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)

隨著我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，公共交通行業(yè)呈現(xiàn)出活躍的趨勢，大量大型節(jié)水項目被提前開展。這些項目大多位于高山峽谷，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，地質(zhì)信息豐富，給項目的測量、設計和建設帶來了很大困難。傳統(tǒng)的二維靜瓦處理和分析方法難以滿足工程地質(zhì)工人和設計人員的實際需要。作為數(shù)字可視化設計和施工的基礎，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，引起了人們的關(guān)注。三維地質(zhì)建模與分析問題是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點和難點,如數(shù)學地質(zhì)、礦山地質(zhì)、油氣藏地質(zhì)、水文工程地質(zhì)以及計算機科學等.Houlding最早提出了三維地學建模(3Dgeosciencemodeling)的概念,并闡述了一些基本的實現(xiàn)技術(shù)和方法,如空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立、三角網(wǎng)生成與固化、地質(zhì)體邊界連接等;Mallet針對地質(zhì)體建模的特殊性和復雜性,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則運用三維Bézier工具對復雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行可視化建模,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圖實現(xiàn)了地質(zhì)對象實體的自動重構(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,并能夠進行一些簡單的剖切分析;武強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、價格昂貴和不同的地質(zhì)應用目的,難以在我國水利水電工程地質(zhì)領(lǐng)域推廣使用;國內(nèi)也有類似的成果,同時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)存儲量與精度之間的矛盾和分析功能較為單一的問題,離實際應用還有一定距離.因此有必要深入研究實現(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.我們緊密依托實際工程,融合水利水電工程科學、工程地質(zhì)學、數(shù)學地質(zhì)學和計算機科學等多個交叉學科的先進理論與技術(shù),提出實現(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)存儲量大,無法滿足實際分析應用的要求,必須探尋合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),解決復雜地質(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.如何從錯綜復雜的地質(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際要求.(ⅲ)基于水利水電工程地質(zhì)模型的分析應用問題.如何能夠?qū)⑺⒌哪Ｐ陀行У貞糜谒姽こ炭睖y、設計與施工中去,為工程建設服務.本文將圍繞這3個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)表達方式即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維地質(zhì)建模的基礎,水利水電工程區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造復雜、信息量大、分析要求高,選擇合適且實用的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵.目前表達三維實體的數(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);前者在表達空間對象的邊界、可視化和幾何變換等方面具有明顯的優(yōu)勢,而后者則能很好地表達空間對象的內(nèi)部信息.通過對比分析,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)境對工程設計和施工的影響,而非地質(zhì)體內(nèi)部的微觀屬性,同時體視化技術(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標準(ISO,1991)中自由型曲線曲面的唯一表示方法,對標準的解析圖形和自由型曲線曲面提供了統(tǒng)一的數(shù)學描述;針對復雜地質(zhì)體形態(tài)的無規(guī)律性變化,進行地質(zhì)曲面NURBS幾何建模,具有節(jié)省存儲空間、計算機處理簡便易行、數(shù)據(jù)庫管理方便并可以保證空間唯一性和幾何不變性等優(yōu)點,應用價值很高.TIN模型精度高但占用存儲空間大,作為構(gòu)建三維數(shù)字地形NURBS簡化模型的一種中間轉(zhuǎn)換表達方式.BRep結(jié)構(gòu)通過邊界面來定義實體,為地質(zhì)對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曲面間的拓撲關(guān)系,構(gòu)造復雜的地質(zhì)體.