(MT15-16)，NW向剖面穿越整个盆地，NE向剖面穿越盆地北部的成矿区，以探查主要目标地质体的深部三维形态。
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| 1.第四系残坡积物；2.上白垩统红层；3.下白垩统鹅湖岭组碎斑熔岩；4.鹅湖岭期火山通道；5.下白垩统打鼓顶组流纹英安岩；6.下泥盆统云山组砂岩；7.青白口系上施组千枚岩；8.青白口系库里组片岩；9.青白口系神山组千枚岩；10.早白垩世二长花岗斑岩；11.早泥盆世二长花岗岩；12.断层。 图 3 相山火山盆地三维地质结构面模型 Figure 3 3D geological structural surface model of Xiangshan volcanic basin |
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三维地质建模之前，充分收集前人已有地理、地质、物探、化探、遥感、钻探、采矿等资料，包含栅格、矢量、文本等多种数据形式，涵盖原始数据(野外地质填图路线、产状等)、过程数据(密度三维数据体、磁化率三维数据体等)、成果数据(地形图、地质图、钻孔、勘探线剖面图等)等一系列数据。资料因涉及多行业、多学科、来源单位不相同、时间跨度大、规范不统一等原因，导致获取的数据具有多源、多尺度、多分辨率、资料杂等特点，数据的坐标系统、投影参数、比例尺不尽相同。建模时，为了尽可能充分利用已有数据，必须统一所有数据的坐标系和比例尺，建立原始资料数据库。统一坐标系和比例尺的另一个目的是便于模型之间的融合，可以将已构建的模型合并到一个数据库中，已构建的模型可以作为后期模型构建的数据源和约束数据。
在国内，地质行业的矢量图以Mapgis软件和AutoCAD软件格式为主，这两种软件格式的数据可以直接进行转换。图件投影类型多采用高斯克-吕格(等角横切椭圆柱)投影，以中央经线和赤道投影后为坐标轴，中央经线和赤道交点为坐标原点[29]。投影分带有3°分带和6°分带2种：比例尺大于1:1万的图件采用3°分带，比例尺小于1:1万的图件采用6°分带。椭球参数有北京54和西安80两种，坐标系多为平面直角坐标系。
原始资料数据库坐标系统要与主要建模数据坐标系统保持一致，笔者构建的5个模型都采用了平面直角坐标系。为了在数据库中z轴比例尺与水平(x轴和y轴)比例尺保持一致，也便于数据库中坐标的读取、转换和管理，将数据库中的比例尺设置成1:1 000，即系统比例尺为1:1 000或数据库中显示比例尺为1:1 000。
在GOCAD软件中新建工程时，将长度单位设置成米，深度轴(z轴)的正值修改为“向上”(软件默认值为“向下”)，也就是z轴与海拔一致，向上数值增大，向下数值减小。设置后，GOCAD软件中的坐标与地质图坐标一致，y轴为正北，x轴为正东，z轴为竖直向上。
2.2 多源数据预处理 2.2.1 地形图三维地质模型的顶界面(digital elevation model, DEM)是通过地形数据构建的，所用地形图的比例尺应略大于或等于模型的比例尺，不应比模型的比例尺小。例如，构建1:5万比例尺的模型，可以选择比例尺大于或等于1:5万的地形数据。地形图可在Mapgis软件中进行矢量化，对矢量化后的等高线赋予高程值，文件名和属性名采用英文字母、数字命名，不能用汉字和特殊字符，以免数据导入GOCAD软件时出错。
将矢量化的地形数据在Mapgis软件“投影变换”模块中的比例尺转换为1:1 000，坐标系为平面直角坐标系，椭球参数为北京54，投影类型为高斯克-吕格(等角横切椭圆柱)投影，选用3°分带，代号为39(建模范围为115°46′24″E-116°03′30″E；27°27′1″N-27°38′12″N)。将地形图中的等高线、面状水系线、线状水系线、道路、地名按图层分别转换成DXF格式，再将DXF格式的数据导入GOCAD软件中。等高线中已有高程属性，导入后直接为立体数据，水系、道路和地名没有高程属性，导入后为平面数据。
