1 引言
2D地質圖是基于同一平面坐標參照系，按一定的比例尺將工作區內的各種地質體(地層、巖體、礦體等)及地質現象(斷層、褶皺等)的分布及其相互關系，垂直投影到同一水平面上，用以反映區內地殼表層的地質特征。從1815年由英國地質學家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構造及地層關系的地質圖出版起，由于技術的限制，2D紙質地質圖一直是地質信息的主要表現形式。不僅是研究的基礎，更是為社會與經濟發展服務的重要內容。隨著IT的發展，特別是計算機技術、計算機輔助制圖(CAD)技術、GIS技術及3D地質建模技術的發展，地質信息的表達實現了從2D紙質地質圖、數字地質圖、地質圖空間數據庫+數字地質圖到3D地質模型的3次重大突破。
2 從紙質地質圖到數字地質圖是地質信息表達方式的第一次突破
上個世紀70年代數字制圖技術已進入了實用階段，英國地質調查局BGS1971年就采用計算機輔助的方法出版了第一幅彩色地質圖(圖1)(姜作勤，1999)。德國地學與資源研究院BGR1977年購置了德國ARISTO公司生產的CD400自動制圖系統，開始采用計算機輔助的方法編制與出版地質圖。美國地調所經過幾年的準備，于1977年正式開始全國數字制圖數據庫的建設工作。80年代開始，不僅發達國家，包括發展中國家如希臘、泰國等都在不同程度上采用數字制圖技術生產地學圖件(姜作勤，1994)。90年代中期開始，在發達國家，數字制圖這種新的工作方式不僅納入了地質圖的生產流程，且開始占統治地位(姜作勤，1996a)。美國地質調查局USGS在1995年向國際制圖協會提交的國家報告(Terry A. Slocum, ?1995)指出，在被調查的單位中，即使聲稱仍有很大的比例采用傳統手工方式進行制圖的單位中，其比例也已低于50%，這就意味著，數字制圖技術已在地質圖的生產中占據了統治地位，正在從根本上改變傳統的制圖方式。
CAD技術的開發與成功應用使數字地質圖應運而生。這種以計算機可讀的形式存儲的地質圖與傳統手工方式相比，大大減少了制圖工序、縮短了地質圖出版周期，不僅降低成本，提高了效率，且易于修編與共享，可根據要求隨時生成紙質圖件。可以說這是地質信息表達方式的第一次突破。
3 地質圖空間數據庫+數字地質圖是地質信息表達方式的第二次突破
起源于上個世紀60年代，80年代中期開始在地學領域逐步得到廣泛應用的GIS技術具有綜合管理、集成與分析地質、地球物理、地球化學及遙感等多元地學信息的能力。美國、加拿大與澳大利亞等發達國家的地質調查機構自80年代中期先后開始的新一代地質填圖，其核心是采用多學科填圖的方法，應用GIS與CAD技術建立地質圖空間數據庫，生產數字地質圖(姜作勤，1996b)。地質圖空間數據庫成為地質圖和地質報告的配套產品，共同組成地質調查的標準產出，地質圖空間數據庫成為地質信息的重要表現形式(圖2)。
基于GIS的地質圖空間數據庫除了與數字地質圖一樣，采用統一的坐標參照系，將地質實體與現象抽象為點、線與面幾何元素，用以表達地質體之間的位置與幾何形態外，還具有下列特點：
(1) 用拓撲關系表達地質體之間的相鄰、組成、壓蓋、包含等空間關系;
(2) 設計合理的數據模型描述與存儲專題屬性。這些屬性不僅包括地質圖中的信息，還包括地質報告中關于地層、構造與巖性等與應用有關的的重要專題屬性;
(3)采用信息分類編碼技術，對專題屬性信息的語義進行規范。對具有隸屬關系的屬性如地層等采用層次編碼的方法進行編碼，提高查詢檢索的效率。這些特點構成了地質圖空間數據庫與數字地質圖最本質的差別。
