淺談工程地質(zhì)三維建模與可視化

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1 前言

　　現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)(GIS)都主要表達(dá)二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴(kuò)展到真三維包含地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)信息系統(tǒng)還有差距。一個(gè)大型地質(zhì)工程項(xiàng)目從可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，乃至到工程施工與運(yùn)行階段，往往積累了大量的地質(zhì)資料，用三維模型圖形圖像來(lái)表達(dá)和解釋如此龐大的資料，比光靠數(shù)據(jù)庫(kù)和圖表圖紙等傳統(tǒng)手段來(lái)得有效的多。建立工程地質(zhì)體的三維模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，逼真反映地下主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，將為工程地質(zhì)工作者分析研究工程地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結(jié)構(gòu)規(guī)律，提供一種嶄新的研究手段和研究方法。

國(guó)外三維地質(zhì)建模和可視化研究發(fā)展較快。加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司推出的三維建模與分析軟件MicroLYNX，通過(guò)對(duì)離散點(diǎn)采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數(shù)據(jù)的處理，產(chǎn)生剖面、塊和面等模型，確定礦藏分布和等級(jí)變化并計(jì)算礦藏儲(chǔ)量。加拿大Gemcom Software International Inc.公司開(kāi)發(fā)的Gemcom軟件通過(guò)鉆孔、點(diǎn)、多邊形等數(shù)據(jù)，利用實(shí)用的圖形編輯和生成工具，顯示鉆孔孔位分布，運(yùn)用不規(guī)則三角網(wǎng)建立表面和實(shí)體模型，運(yùn)用多義線圈閉巖層和礦體邊界進(jìn)行儲(chǔ)量和品位分析，提供了交互操作功能并允許用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)勾畫(huà)地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)任意剖面切割任意角度觀察和實(shí)體與實(shí)體或?qū)嶓w與表面的交切與布爾運(yùn)算等。國(guó)外軟件主要是瞄準(zhǔn)采礦工程，能夠較好地滿足采礦工程活動(dòng)中的礦產(chǎn)資源勘探和評(píng)價(jià)、地下礦井和露天礦坑設(shè)計(jì)和規(guī)劃、礦產(chǎn)資源管理和采礦生產(chǎn)管理等需求。美國(guó)Kinetix公司開(kāi)發(fā)的3D Studio MAX，Alias/Wavefront公司開(kāi)發(fā)的Maya和微軟公司開(kāi)發(fā)的Softimage等大眾化的三維建模軟件，在構(gòu)建工業(yè)和建筑模型與動(dòng)畫(huà)制作方面有其獨(dú)到之處，但交互查詢的功能較弱，與工程勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合并應(yīng)用于工程地質(zhì)三維建模方面還有較大距離。

張菊明等對(duì)風(fēng)化帶分布、多層地層等地質(zhì)信息的可視化和斷層錯(cuò)斷巖層的表達(dá)和顯示的算法^[1,2]進(jìn)行了較為深入的研究，為工程地質(zhì)三維可視化軟件的開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并借助AutoCAD平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維地質(zhì)圖形的顯示。國(guó)內(nèi)的靈圖VRMap地理信息系統(tǒng)軟件有較強(qiáng)的地形模擬和地表地物的查詢功能，但不是真三維的地質(zhì)建模工具。北京東方泰坦科技有限公司開(kāi)發(fā)TITAN三維建模軟件，基于框架建模的思想，利用平行或基本平行的剖面數(shù)據(jù)，建立起三維空間復(fù)雜形狀物體的真三維實(shí)體模型，但目前只是初步的三維建模與圖形處理的引擎，在面向具體專業(yè)時(shí)，需要添加或擴(kuò)充專業(yè)模塊，比如工程地質(zhì)專業(yè)模塊等。

縱觀國(guó)內(nèi)外幾種軟件的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，它們?yōu)楣こ痰刭|(zhì)三維建模與可視化打下了很好的技術(shù)基礎(chǔ)，提供了很寶貴的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。但是，對(duì)于工程地質(zhì)專業(yè)的地質(zhì)體建模與可視化分析的針對(duì)性不強(qiáng)，不能夠很好地滿足工程地質(zhì)生產(chǎn)與研究的專業(yè)功能需要。因此本文將從分析工程地質(zhì)的三維建模和可視化的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題入手，簡(jiǎn)單描述作者在工程地質(zhì)三維建模和可視化方面的初步開(kāi)發(fā)研究成果。