在GOCAD软件中，面的构建方法主要有：在面编辑菜单中运用离散点(或线)数据直接构建面、在向导菜单中运用离散点数据生成面、在构造建模流程(structural modeling workflow, SMW)中生成面等。在SMW中构建面，可以定义面的属性(如断层面、地层面、侵入体界面等)、确定生成面的范围、选择生成面中的三角网大小等，生成面的过程中还可以对数据进行离散光滑插值(discrete smooth interpolation, DSI)处理。DSI是GOCAD软件的核心技术之一，在插值时综合考虑地质体的属性与空间形态特征，在保持控制点空间位置不变的情况下对未知区域进行插值。在生成面时，控制点的空间位置始终保持不变，不断调整插值点的空间位置，使生成的面达到最优效果[30]。与其他生成面的方法相比，SMW中生成的面效果更佳，且可以定义面的属性和确定面中三角网的大小，便于后期面模型的成功构建；因此选用SMW方法构建DEM。
对导入GOCAD软件的水系、道路线数据进行节点加密，在z轴方向上将线投影到DEM面。分离面状水系线和线状水系线，确保面状水系线完全封闭；运用面状水系线裁剪DEM面，去除非水系部分DEM面，保留水系部分DEM面；修改水系部分DEM面的颜色与标准水体颜色一致。面状水系和线状水系共同构成建模区的水系网(图 2c)。GOCAD软件不能识别汉字，为了在模型表面增加汉字地名，可将汉字转换成线的方式在GOCAD软件中显示。通过对线数据进行缩放、旋转、平移等操作，使汉字大小合适，并且直立(图 2c)。对于道路信息的处理，只要将道路线进行节点加密，在z轴方向上将线投影到DEM面上即可。
2.2.2 数字地质填图路线数据地表区域地质填图是深部三维地质调查的基础，填图过程中获取了一大批野外地质填图路线数据，这些路线数据是区调填图的第一手原始资料。2004年开始，数字地质填图技术在全国区调中全面推广应用[31]，这使区域地质填图整个过程实现了数字化，标志着我国区域地质调查进入数字化时代。野外地质填图路线数据以PRB形式存储：地质点P过程是指对地质界线、重要构造、重要地质现象和有意义的矿(化)点进行定点控制的过程；分段路线R过程是指对两个地质点之间的地质情况变化的描述；点间界线B过程主要是2个地质体的界线，也可以是1个地质体内部变化的界线，但是2个地质体的界线必须要有B过程。路线中的产状、照片、样品等隶属于本条路线中的PRB过程，B过程和对应的产状是室内地质图连图的重要依据。这些PRB数据具有信息量丰富、连续性好、采集精度高、规范化好且便于二次开发利用等优点，是浅部三维地质建模的重要数据源。
模型可以分为面模型、实体模型和混合模型[32-34]。面模型的构建，关键是不同地质界面的构建。已构建的地质界面、DEM面、模型边界面按地质体先新后老的顺序逐个、依次构建单个地质体的面模型，最后将单个地质体的面模型合并成整个建模区的面模型。对构建好的面模型进行实体(网格)填充，再对网格赋予对应的属性值生成实体模型(属性模型)。路线PRB数据按等高线导入GOCAD软件的方法导入软件，加密R过程、B过程线中的节点，运用“点投影到面”的方法将P过程投影到DEM面，运用“线投影到面”的方法将加密节点后的R过程和B过程投影到DEM面。投影在DEM面上的B过程及其对应的产状生成单个B过程的分段地质界面，同类分段地质界面组合生成更大范围的地质界面，最后将建好的地质界面组合成面模型。
2.2.3 地质图地表地质图是三维地质建模中必不可少的基础数据之一，主要作为模型浅地表的重要约束数据。从1957年航测发现16个异常点至今，相山火山盆地已有近60年的探、采历史，积累了一大批不同比例尺、不同范围的地质图。矿山范围有1:2 000的地质图，重点勘查区有1:1万的地质图，盆地范围有1:2.5万和1:5万的地质图，数据格式类型有矢量和栅格两种。矢量地质图的处理方法与PRB数据处理方法相同。
扫描的栅格地质图需在Mapgis软件中进行几何校正，目的是消除扫描图像中存在的变形和给图像赋予地理参数[35]。在Mapgis软件中生成与栅格地质图内容一致的图框，生成图框时不能将左下角平移为原点或旋转图框底边为水平，在生成标准图框时默认为将左下角平移为原点和旋转图框底边为水平，生成图框过程中将这两个复选框选项中的勾去除。在“图像处理”模块中对地质图进行逐格网几何校正，将校正后的地质图裁剪成矩形，读取矩形图像的四个角点坐标，读取的坐标只有x值和y值。将MSI格式的地质图转换成TIF格式，将TIF格式的矩形地质图导入GOCAD软件；在Voxet菜单中，运用“角点坐标校正图像”功能对地质图进行三维校正，此时输入的z值可以为任意值，但四个角点输入的z值应相同。导入后的地质图依然为平面图件，将栅格地质图设置成DEM面的纹理，地质图成为立体图件。
