基于GoCAD與Surfer平臺(tái)建立三維地質(zhì)模型研究

基于GoCAD與Surfer平臺(tái)建立三維地質(zhì)模型研究基于GoCAD與Surfer平臺(tái)建立三維地質(zhì)模型研究

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311〔2022〕24-0233-03

0引言

在運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)信息模擬辦法時(shí)最主要的伎倆是利用平面圖和剖面圖。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)將三維空間下的地貌、地層、構(gòu)造以及其他地質(zhì)現(xiàn)象往某一平面進(jìn)行投影。但是在實(shí)際操作中就會(huì)暴露出一些缺陷，比方空間信息會(huì)損失或失真、繪圖過(guò)程變得復(fù)雜繁瑣、參數(shù)修改變得困難等。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)快速開展，數(shù)值分析已然躋身巖土項(xiàng)目分析辦法的前列。由美國(guó)ItascaConsultingGouplnc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序FLAC-3D〔ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua〕就是其中一種應(yīng)用較為廣泛的軟件。該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在到達(dá)強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。但是，F(xiàn)LAC3D軟件在建立復(fù)雜三維地質(zhì)模型以及網(wǎng)格的劃分實(shí)現(xiàn)等前處理過(guò)程中存在很大缺乏：①FLAC3D軟件的操作全部采用命令流，不能使用交互式操作，建立模型不能直觀顯示；②當(dāng)需要建立的地質(zhì)模型外表變化復(fù)雜，地層變化多樣時(shí)，需要對(duì)各個(gè)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，命令數(shù)量大，出錯(cuò)不易查出；③建立復(fù)雜模型時(shí)要花費(fèi)大量時(shí)間才能是模型與實(shí)際較吻合。

因此，文章提出了基于GoCAD與Surfer平臺(tái)的復(fù)雜三維地質(zhì)建模和網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體模型的快速、直觀建模。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目實(shí)例，也驗(yàn)證了此種建模辦法是可行的、有效的。

1GoCAD與Surfer軟件介紹

GoCAD〔GeologicalObjectComputerAidedDesign〕軟件是一款功能強(qiáng)大的三維地質(zhì)建模軟件，在項(xiàng)目地質(zhì)、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)、石油項(xiàng)目、水利項(xiàng)目中有廣泛的應(yīng)用。GoCAD軟件具有強(qiáng)大的三維建模、可視化、地質(zhì)解釋和分析的功能。它既可以進(jìn)行外表建模，又可以進(jìn)行實(shí)體建模；既可以設(shè)計(jì)空間幾何對(duì)象，也可以表現(xiàn)空間屬性分布。并且，該軟件的空間分析功能強(qiáng)大，信息表現(xiàn)方式靈活多樣。一般來(lái)講，要建模的地質(zhì)目標(biāo)，千姿百態(tài)，既要描述其幾何形態(tài)，也要描述其所包含的地質(zhì)屬性特征。但是無(wú)論多么復(fù)雜的地質(zhì)體，歸納起來(lái)都可以用點(diǎn)、線、面、體等四種類型的數(shù)據(jù)來(lái)描述。在GoCAD中描述地質(zhì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)主要有一下四種定義：①點(diǎn)集：描述離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；②線集：描述斷層線、鉆孔軌跡、測(cè)井曲線和河道等線狀數(shù)據(jù)；③面集：描述層面、斷面等面狀數(shù)據(jù)；④體集：地震數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地層網(wǎng)格、封閉體等數(shù)據(jù)體。

Surfer是一款畫三維圖的軟件，是美國(guó)GoldenSoftware公司的系列繪圖軟件之一。Surfer的主要功能是繪制等值線圖〔contourmap〕，是具有插值功能的繪圖軟件，在這里主要用到的就是該軟件內(nèi)置的克里金〔Kriging〕插值功能。克里金插值法又稱空間自協(xié)方差最正確插值法，它是以法國(guó)D.G.Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對(duì)一個(gè)待插值點(diǎn)有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來(lái)估計(jì)待插值點(diǎn)的屬性值。該辦法在數(shù)學(xué)上可對(duì)所研究的對(duì)象提供一種最正確線性無(wú)偏估計(jì)〔某點(diǎn)處確實(shí)定值〕的辦法。它是考慮了信息樣品的形狀、大小及與待估計(jì)塊段相互間的空間位置等幾何特征以及品位的空間結(jié)構(gòu)之后，為到達(dá)線性、無(wú)偏和最小估計(jì)方差的估計(jì)，而對(duì)每一個(gè)樣品賦與一定的系數(shù)，最后進(jìn)行加權(quán)平均來(lái)估計(jì)塊段值的辦法。但它仍是一種光滑的內(nèi)插辦法。在數(shù)據(jù)點(diǎn)多時(shí)，其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。

2三維地質(zhì)建模辦法

一般情況下，我們獲取的項(xiàng)目地質(zhì)信息都是通過(guò)地形等高線圖反映的，因此，我們的出發(fā)點(diǎn)還是從最原始的AutoCAD圖形著手。使用GoCAD構(gòu)建三維地質(zhì)模型一般包括下列四個(gè)步驟：

