面向水利水電工程地質(zhì)建模的混合結(jié)構(gòu)

面向水利水電工程地質(zhì)建模的混合結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，公共交通行業(yè)呈現(xiàn)出活躍的趨勢(shì)，大量大型節(jié)水項(xiàng)目被提前開展。這些項(xiàng)目大多位于高山峽谷，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)信息豐富，給項(xiàng)目的測(cè)量、設(shè)計(jì)和建設(shè)帶來了很大困難。傳統(tǒng)的二維靜瓦處理和分析方法難以滿足工程地質(zhì)工人和設(shè)計(jì)人員的實(shí)際需要。作為數(shù)字可視化設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)，三維水利水電工程的質(zhì)量分析和分析，是研究和解決的重點(diǎn)，引起了人們的關(guān)注。三維地質(zhì)建模與分析問題是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn),如數(shù)學(xué)地質(zhì)、礦山地質(zhì)、油氣藏地質(zhì)、水文工程地質(zhì)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等.Houlding最早提出了三維地學(xué)建模(3Dgeosciencemodeling)的概念,并闡述了一些基本的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法,如空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、三角網(wǎng)生成與固化、地質(zhì)體邊界連接等;Mallet針對(duì)地質(zhì)體建模的特殊性和復(fù)雜性,采用離散光滑插值技術(shù)來模擬地質(zhì)體,并作為GOCAD的核心技術(shù),得到了許多地球物理公司和石油公司的支持;deKemp則運(yùn)用三維Bézier工具對(duì)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化建模,并與Sprague合作發(fā)展了Bézier-NURBS混合曲面來擬合構(gòu)造三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)面;Courrioux等人基于Voronoi圖實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)對(duì)象實(shí)體的自動(dòng)重構(gòu);柴賀軍等人結(jié)合溪洛渡水電站研制開發(fā)了一套巖體結(jié)構(gòu)三維可視化系統(tǒng),在一定程度上建立了三維地質(zhì)模型構(gòu)圖,并能夠進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的剖切分析;武強(qiáng)等人提出了在原始數(shù)據(jù)有限情況下有效耦合多種地質(zhì)數(shù)據(jù)的建模方法,并建立了面向采礦應(yīng)用的三維地質(zhì)建模體系結(jié)構(gòu).上述成果豐富和發(fā)展了三維地質(zhì)建模的理論與方法.總的來說,國(guó)外在這方面的研究開展較早,并已發(fā)展了一系列較為成熟的商業(yè)建模軟件包,如GOCAD,EarthVision,GemCom和Surpac等,但它們主要面向油氣藏工程和采礦工程等領(lǐng)域,由于性能要求高、價(jià)格昂貴和不同的地質(zhì)應(yīng)用目的,難以在我國(guó)水利水電工程地質(zhì)領(lǐng)域推廣使用;國(guó)內(nèi)也有類似的成果,同時(shí)在水利水電三維地質(zhì)建模方面也開展了大量研究,但存在模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量與精度之間的矛盾和分析功能較為單一的問題,離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離.因此有必要深入研究實(shí)現(xiàn)水利水電工程三維地質(zhì)建模與分析的理論和技術(shù)方法.我們緊密依托實(shí)際工程,融合水利水電工程科學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科的先進(jìn)理論與技術(shù),提出實(shí)現(xiàn)水利水電工程地質(zhì)統(tǒng)一建模的技術(shù)方法,主要解決3個(gè)關(guān)鍵問題:(ⅰ)適合于水利水電工程地質(zhì)的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題.