2.2.4 遥感影像图相山火山盆地三维地质建模所用到的遥感影像类型有TM/ETM+、ASTER和ALOS三种，运用ERDAS IMAGINE软件对遥感影像进行辐射校正、几何校正、灰度拉伸、彩色合成、影像融合等处理，多波段和全色波段融合，TM/ETM+多波段影像与ALOS影像全色波段融合，空间分辨率融合方法采用小波变换法[36]。遥感影像导入GOCAD软件与栅格地质图的录入方法一致，导入后将遥感影像设置为DEM面的纹理(图 2a)。
对TM/ETM+影像采用“无损线性拉伸+消除和抑制干扰因素+波段比值法或主成分分析+密度分割”的复合方法提取铁化蚀变异常和泥化蚀变异常[37-38]，对高光谱分辨率的ASTER影像采用波段比值法提取与铀成矿密切相关的水云母化和绿泥石化蚀变。提取的各种矿化蚀变异常信息作为实体模型的属性值，成为深部成矿预测的参数之一。将高空间分辨率的ALOS影像和融合了ALOS全色波段的TM/ETM+影像用于岩性和构造解译，尤其是与火山有关的环形构造解译及火山口的推断，也作为推断隐伏构造的依据之一。
2.2.5 钻孔钻孔是最主要的建模数据源之一，盆地内的钻孔分布极不均匀，且未布满整个盆地，主要分布在盆地北部、东部和西部，盆地中部、南部钻孔较少，盆地外围变质岩、红层、花岗岩覆盖区未有钻孔。
将钻孔数据整理成钻孔位置表、钻孔测斜表、钻孔岩性表、钻孔曲线表4个excel表格，分别将excel表转换成文本文件。在GOCAD软件中，依次按钻孔测斜表、钻孔位置表、钻孔岩性表、钻孔曲线表顺序导入。钻孔位置表中包含钻孔名、开孔坐标(x，y，z)、钻孔深度等信息，钻孔测斜表中包含钻孔名、终孔深度、倾角、方位角等信息，钻孔岩性表中包含钻孔名、分层深度、分层代号等信息，钻孔曲线数据表中包含钻孔名、顶测深、底测深、品位等内容，数据表之间以钻孔名相链接。钻孔测斜表中的倾角为钻孔与z轴所交的锐角，测斜数据需要从开孔位置处开始算起。
2.2.6 勘探线剖面图和CSAMT/MT剖面图勘探线剖面图是矿山勘探的重要资料，共收集盆地内勘探线剖面图400余幅。邹家山矿床三维地质模型和沙洲矿床三维地质模型的构建以勘探线剖面图为主要建模数据，钻孔和地表地质图为约束数据。勘探线剖面图导入GOCAD软件的方法与栅格地质图导入GOCAD软件的方法基本相同，不同之处是读取矩形图四个角点坐标之后，根据勘探线剖面图所处位置和走向换算出四个角点的三维空间坐标(x、y、z)。地质图校正时输入的z值都相同且可以为任意值，勘探线剖面图校正时输入换算后的坐标值。MT和CSAMT剖面图导入软件的方法与勘探线剖面图导入的方法相同。
2.2.7 密度三维数据体和磁化率三维数据体对建模区内的1:5万重力测量数据和1:2.5万地面高精度磁法测量数据进行了剩余场分离和三维精细反演，获得了密度三维数据体和磁化率三维数据体。将密度三维数据体和磁化率三维数据体数据以散点形式通过文本导入GOCAD软件，构建一个涵盖密度数据体、磁化率数据体范围的实体模型(SGRID模型)，将密度数据体、磁化率数据体的数值作为实体模型的属性。
3 不同层次数据的融合建模数据源涉及地理、地质、物探、遥感、钻探、采矿等数据，数据类型和来源众多，数据之间的精度差异大，涉及点、线、面、体等不同数据类型。除了统一建模数据的坐标系和比例尺、多源数据预处理和构建原始资料数据库之外，还可以从以下4个方面进行数据融合。
3.1 不同地表数据的融合地表数据主要有地形数据、数字地质填图路线PRB数据、地质图和遥感影像图等数据。在GOCAD软件SMW中，运用等高线数据构建DEM面。运用“点投影到面”功能将地质点(P)在z轴方向上投影到DEM面，运用“线投影到面”功能将加密线中节点后的分段路线(R)和点间界线(B)在z轴方向上投影到DEM面。加密节点的目的是使投影到DEM面后的线能够与DEM面完全重合。投影到DEM面后的点间界线和对应的产状生成分段地质界面。处理后的点(P)、线(R和B)、面(点间界线对应的分段地质界面)数据构成了路线PRB的三维立体数据。