由于建立了空間數據庫，在GIS及基于GIS開發的各種分析處理軟件的支持下，就能夠通過各種空間、屬性或空間與屬性的組合檢索，實現對任意區域(如圖幅、行政區劃、研究區等)的空間和屬性信息的有效提取，實現多種空間分析，包括地形分析、疊置分析、緩沖區分析、網絡分析、統計與空間統計分析等，支持充分利用已有信息，進行離線或在線的編圖，進行計算機輔助礦產、能源與水的資源評價、工程穩定性評價、土地適用性評價、地質環境評價、地震災害風險評價、防治與減災以及資源管理等。地質圖空間數據庫的建立，不僅大大提高了地質圖信息利用的靈活度與效率，而且為多元地學信息的綜合分析奠定了基礎。從數字地質圖到地質圖空間數據庫+數字地質圖雖然間隔時間不長，但卻涉及地質信息表達觀念的變化，可以說是地質信息表達的第二次突破。
4 3D地質模型是地質信息表達方式的第三次突破
4.1 3D地質模型及其優越性
3D地質模型是將3D空間坐標(x, y, z)作為獨立參數來對地質空間對象進行幾何與屬性建模。采用面建模技術建立的3D實體模型描述地質體的整體形態與屬性，通常用于建立地質框架模型;采用體元建模技術建立的3D地質模型能夠將地質體的任意物理化學特征存儲在不同大小的規則或非規則的體元中，描述地質體內部這些特征的變化與分布。
與2D地質圖相比，3D地質模型具有如下優勢：
(1) 還地質以本來面目。采用3D建模技術，建立真3D地質模型，表達地層、構造、巖石等地質體的空間位置、幾何形態以及地質體之間的空間或空間與時間的關系;
(2) 直觀易懂。不僅可有效表達專業人員的地質知識，而且大大提高了非專業用戶對地質知識的理解能力。如何使用戶理解地質知識，加強與用戶的交流溝通一直是困擾專業人員的問題。許多潛在的非專業用戶及決策者，他們不會解釋基本的地質數據、不會評價不同解釋的優劣、不會區分理論與事實，他們需要結論，而不是數據，即以可理解的形式表達的信息。3D模型就是一種比較易于理解的信息表達方式;
(3) 3D地質模型是基于計算機系統的模型，因此是動態的。可從任意角度觀察地質體及其相互關系、可在任選方向對3D模型進行剖切生成相應的剖面圖;由于建立了數據庫，在觀察的同時，可顯示其屬性，可選擇某一類地質實體進行單獨顯示、也可進行分離爆炸式顯示，便于觀察，這是2D數字地質體不可比擬的;
(4) 除表達地質體的幾何形態與相互之間的空間關系外，3D地質模型即可描述地質體的整體屬性，又可描述地質體內各種物理屬性的變化與分布。通過與各種數據分析評價及數字模擬軟件集成，3D地質模型即可用于油氣與地熱等能源的評價，礦產資源勘察與潛力評價、地下水資源評價、地下水污染的運移與評價、地質災害評價以及工程穩定性評價等。
4.2 3D地質建模的發展
地質學以地球為主要研究對象，其本質就是多維的，自從有了地質工作，專家們就一直尋求表達3D地質信息的方法。1815年William Smith在編輯出版第一幅地質圖時，同時出版了該區域的綜合剖面圖用以表達3D地質信息。
英美等國上個世紀20年代開始探索，在70年代大大加強的塊狀單元填圖(stack-unit mapping)方法生成的塊狀單元圖使用符號、顏色或花紋對深度進行編碼，在一定程度上實現了對3D地質信息的表達(Richard C. Berg and David R. Soller, 2005)。
此外，線框圖、柵狀圖、2D數字地質圖與DEM數據構成2.5D地質圖等都是在真3D地質模型出現之前對3D信息的某種程度的表達(圖3)(J. Nicholas Van Driel, 1989)。
3D地質(地學)建模的研究從上個世紀80年代中期開始。隨著GIS在2D編圖與分析方面取得相當大的進展，人們開始將研究開發的注意力轉向在多個領域設計開發3D地學編圖與建模系統(Raper J., 1989)，并有多篇論文闡述地質界對3D建模系統的功能需求(Turner，A. K.，1992)。1984-89年，德國實施了一個題為“Digital Geoscientific Mapping”的大規模的研究項目，有24個研究團隊參與，3D數據的可視化與管理列入研究內容(Vinken，1986)