目前常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所建立的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大,無法滿足實(shí)際分析應(yīng)用的要求,必須探尋合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),解決復(fù)雜地質(zhì)體信息量大與工程地質(zhì)分析要求高的矛盾.(ⅱ)耦合多源數(shù)據(jù)的水利水電工程地質(zhì)三維建模問題.如何從錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)數(shù)據(jù)中系統(tǒng)地構(gòu)造出各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維模型,并保證模型的精度滿足實(shí)際要求.(ⅲ)基于水利水電工程地質(zhì)模型的分析應(yīng)用問題.如何能夠?qū)⑺⒌哪Ｐ陀行У貞?yīng)用于水利水電工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)與施工中去,為工程建設(shè)服務(wù).本文將圍繞這3個(gè)問題的解決展開深入的探索研究.1基于水利水電工程的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.1基于約束面的信息化地質(zhì)建模技術(shù)工程地質(zhì)的數(shù)據(jù)表達(dá)方式即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ),水利水電工程區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、信息量大、分析要求高,選擇合適且實(shí)用的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵.目前表達(dá)三維實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括基于曲面表示和基于體元表示的兩類結(jié)構(gòu);前者在表達(dá)空間對(duì)象的邊界、可視化和幾何變換等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),而后者則能很好地表達(dá)空間對(duì)象的內(nèi)部信息.通過對(duì)比分析,考慮到水利水電工程主要關(guān)注地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工的影響,而非地質(zhì)體內(nèi)部的微觀屬性,同時(shí)體視化技術(shù)尚不成熟,因此經(jīng)過大量探索研究,提出了面向水利水電工程三維地質(zhì)建模的以非均勻有理B樣條(non-uniformrationalB-spline,NURBS)結(jié)構(gòu)為主、結(jié)合不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulatedirregularnetwork,TIN)模型和邊界表示(boundaryrepresentation,BRep)結(jié)構(gòu)的3種面表示的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).NURBS技術(shù)是STEP標(biāo)準(zhǔn)(ISO,1991)中自由型曲線曲面的唯一表示方法,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解析圖形和自由型曲線曲面提供了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)描述;針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體形態(tài)的無規(guī)律性變化,進(jìn)行地質(zhì)曲面NURBS幾何建模,具有節(jié)省存儲(chǔ)空間、計(jì)算機(jī)處理簡(jiǎn)便易行、數(shù)據(jù)庫(kù)管理方便并可以保證空間唯一性和幾何不變性等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用價(jià)值很高.TIN模型精度高但占用存儲(chǔ)空間大,作為構(gòu)建三維數(shù)字地形NURBS簡(jiǎn)化模型的一種中間轉(zhuǎn)換表達(dá)方式.BRep結(jié)構(gòu)通過邊界面來定義實(shí)體,為地質(zhì)對(duì)象提供了一種有效的體描述方式,邊界面可以是任何可定向的自由曲面;這里它用來組織NURBS曲面間的拓?fù)潢P(guān)系,構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)體.