矢量地质图导入GOCAD软件后，为确保每个地质体的地质界线完全封闭，利用加密线中的节点将地质界线在z轴方向上投影到DEM面，使地质界线与DEM面完全重合。运用“线裁剪面”的功能，通过地质界线将DEM面裁剪成许多小块，优化每小块DEM面的裁剪边界线。将同一个填图单元对应的小块DEM面合并成一个文件，修改每个文件DEM面的颜色与对应填图单元颜色一致，加粗显示DEM面的边界线。对每一个填图单元对应的DEM面增加填图单元代号，填图单元代号和所有填图单元对应的DEM面共同构成了三维矢量地质图(图 2b)。
导入GOCAD软件后的栅格地质图和遥感影像图依然为平面(二维)图件。将栅格地质图和遥感影像图设置为DEM面的纹理，栅格平面图件变成了三维立体图件。
填图路线PRB数据、矢量地质图、栅格地质图和遥感影像图的三维立体化和这些数据之间的融合都建立在DEM面之上，实现了地表数据的完全融合。要准确实现这些地表数据的完全融合，有4个因素至关重要：1)构建的DEM面效果好；2)需统一坐标系和比例尺；3)等高线、PRB数据、地质图和遥感影像图原始坐标精度高；4)栅格地质图和遥感影像图几何校正时采集的控制点精度高。
3.2 地表数据和地下数据的融合获取的数据具有不均匀性和不连续性，建模时总觉得数据不足，有效解决数据不足问题的关键是地表、地下数据的有效融合和根据已有地质数据进行插值。地质数据根据深度可以简单地分为地表地质数据和地下地质数据，地表地质数据有地表填图获取的地质数据和遥感解译的地质数据等，地下数据有钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、物探解译的深部地质数据等。以有限的地表数据和地下数据为约束，以人机交互的方式对数据进行插值处理，使插值后的数据既与地表数据和地下数据相吻合，又与实际地质情况相符。
建模过程中尽量直接运用原始数据，避免对原始数据修改导致数据丢失和数据失真。地表地质填图PRB数据和地下钻孔数据都为原始数据(图 4a)，具有精度高、可靠性高等优点。地表分段界线(B)数据根据产状生成分段地质界面(图 4b)，也可以根据产状生成一小段地质界线，但可推测的深度有限。将根据地表产状推测的地质界线与地下钻孔数据相连接，加密地质界线中的节点(图 4c)。将浅地表地质界线中的节点和钻孔界线点处的节点设置为控制节点(control node)，即可靠性高的地质界线空间位置保持不变，可改变可靠性低的地质界线。对线进行DSI处理，得到与地表数据和深部数据相吻合又平滑过渡的地质界线数据(图 4d)。
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| 1.地质点及编号；2.钻孔及编号；3.控制点；4.节点；5.地质界线；6.地表产状生成的地质界线。a.原始数据；b.地表数据根据产状生成地质界线；c.未进行DSI处理的地质界线；d.DSI处理的地质界线。 图 4 地表数据与地下数据相融合 Figure 4 Merging surface data and underground data |
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DSI处理后的地质界线符合实际地质情况。DSI处理方法与地表地质图连图方法一致，采用平滑的曲线将确定的空间点连接起来，这确保了光滑曲线完全通过已知空间点，整条曲线又能平滑过渡。点之间的数据为根据已知数据插值的结果，为推测结果，这在一定程度上反映了地质体具有不确定性。在DSI处理过程中，也可以通过人机交互的方式，设置和修改控制节点调整已构建的曲线。DSI可以对三维空间内的线、面和属性值进行插值处理，功能强大；这种方法既可以补充建模数据的不足，又可以对地表数据和深部数据进行有效融合。
在陀上幅三维地质模型中切制与MT、CSAMT位置相同的地质剖面，这些地质剖面可以作为MT、CSAMT剖面地质解译的参考，模型也可以作为两剖面之间地质界面延伸的约束，这样很好地解决了剖面之间地质界面延伸的多解性问题和地表数据与地下数据融合问题。
