水利工程論文-地質工程復雜地質體三維建模與可視化研究.doc

水利工程論文-地質工程復雜地質體三維建模與可視化研究摘要：地質工程復雜地質體中的各種地質信息都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數(shù)，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對于地質規(guī)律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監(jiān)測的目的。本文分析了復雜地質體三維建模與可視化研究的關鍵技術問題,并初步應用在向家壩某壩址區(qū)的三維地質建模中。關鍵詞：地質工程復雜地質體三維建模與可視化1前言地質工程復雜地質體中的各種地質信息，可以通過野外勘探實測或監(jiān)測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握。各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學、巖土體的物理力學參數(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)，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數(shù)，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對于地質規(guī)律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監(jiān)測的目的?，F(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質結構的地質信息系統(tǒng)還有差距。一個大型地質工程項目從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段，乃至到工程運行期的管理與監(jiān)測期，建設周期長，往往積累了大量的地質資料，用三維模型圖形圖像來表達、解釋和管理如此龐大的資料比光靠數(shù)據(jù)庫和圖表圖紙等傳統(tǒng)手段來得有效的多。建立地質工程復雜地質體的三維模型，處理巖層界面與結構面組合關系，逼真反映地下地質結構全貌，將為地質工程工作者分析研究工程地質現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結構規(guī)律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。地質工程復雜地質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)庫存儲和管理現(xiàn)場勘探實測和試驗數(shù)據(jù)，結合GIS技術，可實現(xiàn)工程地質體的地質(屬性)信息的查詢，從而更直觀了解地質信息在研究(工作)區(qū)域的整體分布規(guī)律。2.現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)用圖形表達，更有助于推斷、預測和把握其在研究(工作)區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。并且利用計算機的計算速度快、可重復性、時實顯示、時實反饋與實時交互等優(yōu)點，隨著勘察或研究工作的不斷深入細致，工程地質工作者可對研究(工作)區(qū)域隨時補充信息來自動顯示地質信息在研究(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的信息及時發(fā)現(xiàn)已有勘察工作中的不足，從而及時修改勘察或研究工作方案，指導下一步勘探或研究工作的實施。3.用計算機自動繪制工程地質圖件(剖面圖和平切面圖)，一方面，能夠使工程地質工作者從煩瑣的CAD編輯成圖中解脫出來；另一方面，透鏡體和夾層的尖滅點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)場勘探實測或試驗數(shù)據(jù)，達到節(jié)約投資減少勘察或研究成本的目的。當現(xiàn)場勘探和試驗數(shù)據(jù)資料不足情況下，通過對已有數(shù)據(jù)的插值與擬合到建立三維模型，可以推斷和預測未知區(qū)域或研究較少區(qū)域的地質信息或巖土體物理力學參數(shù)的分布趨勢，從而為減少勘探工作量提供科學的可靠的依據(jù)，達到節(jié)約花費，為生產(chǎn)或研究部門產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益的目的。2復雜地質體三維建模與可視化研究和軟件開發(fā)動態(tài)2.1國外研究與開發(fā)現(xiàn)狀加拿大阿波羅科技集團公司開發(fā)的MicroLYNX三維地質建模與分析軟件系統(tǒng)，通過對離散點采樣、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模型計算礦藏儲量，構造復雜地質體、礦井、巷道等地面地下采礦建筑設施。利用Volume模型對地質體進行任意方向切割，從而表達任意復雜程度的地質體。Polygon模型可直接由采樣點數(shù)據(jù)生成。Block模型用于確定礦藏分布和等級變化，MicroLYNX軟件有兩大特點用于提高三維地質體的空間分辨率，一是在礦體或斷層邊界進行晶胞細分，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)地表地形測量結果，露天礦設計和實際開采狀況，計算兩個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)資源評價、礦井規(guī)劃、礦井設計和采礦生產(chǎn)的關鍵操作自動化而設計開發(fā)的軟件系統(tǒng)。GemcomSoftware桌面系統(tǒng)集成了開放數(shù)據(jù)庫、多種應用程序、無線技術和網(wǎng)絡商業(yè)化智能系統(tǒng),為用戶提供高級的決策支持手段，能夠規(guī)劃、管理和監(jiān)督采礦生產(chǎn)，減少采礦風險和降低成本，是新一代采礦工程企業(yè)級解決方案。Gemcom軟件通過鉆孔、點、多邊形等數(shù)據(jù)，利用大量的實用的圖形編輯和生成工具，顯示鉆孔孔位分布，運用不規(guī)則三角網(wǎng)建立Surface(表面)和Solid(實體)模型，運用多義線圈閉巖層和礦體邊界進行儲量和品位分析，提供了交互操作功能并允許用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗和專家知識勾畫地質模型，實現(xiàn)任意剖面切割任意角度觀察和實體與實體或實體與表面的交切與布爾運算等。以上兩種軟件主要是瞄準采礦工程，能夠較好地滿足采礦工程活動中的礦產(chǎn)資源勘探和評價、地下礦井和露天礦坑設計和規(guī)劃、礦產(chǎn)資源管理和采礦生產(chǎn)管理等需求，但對于地質工程巖土體的建模與分析，針對性不強。2.2國內(nèi)研究與開發(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發(fā)的TITAN地學綜合信息系統(tǒng)中的一個組件，是基于框架建模的思想研制開發(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雜形狀物體的真三維實體模型。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)和點元素組成；(2)對應關系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環(huán)之間和點之間的對應關系，為建立三維實體模型提供剖面間的一一對應關系，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，建立實體模型，用剖面數(shù)據(jù)和剖面間的對應關系建立起三維實體模型，并且可以對模型進行任意切割、計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，需要添加或擴充專業(yè)模塊，比如工程地質專業(yè)模塊等。