由這三種表達(dá)方式構(gòu)成的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1,并設(shè)計(jì)了點(diǎn)、曲線、NURBS曲線、NURBS曲面、三角形、Mesh和BRep實(shí)體等7種基本幾何元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)不僅能有效表達(dá)地質(zhì)對(duì)象的幾何形態(tài)和拓?fù)淇臻g關(guān)系,而且便于將相關(guān)的地質(zhì)屬性信息與幾何對(duì)象結(jié)合;模型精度高且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小,布爾運(yùn)算速度快,能夠滿足水利水電工程地質(zhì)三維建模與分析的需要.1.2基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的地質(zhì)模型傳統(tǒng)的地質(zhì)單元?jiǎng)澐滞ǔ⒈旧硎且粋€(gè)整體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體剖分為諸多所定義的最小單元體的集合.一般情況下,基于此類地質(zhì)單元的三維實(shí)體重構(gòu)模型雖然能夠滿足精度要求,但往往不可避免地增加空間或時(shí)間的開銷,對(duì)于水利水電工程區(qū)域大規(guī)模數(shù)據(jù)整體建模應(yīng)用,必然影響地質(zhì)分析速度,不能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶操作,無法得到滿意的效果.因此,在混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,遵循客觀地質(zhì)規(guī)律,以各類單個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)整體作為相應(yīng)的地質(zhì)單元,提出通用的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體重構(gòu)模型.NURBS地質(zhì)結(jié)構(gòu)面實(shí)際上是由各層面上的離散點(diǎn)和線數(shù)據(jù)構(gòu)建而成的,而地質(zhì)結(jié)構(gòu)體又是基于不同結(jié)構(gòu)面而組成的.假設(shè)重構(gòu)模型空間研究區(qū)域?yàn)?,則基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的整體地質(zhì)模型數(shù)學(xué)定義如下:式中M?表示研究區(qū)域?的整體Brep實(shí)體地質(zhì)模型;n為?中包含的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體總數(shù);Mci表示?中的第i個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元BRep實(shí)體模型;Si1和Si2分別是構(gòu)成Mci的上、下(或左、右)主結(jié)構(gòu)面,它們由其層面上的點(diǎn)集Pi1和Pi2通過NURBS技術(shù)擬合構(gòu)造而成;?Sij是結(jié)構(gòu)曲面Sij上所有邊界頂點(diǎn)的集合;Slik則表示連接Si1和Si2形成閉合實(shí)體Mci的第k個(gè)邊界面,它是由邊界頂點(diǎn)集合{vik}形成的簡(jiǎn)單NURBS曲面;mi為第i個(gè)單元中連接邊界面的數(shù)目.圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的實(shí)體模型,由空間分割原理可知,任何具有復(fù)雜幾何形態(tài)的對(duì)象都可分解為有限個(gè)簡(jiǎn)單單元形狀,通過(1)式重構(gòu)地質(zhì)模型,可以完整、快速及客觀地描述復(fù)雜地質(zhì)體的空間幾何形態(tài).2分類與建模對(duì)水手的影響2.1工程地質(zhì)對(duì)象的分類在水利水電工程地質(zhì)領(lǐng)域,所研究的地質(zhì)空間對(duì)象包含大量復(fù)雜不規(guī)則的地表地形、地層、覆蓋層、褶皺構(gòu)造、斷層、侵入體、層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、節(jié)理以及深裂縫等.眾多的地質(zhì)信息使得地質(zhì)體在人們眼中顯得雜亂無章,難以對(duì)其獲得清楚的理解與認(rèn)識(shí).基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)采用分類的思想,將實(shí)際工程中可能遇到的地質(zhì)對(duì)象的幾何形態(tài)特征和屬性特征進(jìn)行認(rèn)真分析,特征相似的對(duì)象可歸為一個(gè)大類,形成相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,從而有利于三維地質(zhì)模型的構(gòu)建.