3.3 不同精度数据的融合 3.3.1 建模单元的确定合理选择建模单元是建模成败的关键因素之一，建模单元的选择与所用建模数据源密切相关。陀上幅三维地质模型是以1:5万区调填图过程中获取的野外地质路线PRB数据为基础构建而成的，其建模单元与区调填图划分的填图单位一致。邹家山矿床三维地质模型、沙洲矿床三维地质模型是依据矿山勘探资料构建的，建模单元与钻孔、坑道编录资料的地质体划分方案一致。邹家山-居隆庵三维地质模型和相山火山盆地三维地质模型是根据1:5万区域地质调查数据、地球物理测深数据、钻孔数据和遥感数据构建的，建模单元是在地表区调填图单位的基础上，根据MT和CSAMT等物探测深数据的可解译程度对地表填图单位进行有效合并。建模单元的选择还应考虑重要断裂构造和与成矿控矿相关的地质要素，如含矿岩体(地层)、断裂构造、地质体接触界面、蚀变带等。
在地质界面构建之前，建立与所建模型建模单元一致的原始数据库。在GOCAD软件中对栅格地质图、勘探线剖面图、中段平面图进行矢量化，将相同地质界面的点、线、面、钻孔数据组成一个群组，方便数据的分析和地质界面的构建。
3.3.2 MT、CSAMT剖面的三维解译在GOCAD软件原始资料数据库中，结合地质图、钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、已构建的模型、密度三维数据体、磁化率三维数据体等数据，在三维空间里对MT、CSAMT剖面进行地质解译。与单条剖面独立解译相比较，三维解译能够融合已有可信度高、精度高的成果数据，并综合把握地质体的三维空间展布，尤其是相邻剖面的地质解译和剖面之间地质界面的延伸。MT、CSAMT剖面浅部地质界线的解译以陀上幅三维地质模型为准，深部以钻孔、勘探线剖面图为准，剖面之间结合陀上幅三维地质模型、钻孔、勘探线剖面图、密度三维数据体和磁化率三维数据体等数据。有已建模型、钻孔、勘探线剖面图、中段平面图的部位，MT、CSAMT的解译成果尽量与之一致，根据这些可信度高的解译成果建立解译标志，再对剩余部分进行解译。解译过程中不断修正解译标志，反复进行解译，解译标志的建立与地质解译的过程是一个不断反复迭代的过程。在原始资料数据库中对MT、CSAMT剖面进行地质解译，这个过程就充分融合了已有的其他建模数据。
3.4 主要建模数据与次要建模数据的融合5个模型中，采用了2种建模方法：基于野外填图路线PRB数据直接构建浅地表三维地质模型(数字地质填图建模)和基于地质剖面建模。根据建模所用数据的主次关系，可以将建模数据分为主要建模数据和次要建模数据。主要建模数据具有的特点是数据覆盖整个建模区，仅这些数据就足以构建模型，例如野外地质填图路线、CSAMT剖面、MT剖面等。次要建模数据的特点是数据量较主要建模数据少，可能涵盖建模区的某一区域，具有局限性，仅凭这些数据不足以构建整个模型，但是这些数据可能精度较高，例如钻孔、地质图等。主要建模数据用于构建初始地质界面，次要建模数据用于约束已构建的初始地质界面，此时次要建模数据也可以称为约束数据。5个不同模型的主要建模数据和约束数据划分情况见表 1。主要建模数据与约束数据融合的具体方法在“约束建模技术”部分进行阐述。
| 模型 | 主要建模数据 | 约束数据 |
| 陀上幅三维地质模型 | 地质填图路线PRB数据 | 钻孔、勘探线剖面图 |
| 邹家山矿床三维地质模型 | 勘探线剖面图、中段平面图 | 钻孔、地质图 |
| 沙洲矿床三维地质模型 | 勘探线剖面图、中段平面图 | 钻孔、地质图 |
| 邹家山-居隆庵三维地质模型 | CSAMT解译地质剖面 | 陀上幅三维地质模型、钻孔、勘探线剖面图、地质图 |
| 相山火山盆地三维地质结构模型 | MT解译地质剖面 | 陀上幅三维地质模型、邹家山矿床三维地质模型、沙洲矿床三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型、钻孔、勘探线剖面图、地质图 |
建模数据类型众多，精度和可信度不一。模型总体应遵循主要建模数据构建初始地质界面，精度高、可靠性高的数据约束已构建的初始地质界面。约束建模技术是数据融合的重要技术之一，在建模过程中约束技术可以分为三大类：点对线约束、点(线)对面约束、面对面约束。
