水利工程論文-地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究.doc

水利工程論文-地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究摘要：地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實(shí)測(cè)資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)建立三維地質(zhì)模型，達(dá)到直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對(duì)于地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測(cè)施工及監(jiān)測(cè)的目的。本文分析了復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,并初步應(yīng)用在向家壩某壩址區(qū)的三維地質(zhì)建模中。關(guān)鍵詞：地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化1前言地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息，可以通過(guò)野外勘探實(shí)測(cè)或監(jiān)測(cè)儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)工作者很難對(duì)其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個(gè)整體和直觀的把握。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)，利用各種野外實(shí)測(cè)資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)建立三維地質(zhì)模型，達(dá)到直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對(duì)于地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測(cè)施工及監(jiān)測(cè)的目的?，F(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，乃至到工程運(yùn)行期的管理與監(jiān)測(cè)期，建設(shè)周期長(zhǎng)，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)、解釋和管理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。建立地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，逼真反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，將為地質(zhì)工程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。地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的重要意義表現(xiàn)在：1.利用數(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)，結(jié)合GIS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)體的地質(zhì)(屬性)信息的查詢，從而更直觀了解地質(zhì)信息在研究(工作)區(qū)域的整體分布規(guī)律。2.現(xiàn)場(chǎng)勘探數(shù)據(jù)用圖形表達(dá)，更有助于推斷、預(yù)測(cè)和把握其在研究(工作)區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。并且利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度快、可重復(fù)性、時(shí)實(shí)顯示、時(shí)實(shí)反饋與實(shí)時(shí)交互等優(yōu)點(diǎn)，隨著勘察或研究工作的不斷深入細(xì)致，工程地質(zhì)工作者可對(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。3.用計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制工程地質(zhì)圖件(剖面圖和平切面圖)，一方面，能夠使工程地質(zhì)工作者從煩瑣的CAD編輯成圖中解脫出來(lái)；另一方面，透鏡體和夾層的尖滅點(diǎn)的位置可以足夠精確地定位，減少了人為不確定因素。4.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學(xué)的可靠的依據(jù)，達(dá)到節(jié)約花費(fèi)，為生產(chǎn)或研究部門產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益的目的。2復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究和軟件開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)2.1國(guó)外研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)的MicroLYNX三維地質(zhì)建模與分析軟件系統(tǒng)，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Section（剖面）模型,Volume（體）模型,Polygon（多邊形）模型,Block（塊）模型,Grid（層狀）模型和Surface（面）模型。利用Section模型計(jì)算礦藏儲(chǔ)量，構(gòu)造復(fù)雜地質(zhì)體、礦井、巷道等地面地下采礦建筑設(shè)施。利用Volume模型對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行任意方向切割，從而表達(dá)任意復(fù)雜程度的地質(zhì)體。Polygon模型可直接由采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)生成。Block模型用于確定礦藏分布和等級(jí)變化，MicroLYNX軟件有兩大特點(diǎn)用于提高三維地質(zhì)體的空間分辨率，一是在礦體或斷層邊界進(jìn)行晶胞細(xì)分，二是在三維勘探空間中采用不同尺度的晶胞。Grid模型與Block模型類似，但更適用于扁平分布的礦體。Surface模型用于表現(xiàn)地表地形測(cè)量結(jié)果，露天礦設(shè)計(jì)和實(shí)際開(kāi)采狀況，計(jì)算兩個(gè)地層面之間的體積等。GemcomSoftware桌面系統(tǒng)是加拿大GemcomSoftwareInternationalInc.公司為使礦產(chǎn)資源勘探、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、礦井規(guī)劃、礦井設(shè)計(jì)和采礦生產(chǎn)的關(guān)鍵操作自動(dòng)化而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)。GemcomSoftware桌面系統(tǒng)集成了開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)、多種應(yīng)用程序、無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化智能系統(tǒng),為用戶提供高級(jí)的決策支持手段，能夠規(guī)劃、管理和監(jiān)督采礦生產(chǎn)，減少采礦風(fēng)險(xiǎn)和降低成本，是新一代采礦工程企業(yè)級(jí)解決方案。Gemcom軟件通過(guò)鉆孔、點(diǎn)、多邊形等數(shù)據(jù)，利用大量的實(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Surface(表面)和Solid(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。以上兩種軟件主要是瞄準(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，但對(duì)于地質(zhì)工程巖土體的建模與分析，針對(duì)性不強(qiáng)。