根據(jù)對(duì)各類工程地質(zhì)對(duì)象的特征分析和相應(yīng)建模方法的不同,水利水電工程地質(zhì)對(duì)象分類結(jié)構(gòu)如圖3.2.2模型建立與簡(jiǎn)化(1)三維數(shù)字地形的NURBS簡(jiǎn)化建模:地表地形是地質(zhì)形態(tài)中最直接最基本的部分,而數(shù)字地形模型(digitalterrainmodel,DTM)不僅是整個(gè)地質(zhì)模型建立過程中所有運(yùn)算操作的受體,同時(shí)也是其重要的組成部分,它必須滿足存儲(chǔ)量小、精確度高且易于圖形操作運(yùn)算的要求.這也一直是建立真正實(shí)用的三維地質(zhì)模型的一個(gè)制約性問題.目前常采用規(guī)則格網(wǎng)和TIN模型來實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字地形,但前者數(shù)據(jù)量雖小但精度較低,而后者精度雖高但數(shù)據(jù)量太大,兩者均無法直接滿足需要.因此引入NURBS技術(shù)構(gòu)建DTM,但由于實(shí)測(cè)的原始等高線往往不能很好地描述懸崖、溝壑,出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象,難以直接用來建立NURBS-DTM,而TIN模型能夠很好地表示這些特殊復(fù)雜地形的造型,我們提出了基于TIN模型的NURBS簡(jiǎn)化建模算法,該算法可描述如下:(ⅰ)處理等高線.若等高線密度太稀或太密,則進(jìn)行插值加密或稀疏.(ⅱ)生成TIN模型.基于整理好的等高線,在GIS環(huán)境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三維DTM,并消除由于等高線數(shù)據(jù)過于密集或采集信息缺乏所造成的細(xì)小、狹長(zhǎng)三角形,獲得高精度的TIN模型.(ⅲ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.將所產(chǎn)生的TIN模型從GIS環(huán)境中轉(zhuǎn)化到所開發(fā)的NURBS處理系統(tǒng)中形成多邊形mesh曲面,并保證三角形沒有丟失或產(chǎn)生變化.(ⅳ)獲取控制點(diǎn).在NURBS系統(tǒng)中從mesh曲面按u或v方向等間距(根據(jù)所需精度可取任意值)提取足夠多的分布均勻且連續(xù)的輪廓線,并進(jìn)行離散化處理,反算得到相應(yīng)的控制信息點(diǎn)數(shù)據(jù).(ⅴ)擬合NURBS地形曲面.根據(jù)NURBS算法所設(shè)計(jì)的函數(shù)FitSurface(U-spans,V-spans和Stiffness)重新擬合生成地形控制曲面,其參數(shù)分別表示u和v方向網(wǎng)格數(shù)和曲面柔韌度(一般取0.01,該值越大曲面越平直).(ⅵ)獲得NURBS地形輪廓體.按照研究區(qū)域?qū)⑸鲜鯪URBS曲面進(jìn)行范圍界定并裁剪,獲得簡(jiǎn)化的NURBS地形模型;進(jìn)一步利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的布爾操作運(yùn)算,獲得整個(gè)區(qū)域的地形輪廓體模型.該建模方法思路清晰簡(jiǎn)單,較復(fù)雜的圖形和數(shù)學(xué)運(yùn)算封裝在底層,處理速度快,實(shí)用性強(qiáng).實(shí)踐表明,所得到的NURBS-DTM存儲(chǔ)量較之TIN模型降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),而模型精度仍在國(guó)家測(cè)繪局一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),不僅可進(jìn)行各種可視化地形分析,更為三維地質(zhì)建模提供了可行的基礎(chǔ).(2)地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模:地層類對(duì)象主要包括地層、覆蓋層和層間錯(cuò)動(dòng)帶三類地質(zhì)結(jié)構(gòu),下面將主要以地層為主來說明該類地質(zhì)對(duì)象的幾何建模方法.對(duì)于單個(gè)連續(xù)的成層地層面,根據(jù)(1)式可知,區(qū)域內(nèi)單個(gè)連續(xù)的地層結(jié)構(gòu)體是由上、下兩個(gè)地層面和周邊4個(gè)邊界面閉合而成.實(shí)際上,我們可以對(duì)已建立的區(qū)域地形輪廓體和上、下兩個(gè)地層結(jié)構(gòu)面進(jìn)行布爾切割運(yùn)算,更精確簡(jiǎn)便地獲得對(duì)應(yīng)的地層體.