4.1 点对线约束点(point)特指离散点，当用点对线或面约束时，点也称为控制点。节点(node)指线上的点或面中三角网上的点。控制节点(control node)特指对线或面进行插值处理时保持空间位置不变的节点；控制点(control point)指用来约束线的点，用来约束面的点或线中的节点，控制点和约束的对象处于不同文件中。控制点也可以称为约束点(constraint point)。点对线约束的操作步骤如下：
1)加密线中的节点。加密节点只需设置需要增加节点的长度间隔，当两个节点之间的线段长度超过设置的数值时，两节点之间会自动增加节点(图 5a)，直到两节点之间的线段长度小于设置的数值。
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| 1.节点；2.控制节点；3.控制点；4.约束前地质界线；5.约束后地质界线；6.约束方向。a.原始数据；b.设置点对线约束；c.设置控制节点；d.DSI处理；e.设置控制节点和约束；f.DSI处理。 图 5 点约束线 Figure 5 Points constrain line |
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2)设置约束方向。约束方向是指线向控制点靠近的方向，一般选用最短距离法(图 5b)，即从距控制点最近的节点拉向控制点。也可以自定义约束方向，设置的约束方向为向量，即给定向量的x、y、z值。
3)设置控制节点。在建模过程中，随着数据的增加，需要不断更新已构建的地质界线。当已构建的地质界线中存在可信度高的数据时，在修改地质界线时该部分数据的空间位置应该保持不变。通过设置线中的节点为控制节点(图 5c)，使在插值处理过程中这部分节点的空间位置始终保持不变。
4) DSI处理。设置了约束点和控制节点后，如果不对线进行插值处理，线不会做任何改变，只有执行DSI处理后线才会发生改变。不断对线进行DSI处理和加密线中的节点，直到线的形状不发生变化或变化不大为止。线中的节点越密，DSI处理后线越光滑，数据量也越大。处理后线中的节点密度尽量与初始线中节点密度保持一致，节点密度不宜太密或太稀。处理后的曲线通过所有控制点，线又平滑过渡，且控制节点的空间位置保持不变(图 5d)。
5)更新已建地质界线。如果后期增加的数据与已构建的地质界线(图 5d)存在偏差，需要重新修改地质界线。将后期增加的数据作为控制点，对已经构建的地质界线进行约束，设置约束方向，原地质界线中准确性较高的位置设置为控制节点(图 5e)。通过DSI处理，更新地质界线(图 5f)。
4.2 点(线)对面约束随着勘探程度的深入和收集资料的增加，已构建的模型、地质界面与后期新增数据之间可能存在偏差，可以通过点(线)对面约束的方法对模型、地质界面进行修改与更新。另一个作用是主要建模数据与次要建模数据的融合：利用主要建模数据构建初始地质界面，利用次要建模数据(约束数据)对已构建的初始地质界面进行约束处理，成果地质界面与主要建模数据、次要建模数据都能够完全吻合。具体操作步骤如下。
1)矢量化剖面中的地质界线。CSAMT、MT剖面在地质解译过程中已参考了在剖面中和剖面附近的钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、地质图等数据，剖面之间通过钻孔、勘探线剖面图等数据约束地质界面的延伸。对剖面图中的地质界线进行矢量化，要对地质界线中的节点进行加密(图 6a)、添加钻孔等约束数据(图 6b)。
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| 1.地质界线；2.钻孔及编号；3.地质界面；4.约束。 a.原始数据；b.添加钻孔；c.构建初始地质界面；d.线对面约束；e.点对面约束；f.DSI处理；g.结果地质界面。 图 6 点(线)约束面的流程及效果图 Figure 6 Flow and rendering picture of points (lines) constraining surface |