直到1988-1989年，現代計算機工作站的發展使計算機的存儲與圖形能力大幅提高，很大程度上克服了3D地學建模的主要障礙，包括存儲設備太貴、處理速度太慢、顯示的分辨率太低，生成有價值的顯示的成本太高等，開始出現了商業化的3D地學建模系統(Turner, A.K., (Ed.), 1992)，3D地學建模的應用也隨之出現;
美、英、加拿大、澳大利亞等發達國家的地質調查機構于90年代中期先后開始了3D地質建模的探索與應用研究(Gill Norton，1998; Matile, G.L.D., Thorleifson, L.H., et al, 1999; RS Blewett， DL Huston & DC Champion，2001)。經過幾年的技術準備與建模實踐，加上計算機性能的快速提高以及3D可視化與建模技術的發展，使原本只能在專業圖形工作站上運行的價格昂貴的3D建模系統可以在個人計算機上運行，從2005年左右開始，各國GSO的3D地質建模進入了比較快速的發展階段。
4.3 3D地質建模已列入GSO的各類發展戰略或計劃，應用于地學各個領域，一批不同尺度的3D地質模型作為產品已在網上發布服務，地質信息的表達實現了第3次突破
2005年前后，以生產產品為目的3D地質建模開始列入各國GSO的發展戰略、填圖計劃及水資源、礦產、能源、環境與災害等各類計劃，包括BGS 2005-2010年的科學戰略計劃， USGS 2007-2011的NCGMP計劃，地質災害計劃;加拿大GSC的2009-2014地下水科學計劃及2005-2010年的TGI-3礦產資源計劃，澳大利亞的國家填圖計劃及2003-2007的新石油計劃、2006-2011的能源安全計劃(陸地和海域)及水資源計劃等。
根據對由美國和加拿大地質協會自2001年至2013年聯合舉辦的8屆3D建模研討會、2011年發表的《地質調查機構3D建模綜述》(Richard C. Berg, Stephen Mathers, Holger Kessler and Donald A. Keefer, 2011)及2012年34屆國際地質大會資料的分析，3D地質建模已在基礎地質研究、水資源勘探與保護、能源的獲取與存儲、土地利用與規劃、市政工程與基礎設施、核廢料處置與二氧化碳存儲、礦產資源評價、地質災害防災減災、考古發現、教育與宣傳等眾多領域得到了應用。
經過多年的努力，建立了一批國家、州(省)及局部研究區等不同尺度的3D地質模型產品。
國家尺度的3D地質模型產品主要包括BGS的LithFrame3D及國家地質模型第一階段成果-國家基巖3D交叉剖面柵狀圖;荷蘭的2個國家尺度的地質框架模型;
州(省)層次的3D地質模型：澳大利亞塔斯馬尼亞州與維多利亞州的3D地質框架模型;加拿大曼尼托巴省的模型正在建設中;
局部研究區的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的的3D地質模型以及地質災害評估和海岸環境等幾十個3D模型;美國聯邦與州的地質調查機構建立的用于含水層評價、地質災害、冰川沉積的地下3D地質框架模型。加拿大的含水層模型評價的3D模型、阿爾伯達與安大略省的重點區域地下水與第四紀地質模型等;德國、法國、荷蘭、波蘭與丹麥等國的GSO建立的3D模型。
綜上所述，3D地質模型已應用于地學各個領域，一批不同尺度的3D地質模型作為產品已在網上發布服務，地質信息的表達形式實現了繼數字地質圖、地質圖空間數據庫+數字地質圖到3D地質模型的第3次重大突破。正如BGS于2010年在其網站上發表的紀念成立175周年的文章中所說，從地質圖到3D地質模型，終于實現了地質學家的夢想，這是來自BGS的重大突破(圖4)。
