三维地质结构模型的形式化表达及其规范化研究

A geological model (geomodel) is a geological cognition and digital representation of part of the Earth’s subsurface. The development and widespread application of geological modeling methods has increased demands for the interoperability of three dimensional (3D) geological data and the potential ability that computers can understand the geological cognition in a geomodel. Due to the diversities of geological modeling and spatial representation methods, and lack of theoretical research in the field of geological information sciences, it is necessary to eliminate the diversity and ambiguity to realize the purpose of interoperability. Therefore standardized spatial representation of geomodels is required. Current research and relevant standards focus on standardized description of single geological object and geomodels are only simple collections of such geological objects. Integral representation of geomodels themselves is paid little attentions. Fundamental research on the formal representations and standardized spatial descriptions of geomodels is required. Our research will focus on the theory research and validation analysis of the application effectiveness. Formal representation method for geomodels will be proposed and defined in detail using the theory of point set topology. Various requirements for standardized representation of geomodels will be also illustrated to achieve the goal of meeting different needs in data exchange, management, sharing and other model-based analysis applications. Validation analysis of our methods will be implemented using OGC's relevant standards.This research can provide a theoretical basis for specifying standards and guidance for integrating and managing geological data by Geological Survey organizations.

三维地质结构模型是通过描述地质对象及其关系来表达三维地下空间。随着建模方法的逐渐成熟与应用，对结构模型数据互操作的需求越来越强烈，并期望计算机能自主处理地质模型所蕴含的各种地质认识。由于结构模型存在地质语义以及空间表达等异构特点，尚无法实现数据集成和共享服务等不同综合应用的需求，这就需要统一的地质结构模型空间表达及其规范化描述方法进行理论支撑。当前研究以及相关标准集中在地质语义和单个地质对象的规范化表达，而对结构模型整体性规范表达的研究还很不足。本课题从理论和应用验证两个方面，运用点集拓扑理论开展三维地质结构模型的形式化表达研究，构建统一的规范化数据模型，然后分析结构模型在交换、管理、共享和分析等不同应用层次上规范化描述的约束条件，并结合OGC相关规范进行验证。本课题研究可为地质调查部门制定标准提供理论依据，提升地质模型数据规范化服务水平。

由于三维地质结构模型存在地质语义以及空间表达等异构特点，尚无法实现数据集成和共享服务等不同综合应用的需求，这就需要统一的地质结构模型空间表达及其规范化描述方法进行理论支撑。本课题课题按研究目标开展，从理论和应用验证两个方面，研究了统一的三维地质结构模型空间表达方法和空间关系特征，提出了三维地质结构形式表达理论和带语义拓扑联系的三维地质数据模型和不同维度的地质模型拓扑表达约束条件；提出了针对诸如复杂地质对象之间的拓扑关系计算方法，将复杂区域分解有限个简单区域，采用正则表达式描述其多部分和洞构成，证明和分析了两个操作算子的不成立条件以及消除不成立条件的方法。结合关系矩阵表法拓扑关系的推导和推理过程，操作算子可用于推导已知结构复杂区域间的所有可能拓扑关系，便于研究复杂对象的空间关系，该方法是通过研究复杂地质对象的特点，对GIS拓扑关系分析的理论进行了拓展，丰富了GIS拓扑关系分析的手段；提出了中国地质调查局标准Geo3DML框架的规范化描述模型，可以统一表达钻孔(柱状图)、地质剖面/平面和三维地质模型，通过一个统一的文件格式实现不同地质建模软件的数据交换和方便地质数据管理部门使用统一的格式集成管理三维地质模型数据，完善了三维地质模型的数据交换和共享标准。本课题研究奠定了地质模型规范化和标准化的基础，发展和完善了三维地质信息科学的数据模型理论，研究对Geo3DML标准的主要使用人员，诸如建模软件提供商技术人员以及地调局三维地质模型集成管理与共享服务技术人员等深入理解三维地质模型和标准内容提供了技术支持和验证，有利于数据交换标准的解读和推广，促进三维地质模型的数据交换共享。