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2)构建初始地质界面。单纯剖面中的地质界线数据直接构建地质界面，数据量偏少；根据已有地质界线数据增加一定的辅助数据才能较好地构建地质界面。常用的方法为人机交互增加辅助线，但是在三维空间内手工绘制辅助线难度大，且工作量也较大。笔者运用“连接线生成面”的功能，根据已有地质界线生成一个初始地质界面(图 6c)，在生成面的过程中对两根地质界线之间自动内插数根地质界线，内插地质界线的数量可以根据需要而定。对生成的初始地质界面适当加密三角网，此时面中的三角网凹凸不平，地质界面比较粗糙，不能达到地质界面的要求；但是已构建的初始地质界面可以作为构建新地质界面的数据源，这样弥补了数据的不足。
3)在SWM流程中重新构建地质界面。将初始地质界面中的节点转换成散点数据，在SWM中重新构建地质界面。在SWM中构建地质界面时，可以设置三角网格的大小，统一同一个模型中不同地质界面三角网的大小。在SWM中生成的面能够平滑过渡，效果较好。
4)剖面地质界线约束地质界面。此时在SWM中重新生成的面效果虽好，但是与原始剖面中的地质界线并不完全吻合。将原始地质界线设置为地质界面的约束条件，选用最近距离方式自动生成约束方向，并设置地质界面的边界约束，边界约束方向为z轴方向，只允许边界节点在z轴方向上移动，不允许边界大小发生改变。通过DSI处理，自动调整地质界面中的节点，使地质界面与地质界线完全吻合。约束处理后的地质界面能够平滑过渡，且与约束数据完全吻合(图 6d)。
5)补充数据约束地质界面。随着勘探程度的深入和收集资料的增加，后期补充的资料可能与已经构建的模型、地质界面存在偏差，例如新增钻孔与地质界面存在偏差(图 6d)。将新增钻孔和剖面地质界线一同作为约束数据，对地质界面进行约束处理。将线中的节点和钻孔的岩性分界点转换成离散点，两个离散点文件数据合并成一个文件。线约束地质界面，也就是线中的节点约束地质界面，与节点转换成点后约束地质界面的效果完全一致。点(线)对面的约束只能设置一次，因此将线中的节点转换成点，再与其他点数据合并成一个文件同时对面进行约束(图 6e)。当用一个面约束另一个面时，只能将约束面中的节点转换成离散点对另一个面进行约束。设置面的边界约束，对面进行DSI处理。处理后的面与地质界线和钻孔能够完全吻合(图 6f)，且地质界面平滑过渡。
6)删除约束。对面进行DSI处理之后，删除所有约束后的面就是成果地质界面(图 6g)。
4.3 面对面约束 4.3.1 面对面的边界约束当一个面的空间位置约束另一个面时，只能将约束面中的节点转换成离散点再对另一个面进行约束。除这个约束之外，还有面对面的边界约束(border on surface, BOS)和面的边界对面的端点约束(border extremity on border, BOB)2个约束方法。
BOS约束的作用是让一个面的边界延伸靠近到另外一个约束面上。首先需要确定延伸的边界和约束边界的面，延伸后的边界必须在约束面的范围内。该功能主要应用于处理地质界面的新老关系，例如时代新的断层截断时代老的断层，老断层不能穿过新断层，但是老断层要紧靠新断层。具体处理步骤如下。
1)确定需延伸的边界。新建的面中只有一个端点，面的四周边界为同一条边界，通过对边界增加端点的方式对边界进行细分。一般将端点设置在边界的拐角部位，增加的端点显示为灰色圆点(图 7a)。在需要延伸的边界范围两端各增加一个端点，并对该边界进行优化处理。
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| a.设置BOS约束效果图；b.BOS处理后效果图。 图 7 BOS约束处理效果图 Figure 7 BOS constraint processing design sketches |
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2)设置BOS约束。选择约束界面，对需要延伸的边界设置BOS约束，约束方向为最短距离方式。边界的节点上会自动产生一系列的约束方向线(图 7a)，线的方向指向约束面。线的长度为节点拉伸的长度，线的方向为节点拉伸的方向。除需拉伸的边界之外，对该面中剩余的边界设置边界约束，保持面中剩余的边界在插值处理过程中不发生改变。
