4.2.4 三维属性网格模型构建
本书介绍的建模流程的目标是构建一个以六面体体元为基础的连续层柱体积模型。每个地质构造都由基于地质体的体元来表示，这种方法的优点是建立的模型可用于针对特定项目的进一步的属性建模。GOCAD 的三维地质建模向导中包含了曲面建模和体积建模。GOCAD 大概是全球地质调查机构中最广泛使用的建模程序，已在澳大利亚、英国、加拿大、德国和美国的大部分机构中成功应用。GOCAD 是一种计算机辅助方法，可以对地质体的几何形状和属性进行建模，可整合具有不同来源、不同结构、不同分布特征的模型。GOCAD软件提供了出色的可视化平台，所得到的模型可以进行完全的三维旋转，并沿x、y、z轴以任意间隔切剖面图。GOCAD 的三维建模涉及：①在感兴趣的区域定义地质对象，如地质边界和断层面；②通过三维空间中的一组有限节点来定义地质对象的几何结构；③通过衔接这些节点对地质边界进行建模；④对采样点进行插值来构建地质界面；⑤将属性数据分配给不同地质体对象；⑥构建三维体模型等。
在城市地质领域，直接生成的块状地质实体只能展示地质条件，对于工程来说，其实际应用意义有限，原因如下：①生成的地质实体仅仅能显示地质结构，不能提供工程计算所需要的数据；②不能实现和其他程序的交互计算。
而将块状地质实体分割成连续网格，采用网格模型来表达地质体则有很大的优势，主要表现为以下两点：①插值过程中得到的相关数据是用于工程计算的宝贵资料，进行地质建模的目的是将地质结构更鲜明直观地展现出来，将插值过程中得到的相关数据用于进一步的工程地质评价，网格模型可将这二者完美结合起来；②网格的节点信息和拓扑关系可以excel表格的形式导出，通过简单的程序转换，可以导入ANSYS和ABAQUS等有限元程序中，实现交互式计算，拓展了模型的实用功能。
建立一个地质体的网格化体模型有三个步骤：①选择地质体的顶部和底部界线，可以根据x 轴和y 轴或给定方向或边界限制来创建和指定网格；②定义水平面（沿着x 轴和y 轴）的平均单元格大小；③通过将顶部和底部边界与六面体元素相结合来构建地质体。所得到的三维体模型中的地质单元被细分为大量的六面体体元，每个体元都能被赋予离散值，例如渗透性、土壤粒级、孔隙度、承载力等。对于后续的属性建模，可以对离散测量值实施三维插值或模拟，以扩展到整个三维空间。
一个三维实体地层网格位于两个地层边界之间。以GOCAD 软件中对它的命名———SGrid为例，SGrid对象可以在其单元格的中心或角点处包含属性值。SGrid的尺寸由其原点、三个轴、每个轴的点数以及每个单元格的三步向量来定义。SGrid对象的图形示例如图4-15所示，其属性包含在单元格中心[见图4-15（a）]或者单元格角点[见图4-15（b）]。
图4-15 SGrid对象的图例及其组成
在图4-15中，一些术语定义如下。
（1）原点：SGrid的原点将网格锚定在空间中，与坐标系的原点相似。它由其真实世界的坐标（x 0，y 0，z 0）定义。
（2）u，v，w：SGrid的三个轴被命名为u，v，w。对于哪条轴应该是u，v 或w，没有具体的命名约定。通常，深度轴被定义为w 轴。沿水平面的长度方向定义为u 轴，其垂直方向为v轴。
（3）n u，n v，n w：沿三轴的网格点数。
（4）step_u，step_v，step_w：SGrid单元格的三个向量。这些是向量，而不是三点的坐标。
（5）point_u，point_v，point_w：SGrid中某点的真实世界坐标，这些不是向量。
在本质上，SGrid的顶边界和底边界符合控制面凸起规律。对于SGrid中的每个网格点（u，v，w），GOCAD 在现实世界坐标系中保留其坐标（x，y，z）的记录。SGrid对象中的网格点的坐标不能通过简单地使用原始维度值来计算。
SGrid的另一个重要组成部分是“截面”。图4-15中的一个截面是与SGrid的其他两个轴平行的平面。例如，u 轴上的截面是平行于轴v 和w 的平面。SGrid中的一个特定截面由一个轴和一个距离数字定义，该距离是沿着该区域和该区域与SGrid原点之间的轴的单元格长度。例如，由（u，3）表示的部分是与轴v和w 平行的平面，并且其距原点的距离是step_u的距离的三倍。该部分由坐标为（3，v，w）的所有网格点组成。
基于四面体或者六面体体元的属性模型，每个体元中都可以存储多种类型的数据，如地质、结构、地层序列、地层交错、钻孔、地球物理、位置数据等，如图4-16所示。
图4-16 属性模型各体元可赋存的数据类型