對(duì)于多個(gè)成層構(gòu)造地層,其接觸關(guān)系有整合接觸、平行不整合接觸和角度不整合接觸3種,而從空間幾何角度而言,在相互鄰接的地層之間一般存在4種空間關(guān)系(圖4):包含、覆蓋、相交和多層相交.若這些相互關(guān)聯(lián)的地層面分別利用各自的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建,它們的結(jié)合面將難以精確地匹配到一起.這里提出一種簡(jiǎn)便的裁剪-疊加方法來縫合鄰接地層間的結(jié)構(gòu)面.以圖4中T1和T2地層的包含關(guān)系為例,該方法實(shí)現(xiàn)過程如下(圖5):(ⅰ)根據(jù)各自的地質(zhì)數(shù)據(jù)分別建立地層T1和T2的上部NURBS結(jié)構(gòu)面S1和S2,如圖5(a);(ⅱ)計(jì)算曲面S1和S2的相交線l1和l2,如圖5(b);(ⅲ)以曲線l1和l2為邊界對(duì)曲面S2進(jìn)行裁剪,從而得到兩地層T1和T2間的結(jié)合面S3,如圖5(c).這樣,所獲得的曲面即可成為地層T1的下底面,然后與地層T2進(jìn)行疊加,兩者即可很好地縫合在一起;其他鄰接關(guān)系的地層可采用類似的方法進(jìn)行處理.對(duì)于褶皺構(gòu)造地層,可分為兩種情況:一是對(duì)于不含多值面的褶皺地層,其建模方法同上;二是對(duì)于含有多值面的褶皺地層,即平面上一點(diǎn)p(x,y),在地層的上、下界面對(duì)應(yīng)的z值不唯一,如倒轉(zhuǎn)褶皺,此時(shí)地層界面的模擬構(gòu)造不能再籠統(tǒng)地將離散點(diǎn)和剖面線數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合,而只能通過輪廓線來形成,具體算法步驟如下:(ⅰ)匯總褶皺地層界面上的鉆孔點(diǎn)和剖面線(包括橫、縱剖面和平切面等)數(shù)據(jù),如圖6(a),分析褶皺要素產(chǎn)狀及其幾何形態(tài)特征.(ⅱ)以剖面線為基礎(chǔ)構(gòu)造反映褶皺空間特征的輪廓線.為了不丟失信息,根據(jù)褶皺的要素產(chǎn)狀,盡量選取有特征的鉆孔點(diǎn),如樞紐點(diǎn)和轉(zhuǎn)折端部位點(diǎn)等,結(jié)合剖面線趨勢(shì)插入新的典型輪廓線,如圖6(b).(ⅲ)加入邊界約束條件,利用NURBS曲面技術(shù),根據(jù)已形成的輪廓線集合擬合形成相應(yīng)的褶皺光滑曲面,如圖6(c).(ⅳ)同理可形成該褶皺的另一界面,進(jìn)而運(yùn)用BRep結(jié)構(gòu)構(gòu)建出褶皺地層實(shí)體模型,如圖6(d).(3)斷層類地質(zhì)對(duì)象建模:斷層類對(duì)象主要包括斷層、侵入體、深裂縫和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶4類地質(zhì)結(jié)構(gòu).斷層處理是三維地質(zhì)建模的難點(diǎn)之一,目前仍處于探索階段.斷層建模的主要問題在于連接剖面之間斷層軌跡線的多解性,以及缺乏對(duì)斷層變形和對(duì)其進(jìn)行三維外推的豐富信息;而在水利水電工程地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域,眾多的斷層互相交錯(cuò)發(fā)育,在地質(zhì)巖體內(nèi)形成了極其復(fù)雜的斷層網(wǎng)絡(luò).因此,除了精確構(gòu)造單個(gè)斷層外,還要從整個(gè)斷層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出發(fā),正確處理好多個(gè)斷層相交的錯(cuò)動(dòng)問題,下面將主要對(duì)兩個(gè)以上的交錯(cuò)斷層三維建模進(jìn)行闡述.對(duì)于兩相交斷層(或單個(gè)斷層錯(cuò)斷地層),首先引入以下兩個(gè)約束條件:(ⅰ)邊界約束(OnTsurf約束),即相應(yīng)于主斷層的上升盤與下降盤的被錯(cuò)斷層邊界任何時(shí)刻都應(yīng)該位于該主斷層上;(ⅱ)矢量連接約束(VecLink約束),即被錯(cuò)斷層由錯(cuò)動(dòng)引起的位移可通過在主斷層的上升盤和下降盤之間設(shè)置位移向量λ來實(shí)現(xiàn).針對(duì)圖7中的兩種不同情況,分別提出不同的方法進(jìn)行構(gòu)造建模:(ⅰ)直接錯(cuò)斷法,適用于圖7(a)中被錯(cuò)斷層錯(cuò)動(dòng)位移較小(一般|λ|<1.0m)的情況,F1錯(cuò)斷F2,F1是一個(gè)完整體,而F2被分成兩個(gè)微小錯(cuò)距的不連續(xù)部分.