3) DSI处理。设置BOS约束和边界约束后，对边界延伸的地质界面进行DSI处理，边界会自动拉伸至约束面，且两个面紧密拼接(图 7b)。DSI处理后，删除所有约束。
4.3.2 面的边界对面的端点约束BOB约束的作用是让一个面的边界端点靠近到另一个面的边界上。当新断层截断老断层，对老断层边界执行了BOS约束后，老断层面的边界已经与新断层面完全接触，可是老断层的边界端点不一定与新断层边界完全重合。处理老断层边界端点靠近新断层边界的步骤如下。
1)增加端点。在需要移动的节点上增加端点，如果增加的端点位置错误，可以对端点进行移动、删除、增加等操作。
2)设置BOB约束。选择BOB约束功能，先选择端点，后选择约束边界。BOB约束后，灰色端点变成红色，在端点和边界之间会出现两条红色小短线(图 8a)。一条小短线位于边界上，另一条短线为端点与边界上最近节点的连线。
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| a.设置BOB约束效果图；b.BOB处理后效果图。 图 8 BOB约束处理效果图 Figure 8 BOB constraint processing design sketches |
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3) DSI处理。设置BOB约束后，执行DSI处理，端点自动靠近到对应面的边界上(图 8b)。DSI处理后，删除所有约束。
5 结论1)三维地质模型的构建，涉及地理、地质、物探、化探、遥感、钻探、采矿等数据，需统一各数据的坐标系和比例尺，构建原始资料数据库。原始资料数据库采用平面直角坐标系、高斯-克吕格(等角横切椭圆柱)投影、北京54坐标系，比例尺为1:1 000，采用3°分带，坐标单位设置为米，z轴正值方向向上。
2)本文介绍了地形图、数字地质填图路线PRB数据、地质图、遥感影像图、钻孔、勘探线剖面图、CSAMT/MT剖面图、密度三维数据体和磁力三维数据体的数据预处理和数据入库。数据预处理过程中，解决了一部分数据融合的问题：①运用等高线数据在GOCAD软件SMW中构建DEM面，将PRB数据投影到DEM面上，投影后的B过程及其对应的产状生成分段地质界面，原始资料数据库中的PRB数据以点(P过程)、线(R过程和B过程)、面(B过程对应的地质界面)等形式构成了三维立体数据；②对勘探线剖面图和CSAMT/MT剖面图进行三维校正，将栅格地质图、遥感影像图平面数据设置成为DEM面的纹理，实现了不同平面数据的三维显示；③重力数据体和磁力数据体以散点形式通过文本导入原始资料数据库，将重力三维数据体、磁力三维数据体的数值以属性的方式分别赋予给同一个实体模型(SGRID模型)。
3)以DEM面为载体，实现了填图地质路线PRB数据、矢量地质图、栅格地质图、遥感影像图等地表地质数据的完全融合。首先以有限的地表地质数据和地下地质数据为约束，运用DSI技术进行插值，插值后的数据既能与原始地表、地下地质数据相吻合，又能与实际地质情况相符，实现了地表地质数据与地下地质数据的融合。然后根据建模数据源选择合理的建模单元，根据已有可靠性高的数据对物探等多解性数据在三维空间内进行地质解译，在地质解译时就综合已有建模数据和综合考虑地质体的三维空间展布，实现了不同精度数据之间的融合；以主要建模数据构建初始地质界面，高精度的数据对已构建的初始地质界面进行约束，实现了主要建模数据与次要建模数据的融合。并对点对线约束、点(线)对面约束、面对面约束3种关键约束建模技术的实用操作步骤进行了详细介绍，为建模数据之间的数据融合提供技术支撑。
4)对建模过程中的一些注意事项进行了归纳总结：①在GOCAD软件新建工程时，z轴的正值应该修改为向上；②在Mapgis软件中生成图框对栅格地质图进行几何校正时，生成的图框不能将左下角平移为原点和旋转图框底边为水平；③钻孔导入数据库时，需严格按钻孔测斜表、钻孔位置表、钻孔岩性表、钻孔曲线表的顺序依次导入，并对模型中的水系、道路、汉字等整饰提出了解决方法。
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