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析 2.1離散數(shù)據(jù)的插值與擬合

工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風(fēng)化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學(xué)、巖土體的物理力學(xué)參數(shù)或數(shù)據(jù)的等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，它們的擬合函數(shù)要根據(jù)實(shí)際勘測(cè)數(shù)據(jù)建立，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越豐富，越能夠真實(shí)描繪出這些信息的空間分布規(guī)律。地表地形測(cè)量數(shù)據(jù)、地下水位埋深測(cè)量信息等的單值曲面圖形生成可歸結(jié)為雙自變量離散數(shù)據(jù)的插值和擬合，多值曲面如倒轉(zhuǎn)褶皺和空間等值面等，則應(yīng)采用多參變量插值等其他一些較復(fù)雜的方法?？臻g曲面插值函數(shù)有以下構(gòu)造方法，如與距離成反比的加權(quán)方法(Shepard 方法)，徑向基函數(shù)插值法(Multiquadric方法)^[3]，平面彈性理論插值法^[1,2]等，它們同樣適用于單個(gè)連續(xù)地層界面、地球物理勘探數(shù)據(jù)、地球化學(xué)勘探數(shù)據(jù)以及巖土體物理力學(xué)參數(shù)在地質(zhì)體空間的分布。 #p#page_title#e#

2.2 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工程地質(zhì)體一般是不規(guī)則形體，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中曲線和曲面總是分別通過(guò)很多微小直線段和微小三角面逼近來(lái)模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面（和地表曲線、地下水位面等地質(zhì)層面界線）和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是工程地質(zhì)三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求必須具備有效的分層的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠確保人機(jī)交互和查詢的實(shí)現(xiàn)。

2.3 曲面求交

地質(zhì)體中存在大量各種層面，當(dāng)出現(xiàn)地層不整合、斷層錯(cuò)斷巖層、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時(shí)，就自然會(huì)遇到曲面間求交的問(wèn)題；地質(zhì)體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層面或地下水位面不應(yīng)超出地表曲面，即超出部分不應(yīng)顯示。同樣的，當(dāng)顯示多層地層時(shí)，下面的每一巖層應(yīng)以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問(wèn)題。另一方面，在剖面圖成圖時(shí)，地質(zhì)界線的繪制是通過(guò)顯示剖面(平面)與各種地質(zhì)界面(曲面)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質(zhì)界面（層面）之間的相交，和地質(zhì)界面與剖面的相交兩類(lèi)問(wèn)題。

2.4 三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

從地質(zhì)學(xué)角度看，拓?fù)涫堑刭|(zhì)對(duì)象間關(guān)系的表格，拓?fù)浔泶鎯?chǔ)層位間上覆、下伏和交切(被斷層切割后地層的拓?fù)浔磉_(dá))等的地層學(xué)關(guān)系及地質(zhì)空間位置關(guān)系。拓?fù)湟部梢暈樵试S這些地質(zhì)關(guān)系合理儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，考慮多層地層，上一個(gè)巖層的底面和與其相鄰的下一個(gè)巖層的頂面是上下巖層這兩個(gè)實(shí)體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓?fù)潢P(guān)系就是相鄰和同一的關(guān)系，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)只存儲(chǔ)上一個(gè)巖層的底面或其相鄰的下一個(gè)巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個(gè)地層曲面，大大減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。評(píng)價(jià)地質(zhì)模型系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)往往決定于描述地質(zhì)對(duì)象所用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[4]。

2.5 可視化技術(shù)

工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體可視化，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將工程勘測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為形象直觀的便于進(jìn)行交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形，其基礎(chǔ)是工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化^〔5〕。利用可視化技術(shù)可以從龐大的地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)中構(gòu)造出地質(zhì)工程中對(duì)于邊破穩(wěn)定性和地下硐室變形破壞等起關(guān)鍵作用的巖層和結(jié)構(gòu)面，并顯示其范圍、走向和相互交切關(guān)系，幫助工程地質(zhì)人員對(duì)原始數(shù)據(jù)做出正確解釋，繼而為工程地質(zhì)分析具體問(wèn)題提供決策支持。

3 工程地質(zhì)三維可視化技術(shù)的初步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
3.1 研究框圖

工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究框圖如圖1所示。

基于離散采樣數(shù)據(jù)的插值與擬合的思想，即將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲線曲面, 工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的過(guò)程是，從勘探數(shù)據(jù)庫(kù)中提取各種地質(zhì)信息的坐標(biāo)位置及巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，通過(guò)不同的擬合與插值函數(shù)得到地質(zhì)層面(曲面)和地質(zhì)實(shí)體的三維計(jì)算機(jī)圖形顯示，表達(dá)地質(zhì)信息在研究區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。生成地質(zhì)巖層面和地質(zhì)實(shí)體后，實(shí)現(xiàn)從任意角度觀察建立的模型，實(shí)現(xiàn)根據(jù)指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