由這三種表達方式構(gòu)成的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1,并設計了點、曲線、NURBS曲線、NURBS曲面、三角形、Mesh和BRep實體等7種基本幾何元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)不僅能有效表達地質(zhì)對象的幾何形態(tài)和拓撲空間關(guān)系,而且便于將相關(guān)的地質(zhì)屬性信息與幾何對象結(jié)合;模型精度高且數(shù)據(jù)存儲量小,布爾運算速度快,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)單元劃分通常將本身是一個整體的地質(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間的開銷,對于水利水電工程區(qū)域大規(guī)模數(shù)據(jù)整體建模應用,必然影響地質(zhì)分析速度,不能實時響應用戶操作,無法得到滿意的效果.因此,在混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎上,遵循客觀地質(zhì)規(guī)律,以各類單個地質(zhì)結(jié)構(gòu)整體作為相應的地質(zhì)單元,提出通用的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實體重構(gòu)模型.NURBS地質(zhì)結(jié)構(gòu)面實際上是由各層面上的離散點和線數(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.假設重構(gòu)模型空間研究區(qū)域為?,則基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的整體地質(zhì)模型數(shù)學定義如下:式中M?表示研究區(qū)域?的整體Brep實體地質(zhì)模型;n為?中包含的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實體總數(shù);Mci表示?中的第i個地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元BRep實體模型;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上所有邊界頂點的集合;Slik則表示連接Si1和Si2形成閉合實體Mci的第k個邊界面,它是由邊界頂點集合{vik}形成的簡單NURBS曲面;mi為第i個單元中連接邊界面的數(shù)目.圖2給出了一個簡單地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的實體模型,由空間分割原理可知,任何具有復雜幾何形態(tài)的對象都可分解為有限個簡單單元形狀,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雜地質(zhì)體的空間幾何形態(tài).2分類與建模對水手的影響2.1工程地質(zhì)對象的分類在水利水電工程地質(zhì)領(lǐng)域,所研究的地質(zhì)空間對象包含大量復雜不規(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)錯動帶、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,難以對其獲得清楚的理解與認識.基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)采用分類的思想,將實際工程中可能遇到的地質(zhì)對象的幾何形態(tài)特征和屬性特征進行認真分析,特征相似的對象可歸為一個大類,形成相應的層次結(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)對各類工程地質(zhì)對象的特征分析和相應建模方法的不同,水利水電工程地質(zhì)對象分類結(jié)構(gòu)如圖3.2.2模型建立與簡化(1)三維數(shù)字地形的NURBS簡化建模: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)不僅是整個地質(zhì)模型建立過程中所有運算操作的受體,同時也是其重要的組成部分,它必須滿足存儲量小、精確度高且易于圖形操作運算的要求.這也一直是建立真正實用的三維地質(zhì)模型的一個制約性問題.目前常采用規(guī)則格網(wǎng)和TIN模型來實現(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,但由于實測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雜地形的造型,我們提出了基于TIN模型的NURBS簡化建模算法,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小、狹長三角形,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.