2.1提取地形圖信息GoCAD可以導(dǎo)入多種數(shù)據(jù)類型，在此，我們將整理后的地形等高線圖另存為*.DXF格式，保留文件時(shí)確保沒(méi)有中文名稱和中文路徑。然后導(dǎo)入GoCAD：選擇File――ImportObject――CrossSections――DFX導(dǎo)入等高線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)都為線數(shù)據(jù)，GoCAD中叫做Curve〔即線文件〕，刪除不必要的數(shù)據(jù)，只保存等高線數(shù)據(jù)。此時(shí)形成的線并不平滑，因此要將整理好的線文件導(dǎo)出插值，選擇File――ExportObjects――Curve――ExportpropertiestoExcel。

2.2Surfer進(jìn)行插值選擇導(dǎo)出的坐標(biāo)值，全選并復(fù)制，運(yùn)行Surfer，在軟件的圖形模式下新建列表，將復(fù)制的坐標(biāo)值粘貼到列表內(nèi)并另存為*.dat文件。選擇菜單“網(wǎng)格――數(shù)據(jù)〞，翻開剛剛保留的*.dat數(shù)據(jù)，彈出圖1所示的對(duì)話框，只用設(shè)置最小、最大、間距數(shù)據(jù)、插值辦法，單擊確認(rèn)即可產(chǎn)生格網(wǎng)數(shù)據(jù)，翻開產(chǎn)生的格網(wǎng)數(shù)據(jù)*.grd文件，效果圖如圖2所示。保留*.grd數(shù)據(jù)為ASCIIXYZ〔*.dat〕文件，接著導(dǎo)入到GoCAD。

2.3鉆孔數(shù)據(jù)分析及導(dǎo)入對(duì)于多地層的模型，還需要借助已有的鉆孔揭露地層數(shù)據(jù)。將鉆孔制作成.txt文本，直接可以一次性導(dǎo)入。鉆孔導(dǎo)入辦法：File――ImportObject――Welldata――〔Path〕LocationsfromColumn-basedFile。然后同樣的辦法再導(dǎo)入分層數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)文本和分層標(biāo)記文本格式如表1所示。過(guò)程如下：File――ImportObject――Welldata――〔Markers〕Column-basedFile，數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入后，建立Group，右鍵Group――NewGroup――AddtoGroup添加所有鉆孔數(shù)據(jù)，成功導(dǎo)入數(shù)據(jù)后生成如圖3效果。

2.4建立模型并劃分網(wǎng)格當(dāng)分層的標(biāo)記做好以后便開始由點(diǎn)生成面。對(duì)于外表，可以直接由從CAD提取的等高線插值點(diǎn)信息生成，過(guò)程如下：Surface――New――〔FromPointsSets〕PointSet，選擇對(duì)應(yīng)的PointSet對(duì)象。對(duì)于借助鉆孔數(shù)據(jù)生成面的過(guò)程有所不同：Surface――New――〔FromSurface〕FromOthers――WellMarkers。分別選擇前面步驟做好的兩種鉆孔標(biāo)記名稱各生成對(duì)應(yīng)的層面。但是由于鉆孔數(shù)據(jù)有限，生成的面顯得平整，不合乎實(shí)際。因此還需按照步驟二對(duì)外表插值的辦法分別對(duì)兩個(gè)層面進(jìn)行插值修改，得到較接近實(shí)際的層面。然后將三個(gè)面疊加，對(duì)于交叉的局部采剪切再合并。

完成了外表和中間的層面，還需添加一個(gè)底面。底面添加相對(duì)簡(jiǎn)單，過(guò)程如下：右鍵外表名稱――copy――重命名〔bottom〕――Surface――compute――〔ApplyScript〕OnObject，選擇bottom對(duì)象，將主腳本中輸入“Z=N；〞〔N為低于外表最小高程的任意值〕。效果如圖4所示。

進(jìn)一步將由面組成的三維地形圖生成劃分網(wǎng)格的實(shí)體。使用SGrid對(duì)象下的New命令，選擇FromObjectBox，命名創(chuàng)立的第一個(gè)實(shí)體，選擇生成該實(shí)體的兩個(gè)面〔外表與第一個(gè)層面〕，在Nu、Nv、Nw中分別設(shè)置X、Y、Z三個(gè)方向上的網(wǎng)格數(shù)，然后使用Tools命令下的ProportionallyBetweenTopandBottom，選擇前述的兩個(gè)面進(jìn)行分割，確定生成第一個(gè)劃分網(wǎng)格的實(shí)體。采用相同的步驟，分別生成第二個(gè)、第三個(gè)地層。關(guān)閉輔助的點(diǎn)、線、面對(duì)象，對(duì)生成的圖形進(jìn)行必要的修正，完成最終的三維地質(zhì)模型與網(wǎng)格劃分，最終效果如圖5所示。

3結(jié)論

GoCAD是規(guī)范三維地質(zhì)建模軟件，通過(guò)結(jié)合