3.2 初步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 3.2.1 工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理

在收集整理現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)后錄入金沙江某水電工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)各分項(xiàng)數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表不僅包括地質(zhì)信息的位置數(shù)據(jù)，更重要的是提供屬性數(shù)據(jù)。

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　　以地層巖性數(shù)據(jù)表為例，要求錄入鉆孔編號(hào)、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性（地層名稱）、地層代碼（地層年代）、巖層走向、巖層傾向、巖層 #p#page_title#e#傾角、接觸關(guān)系、地質(zhì)描述等數(shù)據(jù)。隨著工程勘測(cè)的進(jìn)展，能夠方便地修改補(bǔ)充和管理勘測(cè)數(shù)據(jù)。圖2是工程勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中鉆孔地層系統(tǒng)數(shù)據(jù)表的管理界面。

3.2.2 三維瀏覽

通過(guò)孔口坐標(biāo)和測(cè)量數(shù)據(jù)等的離散數(shù)據(jù)的擬合和插值法繪制壩址區(qū)的右岸地表曲面網(wǎng)格（圖3），進(jìn)而可在三維圖形環(huán)境中進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽觀察（圖4）。

3.2.3 三維地質(zhì)立體圖

利用工程勘測(cè)數(shù)據(jù)，建立了壩址區(qū)右岸三維立體地質(zhì)圖。該壩址區(qū)自上而下地層巖性組合為：第四系崩坡堆積物，侏羅系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，三疊系上統(tǒng)厚至巨厚層狀細(xì)至中粒砂巖，三疊系上統(tǒng)薄至中厚層狀粉細(xì)紗巖、粉砂巖，三疊系上統(tǒng)中厚至厚層狀中粗砂巖。通過(guò)有限的工程勘測(cè)數(shù)據(jù)得出的立體圖，能夠較好地滿足工程地質(zhì)的精度。圖5表達(dá)了該壩址區(qū)右岸三維地質(zhì)圖。

3.2.4 三維可視化查詢

通過(guò)圖形與工程勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)的鏈接，實(shí)現(xiàn)可視化查詢地層巖性和其他工程地質(zhì)信息，最終完成向三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。圖6是一簡(jiǎn)單的被斷層錯(cuò)斷的水平多層地層模型，通過(guò)模型的每個(gè)地層實(shí)體名稱與數(shù)據(jù)表中的巖石名稱字段對(duì)應(yīng)鏈接，能夠查詢地層的巖性，地質(zhì)年代，起止深度和地質(zhì)描述等工程地質(zhì)人員關(guān)心的地質(zhì)信息。

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用先進(jìn)的可視化技術(shù)與交互圖形技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)和管理現(xiàn)場(chǎng)勘探實(shí)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立工程地質(zhì)體的三維模型，工程地質(zhì)工作者可隨著勘察或研究工作的不斷深入細(xì)致，對(duì)研究(工作)區(qū)域隨時(shí)補(bǔ)充信息來(lái)自動(dòng)顯示地質(zhì)信息在研究(工作)區(qū)域內(nèi)的分布，從而不斷提高模型精度，并且利用模型反饋回來(lái)的信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)已有勘察工作中的不足，從而及時(shí)修改勘察或研究工作方案，指導(dǎo)下一步勘探或研究工作的實(shí)施。

(2) 工程地質(zhì)三維建模與可視化的深入研究，可以充分利用已有現(xiàn)場(chǎng)勘探實(shí)測(cè)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到節(jié)約投資減少勘察或研究成本的目的。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)勘探和試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料不足情況下，通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的插值與擬合到建立三維模型，可以推斷和預(yù)測(cè)未知區(qū)域或研究較少區(qū)域的地質(zhì)信息或巖土體物理力學(xué)參數(shù)的分布趨勢(shì)，從而為減少勘探工作量提供科的可靠的依據(jù)，達(dá)到節(jié)約花費(fèi)，為生產(chǎn)或研究部門(mén)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益的目的。

(3)工程地質(zhì)巖土體是復(fù)雜的不規(guī)則形體，存在各種地質(zhì)巖性層面、結(jié)構(gòu)面以及各種空間分布的地質(zhì)與力學(xué)信息，完全表達(dá)地質(zhì)信息的空間分布及巖層和結(jié)構(gòu)面間的位置關(guān)系，工程地質(zhì)三維建模與可視化研究是大有作為的。