首先對(duì)斷層F1進(jìn)行單元實(shí)體建模;然后對(duì)斷層F2直接按錯(cuò)動(dòng)方式將其兩部分連接起來,進(jìn)行NURBS整體建模;最后通過布爾運(yùn)算,利用F1體切割F2體,這樣構(gòu)造出的交錯(cuò)模型不僅能夠滿足精度要求,同時(shí)還直接滿足了上述兩個(gè)約束條件.(ⅱ)分盤匹配法,適用于圖7(b)中被錯(cuò)斷層錯(cuò)動(dòng)位移較大(一般|λ|≥1.0m)的情況,圖中F3錯(cuò)動(dòng)F4,F3是一個(gè)完整體,F4則被F3切割為相對(duì)位移較大的不連續(xù)兩部分.此時(shí),若仍把F4連接為一個(gè)整體進(jìn)行構(gòu)建,則在轉(zhuǎn)折處易產(chǎn)生較大的突變,F4和F3在交錯(cuò)處難以精確吻合,誤差較大.因此考慮把位于F3上升盤和下降盤的F4不連續(xù)兩部分分別進(jìn)行構(gòu)造建模,這樣能夠滿足VecLink約束;在構(gòu)建過程中,調(diào)整F4兩部分與F3相交處的邊界,使其邊界線均位于F3斷層體上,以滿足OnTsurf約束.對(duì)于斷裂構(gòu)造極其發(fā)育的工程區(qū)域,眾多的斷層相互交錯(cuò)形成復(fù)雜的斷層網(wǎng)絡(luò),如圖8(a)實(shí)例,共包含7條存在相互關(guān)系的斷層.對(duì)此我們提出了面向歷史構(gòu)造的復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)建模方法,主要實(shí)現(xiàn)過程:根據(jù)斷層網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)斷層的產(chǎn)狀、構(gòu)造特征和錯(cuò)動(dòng)關(guān)系分析各自的歷史形成過程,建立其活動(dòng)結(jié)點(diǎn)(activityonvertex,AOV)網(wǎng)絡(luò)模型(如圖8(b)),利用拓?fù)渑判蛩惴ú⒔Y(jié)合斷層構(gòu)造分析,對(duì)它們發(fā)育構(gòu)造形成的先后關(guān)系進(jìn)行排序,得到該模型的拓?fù)湫蛄?即斷層形成的先后順序?yàn)镕304→F45→F48→F31→F49→F33→F47,然后依序根據(jù)其錯(cuò)斷位移大小,在兩相交斷層構(gòu)造的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)的三維建模,最后得到的該斷層網(wǎng)絡(luò)整體三維模型如圖8(c),相應(yīng)高程的模型平切圖如圖8(d).該方法面向歷史過程充分考慮了斷層的構(gòu)造形成和相互交錯(cuò)情況,重構(gòu)模型不僅精確揭示了區(qū)域內(nèi)斷層在地質(zhì)巖體中的空間展布,而且真實(shí)地再現(xiàn)了歷史形成條件下的斷層空間拓?fù)潢P(guān)系.(4)界限類地質(zhì)對(duì)象建模:界限類對(duì)象主要包括人為劃分的強(qiáng)、弱、微不同等級(jí)的風(fēng)化、卸荷界限以及地下水位分界面等.由于風(fēng)化卸荷作用外動(dòng)力對(duì)巖體的影響是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)的過程,且需要地質(zhì)人員去辨識(shí)分析,該類對(duì)象建模的難點(diǎn)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難于獲得,分布不連續(xù),不同級(jí)別的風(fēng)化、卸荷界限會(huì)發(fā)生交叉現(xiàn)象.對(duì)此,針對(duì)不同區(qū)域數(shù)量與質(zhì)量參差不齊的采樣數(shù)據(jù),提出不同的處理方法.(ⅰ)對(duì)于采樣數(shù)據(jù)充足且精度較高的區(qū)域如壩區(qū),數(shù)據(jù)匯總后直接擬合獲得相應(yīng)的NURBS界限面.(ⅱ)對(duì)于采樣數(shù)據(jù)不足的區(qū)域,首先利用地形相似法,依據(jù)原始數(shù)據(jù)自身趨勢(shì)并結(jié)合其垂向地形形態(tài)進(jìn)行推斷延伸;然后組合所有數(shù)據(jù),將該區(qū)域界限作為一個(gè)連續(xù)的整體來構(gòu)建NURBS曲面;最后將該曲面與相關(guān)地形、地層整合于一起進(jìn)行分析、調(diào)整和裁剪,由于調(diào)整NURBS曲面上的控制點(diǎn)并不影響其他區(qū)域,易于調(diào)整不合理之處,而對(duì)于不存在風(fēng)化或卸荷的區(qū)域,則進(jìn)行裁剪處理.這樣,基于有限的采樣數(shù)據(jù)可以獲得誤差相對(duì)較小的界限面,且符合其分布不連續(xù)的特點(diǎn).(5)人工對(duì)象建模:在水利水電工程建設(shè)及地質(zhì)勘探中,所包含的人工對(duì)象有大壩、建基面、地下工程(包括地下廠房系統(tǒng)、導(dǎo)流洞等)等與地質(zhì)條件密切相關(guān)的水工建筑物以及鉆孔、平硐等相關(guān)勘探對(duì)象.