2.2國(guó)內(nèi)研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開(kāi)發(fā)的TITAN地學(xué)綜合信息系統(tǒng)中的一個(gè)組件，是基于框架建模的思想研制開(kāi)發(fā)而成的，利用平行或基本平行的剖面數(shù)據(jù)建立起三維空間任意復(fù)雜形狀物體的真三維實(shí)體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：(1)剖面數(shù)據(jù)處理模塊，建立剖面數(shù)據(jù)，為建立三維實(shí)體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)剖面由多邊形、環(huán)和點(diǎn)元素組成；(2)對(duì)應(yīng)關(guān)系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環(huán)之間和點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為建立三維實(shí)體模型提供剖面間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯(lián)系；(3)模型處理模塊，建立實(shí)體模型，用剖面數(shù)據(jù)和剖面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立起三維實(shí)體模型，并且可以對(duì)模型進(jìn)行任意切割、計(jì)算面積和體積的處理。此軟件只是三維建模與圖形處理的引擎，適用面廣泛。但在面向具體專業(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。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?？v觀國(guó)內(nèi)外幾種軟件的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，對(duì)于地質(zhì)工程專業(yè)的復(fù)雜地質(zhì)體建模與分析的針對(duì)性不強(qiáng)，沒(méi)有充分體現(xiàn)地質(zhì)工程專業(yè)的特殊性，不能夠很好地滿足地質(zhì)工程生產(chǎn)與研究的實(shí)際需要。3地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模和可視化的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析3.1離散數(shù)據(jù)的插值與擬合地質(zhì)信息的插值和擬合函數(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)越豐富精確，得到的地質(zhì)模型越能夠真實(shí)描繪出這些信息的空間分布規(guī)律。對(duì)于不同的地質(zhì)信息，需采用不同的擬合函數(shù)。地表地形測(cè)量數(shù)據(jù)(X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和地表高程Z)、地下水位埋深測(cè)量信息(地下水位測(cè)點(diǎn)地表X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和水位埋深h)等的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?？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)1，平面彈性理論插值法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。下圖（圖1）是通過(guò)離散數(shù)據(jù)的徑向基函數(shù)插值法繪制的地表曲面。圖1通過(guò)離散數(shù)據(jù)的徑向基函數(shù)插值法繪制的地表曲面網(wǎng)格(Fig.1TerrainsurfacegridrenderedbyMultiquadricinterpolationmethodofscattereddata)3.2三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地質(zhì)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。這就要求必須具備有效的分層的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如地質(zhì)工程地質(zhì)體空間中的點(diǎn)由有三位坐標(biāo)分量表示，微小直線段由其兩個(gè)端點(diǎn)組成，地質(zhì)層面界線由所有屬于該邊界的微小直線段組成，而巖層曲面由微小三角面組成。有效的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠確保人機(jī)交互和查詢的實(shí)現(xiàn)。3.3曲面求交地質(zhì)體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當(dāng)出現(xiàn)地層不整合、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或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問(wèn)題。3.4三維拓?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)3。3.5可視化技術(shù)地質(zhì)工程復(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4。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。下圖（圖2）通過(guò)離散地表地形測(cè)量數(shù)據(jù)的插值計(jì)算并用不同顏色表達(dá)高程的差異達(dá)到山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態(tài)的可視化。圖2山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態(tài)的可視化(Fig.2Visualizationofthestateofrollingmountainsandgorgesformedbytheerosionandincisionoftherivers)4復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)的初步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用4.1地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究框圖地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究框圖（圖3）如下：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,地質(zhì)工程圖3地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究框圖(Fig.3Studyframechartof3Dmodelingandvisualizationofcomplicatedgeologicalmassofgeologicalengineering)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。4.2初步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用4.2.1工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)在收集整理現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)后錄入各分項(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)。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)。下圖（圖4）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。4.2.2三維地質(zhì)立體圖利用向家壩某壩址區(qū)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。向家壩某壩址區(qū)自上而下