張菊明等對風化帶分布、多層地層等地質信息的可視化和斷層錯斷巖層的表達和顯示的算法1,2進行了較為深入的研究?？v觀國內(nèi)外幾種軟件的研究與開發(fā)現(xiàn)狀，對于地質工程專業(yè)的復雜地質體建模與分析的針對性不強，沒有充分體現(xiàn)地質工程專業(yè)的特殊性，不能夠很好地滿足地質工程生產(chǎn)與研究的實際需要。3地質工程復雜地質體三維建模和可視化的關鍵技術問題分析3.1離散數(shù)據(jù)的插值與擬合地質信息的插值和擬合函數(shù)要根據(jù)實際勘測數(shù)據(jù)建立，實測數(shù)據(jù)越豐富精確，得到的地質模型越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規(guī)律。對于不同的地質信息，需采用不同的擬合函數(shù)。地表地形測量數(shù)據(jù)(X坐標、Y坐標和地表高程Z)、地下水位埋深測量信息(地下水位測點地表X坐標、Y坐標和水位埋深h)等的曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數(shù)據(jù)的插值和擬合?？臻g曲面插值函數(shù)有以下構造方法，如與距離成反比的加權方法(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連續(xù)地層界面、地球物理勘探數(shù)據(jù)、地球化學勘探數(shù)據(jù)以及巖土體物理力學參數(shù)在地質體空間的分布。下圖（圖1）是通過離散數(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)結構地質工程地質體一般是不規(guī)則形體，在計算機圖形學中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近，來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)結構，比如地質工程地質體空間中的點由有三位坐標分量表示，微小直線段由其兩個端點組成，地質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)結構能夠確保人機交互和查詢的實現(xiàn)。3.3曲面求交地質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，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數(shù)學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應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題。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面(平面)與各種地質界面(曲面)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面（層面）之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。3.4三維拓撲結構分析從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數(shù)據(jù)結構。例如，考慮多層地層，上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系，在存儲數(shù)據(jù)時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個地層曲面，大大減少數(shù)據(jù)存儲量。評價地質模型系統(tǒng)的優(yōu)缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構3。3.5可視化技術地質工程復雜地質體可視化是利用計算機技術將工程勘測獲得的數(shù)據(jù)轉換為形象直觀便于進行交互分析的地下地質結構空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化4。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數(shù)據(jù)中構造出地質工程中對于邊破穩(wěn)定性和地下硐室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數(shù)據(jù)做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。下圖（圖2）通過離散地表地形測量數(shù)據(jù)的插值計算并用不同顏色表達高程的差異達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復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發(fā)與應用4.1地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖地質工程復雜地質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)轉化為連續(xù)曲線曲面,地質工程圖3地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖(Fig.3Studyframechartof3Dmodelingandvisualizationofcomplicatedgeologicalmassofgeologicalengineering)復雜地質體三維建模與可視化的過程是，從勘探數(shù)據(jù)庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的物理力學參數(shù)，通過不同的擬合與插值函數(shù)得到地質層面(曲面)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。生成地質巖層面和地質實體后，實現(xiàn)從任意角度觀察建立的模型，實現(xiàn)根據(jù)指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。4.2初步開發(fā)與應用4.2.1工程勘測空間數(shù)據(jù)庫管理工程勘測空間數(shù)據(jù)庫在收集整理現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)后錄入各分項數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表不僅包括地質信息的位置數(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、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、接觸關系、地質描述等數(shù)據(jù)。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和管理勘測數(shù)據(jù)。下圖（圖4）是工程勘測數(shù)據(jù)庫中鉆孔地層系統(tǒng)數(shù)據(jù)表的管理界面。4.2.2三維地質立體圖利用向家壩某壩址區(qū)工程勘測數(shù)據(jù)，建立了壩址區(qū)右岸三維立體地質圖。向家壩某壩址區(qū)自上而下