為了能夠與地質(zhì)對(duì)象進(jìn)行布爾操作運(yùn)算,所有人工對(duì)象亦均采用NURBS技術(shù)建模,具有精度高且數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn).相對(duì)于上述地質(zhì)對(duì)象,人工對(duì)象的幾何建模相對(duì)簡(jiǎn)單,本文不再贅述;而且若已有CAD或其他常用數(shù)據(jù)格式的三維模型,則可直接利用其三維參數(shù)進(jìn)行NURBS建模,效率極高.3利用三維單元模型構(gòu)建節(jié)水水電工程地質(zhì)3.1地質(zhì)幾何模型在水利水電工程建設(shè)中,工程建筑與地質(zhì)環(huán)境是相互作用、相互制約的,應(yīng)將兩者作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)來分析研究,因此我們提出建立水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型,為分析工程地質(zhì)問題提供新的手段.基于上述地質(zhì)對(duì)象和人工對(duì)象分類建立的幾何模型,系統(tǒng)考慮各部分對(duì)象之間的空間關(guān)系,采用三維幾何對(duì)象的任意布爾切割算法,完整地構(gòu)建研究區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)的三維統(tǒng)一幾何模型,其主要過程如下:(1)建立地層幾何模型:在三維地質(zhì)模型中,地層結(jié)構(gòu)體屬于定義局限對(duì)象,在模型中處于主體地位,在地質(zhì)歷史過程中是早期形成的,是各種地質(zhì)構(gòu)造的作用對(duì)象,因此首先需要集合各個(gè)巖層單元實(shí)體T={T1,T2,T3,…,Tn}(n表示巖層數(shù)),形成相應(yīng)的三維地層幾何模型.(2)建立地質(zhì)幾何模型:由于地質(zhì)體結(jié)構(gòu)空間的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性,實(shí)際地質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜,不僅包括以巖性為要素的不同地層,還包括對(duì)地層形成破壞的斷層、巖脈侵入體、錯(cuò)動(dòng)帶、深裂縫等軟弱結(jié)構(gòu).以第(1)步建立起來的三維地層幾何模型為對(duì)象,利用已建立的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)單元實(shí)體集合S={F1,F2,…,Fm1}∪{D1,D2,…,Dm2}∪{B1,B2,…,Bm3}∪{C1,C2,…,Cm4}∪…(m1,m2,m3和m4分別表示斷層數(shù)、巖脈數(shù)、錯(cuò)動(dòng)帶數(shù)和深裂縫數(shù)),對(duì)S中的每個(gè)元素和集合T進(jìn)行體與體間的布爾差運(yùn)算,并將集合S與被破壞的地層結(jié)構(gòu)體按相應(yīng)的空間位置關(guān)系正確地組合起來.這樣就由各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)體及其拓?fù)潢P(guān)系建立了能客觀真實(shí)地反映工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件情況的三維地質(zhì)幾何模型.(3)構(gòu)建統(tǒng)一的工程地質(zhì)模型:地質(zhì)實(shí)體是水利水電工程建設(shè)的基本載體,以三維地質(zhì)幾何模型為對(duì)象,利用工程建筑物模型對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行操作運(yùn)算,既有面與體之間的切割運(yùn)算,如大壩建基面開挖對(duì)地表地質(zhì)體的剖切;也有體與體之間的布爾差運(yùn)算,如地下洞室群、鉆孔、平硐等對(duì)內(nèi)部地質(zhì)體的挖除.經(jīng)過一系列的圖形運(yùn)算,最后建立起統(tǒng)一的三維工程地質(zhì)模型.該模型能夠同時(shí)反映地質(zhì)信息和在真實(shí)地質(zhì)條件下工程建筑物未來的建設(shè)狀況,為水利水電工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化提供有效的幫助.3.2模型的幾何性檢查與反饋檢查建立精確、有效的工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型是所有研究和使用人員的共識(shí),模型的精度與可靠性必然是人們關(guān)注的焦點(diǎn),這也是模型能否真正應(yīng)用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵,因此對(duì)模型的可靠性檢查與檢驗(yàn)便是三維建模工作中極其重要的一環(huán).實(shí)際上,可靠性分析貫穿于整個(gè)模型建立過程的始終,無論在建模初期或中間階段,還是在模型建立之后,都應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的檢查與檢驗(yàn).結(jié)合工程實(shí)際,主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行模型的可靠性分析:(ⅰ)模型對(duì)象的幾何性檢查,即檢查構(gòu)造過程中地質(zhì)對(duì)象在幾何結(jié)構(gòu)及拓?fù)潢P(guān)系上是否正確.分別需要檢查線的連續(xù)性、面的連續(xù)性和拓?fù)湫?、體的封閉性和相關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性,若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,則需進(jìn)行修正或者重新構(gòu)造.(ⅱ)地質(zhì)結(jié)構(gòu)合理性的檢查,即檢查或驗(yàn)證所擬合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面或體的整體趨勢(shì)是否合理.可利用地質(zhì)平面圖、橫縱剖面圖、平切圖以及地質(zhì)趨勢(shì)面分析同時(shí)進(jìn)行對(duì)比檢查,從三維模型能快速獲得已知位置的二維剖面圖,與原有CAD剖面進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,來檢查不同地層間、斷層間以及斷層與地層間的交切情況,和斷層兩側(cè)地層形態(tài)的一致性等,若誤差較大則需進(jìn)行確認(rèn)修改.(ⅲ)原始數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn),即驗(yàn)證原始數(shù)據(jù)(鉆孔、平硐等)是否被保留,所形成的面是否與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)相一致.檢驗(yàn)要求地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在鉆孔和平硐勘探位置與實(shí)際所測(cè)得的坐標(biāo)點(diǎn)及其巖性分層能夠吻合,達(dá)到一定的誤差要求.一般選取大部分鉆孔、平硐數(shù)據(jù)作為地質(zhì)構(gòu)造建模的原始樣本集,而留下5~6組作為檢驗(yàn)樣本集進(jìn)行精度檢驗(yàn).(ⅳ)模型的反饋檢查與檢驗(yàn),即利用后期獲得的勘探資料對(duì)重構(gòu)模型的局部進(jìn)行有效的檢查與檢驗(yàn).信息反饋和相應(yīng)的誤差檢測(cè)分析機(jī)制是減少數(shù)據(jù)誤差、提高模型精度的有效方法,在數(shù)據(jù)更新反饋時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的交互式實(shí)時(shí)檢查,對(duì)已完成的地質(zhì)解譯和模型重構(gòu)工作進(jìn)行檢驗(yàn),獲得更為精確、真實(shí)、有效的三維地質(zhì)模型,為后續(xù)的勘探、設(shè)計(jì)和施工提供有力的地質(zhì)依據(jù).3.3表面紋理表達(dá)及其應(yīng)用為了更真實(shí)清楚地表達(dá)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)間的物理特征和視覺差別,采用表面紋理和顏色來渲染各種地質(zhì)對(duì)象.巖體表面紋理的描繪沒有必要過于細(xì)致,采用擾動(dòng)函數(shù)法來模擬,通過擾動(dòng)物體表面法線方向來模擬表面凹凸紋理的真實(shí)感效果,滿足感官的觀察需要.該方法對(duì)原表面上的法線方向附加一個(gè)擾動(dòng)函數(shù)P(u,v),此函數(shù)使得原來法線方向的光滑、緩慢的變化方式變得劇烈而短促,通過光照形成了表面凹凸粗糙的顯示效果,不同的擾動(dòng)函數(shù)控制生成不同的紋理.根據(jù)該算法,結(jié)合地質(zhì)制圖標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)實(shí)際的巖性描述和巖石照片,形成一套新的三維圖例庫(kù),可對(duì)各巖層體、巖脈等進(jìn)行表面紋理描繪,而其他結(jié)構(gòu)體如斷層、軟弱巖帶、地下水位線、風(fēng)化卸荷帶等則用標(biāo)準(zhǔn)顏色醒目地顯示,獲得逼真且特征鮮明的效果.經(jīng)過上述對(duì)模型的修改和完善工作,最終的三維統(tǒng)一模型得以構(gòu)建起來,