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,并進行離散化處理,反算得到相應的控制信息點數(shù)據(jù).(ⅴ)擬合NURBS地形曲面.根據(jù)NURBS算法所設計的函數(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曲面進行范圍界定并裁剪,獲得簡化的NURBS地形模型;進一步利用計算機圖形學的布爾操作運算,獲得整個區(qū)域的地形輪廓體模型.該建模方法思路清晰簡單,較復雜的圖形和數(shù)學運算封裝在底層,處理速度快,實用性強.實踐表明,所得到的NURBS-DTM存儲量較之TIN模型降低了一個數(shù)量級,而模型精度仍在國家測繪局一級標準范圍內(nèi),不僅可進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.(2)地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模:地層類對象主要包括地層、覆蓋層和層間錯動帶三類地質(zhì)結(jié)構(gòu),下面將主要以地層為主來說明該類地質(zhì)對象的幾何建模方法.對于單個連續(xù)的成層地層面,根據(jù)(1)式可知,區(qū)域內(nèi)單個連續(xù)的地層結(jié)構(gòu)體是由上、下兩個地層面和周邊4個邊界面閉合而成.實際上,我們可以對已建立的區(qū)域地形輪廓體和上、下兩個地層結(jié)構(gòu)面進行布爾切割運算,更精確簡便地獲得對應的地層體.對于多個成層構(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為邊界對曲面S2進行裁剪,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行處理.對于褶皺構(gòu)造地層,可分為兩種情況:一是對于不含多值面的褶皺地層,其建模方法同上;二是對于含有多值面的褶皺地層,即平面上一點p(x,y),在地層的上、下界面對應的z值不唯一,如倒轉(zhuǎn)褶皺,此時地層界面的模擬構(gòu)造不能再籠統(tǒng)地將離散點和剖面線數(shù)據(jù)進行插值擬合,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,如樞紐點和轉(zhuǎn)折端部位點等,結(jié)合剖面線趨勢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,進而運用BRep結(jié)構(gòu)構(gòu)建出褶皺地層實體模型,如圖6(d).(3)斷層類地質(zhì)對象建模:斷層類對象主要包括斷層、侵入體、深裂縫和層內(nèi)錯動帶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,以及缺乏對斷層變形和對其進行三維外推的豐富信息;而在水利水電工程地質(zhì)構(gòu)造復雜的區(qū)域,眾多的斷層互相交錯發(fā)育,在地質(zhì)巖體內(nèi)形成了極其復雜的斷層網(wǎng)絡.因此,除了精確構(gòu)造單個斷層外,還要從整個斷層網(wǎng)絡系統(tǒng)出發(fā),正確處理好多個斷層相交的錯動問題,下面將主要對兩個以上的交錯斷層三維建模進行闡述.對于兩相交斷層(或單個斷層錯斷地層),首先引入以下兩個約束條件:(ⅰ)邊界約束(OnTsurf約束),即相應于主斷層的上升盤與下降盤的被錯斷層邊界任何時刻都應該位于該主斷層上;(ⅱ)矢量連接約束(VecLink約束),即被錯斷層由錯動引起的位移可通過在主斷層的上升盤和下降盤之間設置位移向量λ來實現(xiàn).針對圖7中的兩種不同情況,分別提出不同的方法進行構(gòu)造建模:(ⅰ)直接錯斷法,適用于圖7(a)中被錯斷層錯動位移較小(一般|λ|<1.0m)的情況,F1錯斷F2,F1是一個完整體,而F2被分成兩個微小錯距的不連續(xù)部分.首先對斷層F1進行單元實體建模;然后對斷層F2直接按錯動方式將其兩部分連接起來,進行NURBS整體建模;最后通過布爾運算,利用F1體切割F2體,這樣構(gòu)造出的交錯模型不僅能夠滿足精度要求,同時還直接滿足了上述兩個約束條件.(ⅱ)分盤匹配法,適用于圖7(b)中被錯斷層錯動位移較大(一般|λ|≥1.0m)的情況,圖中F3錯動F4,F3是一個完整體,F4則被F3切割為相對位移較大的不連續(xù)兩部分.此時,若仍把F4連接為一個整體進行構(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形成復雜的斷層網(wǎng)絡,如圖8(a)實例,共包含7條存在相互關(guān)系的斷層.對此我們提出了面向歷史構(gòu)造的復雜斷層網(wǎng)絡建模方法,主要實現(xiàn)過程:根據(jù)斷層網(wǎng)絡中各個斷層的產(chǎn)狀、構(gòu)造特征和錯動關(guān)系分析各自的歷史形成過程,建立其活動結(jié)點(activityonvertex,AOV)網(wǎng)絡模型(如圖8(b)),利用拓撲排序算法并結(jié)合斷層構(gòu)造分析,對它們發(fā)育構(gòu)造形成的先后關(guān)系進行排序,得到該模型的拓撲序列,即斷層形成的先后順序為F304→F45→F48→F31→F49→F33→F47,然后依序根據(jù)其錯斷位移大小,在兩相交斷層構(gòu)造的基礎上實現(xiàn)復雜斷層網(wǎng)絡的三維建模,最后得到的該斷層網(wǎng)絡整體三維模型如圖8(c),相應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,而且真實地再現(xiàn)了歷史形成條件下的斷層空間拓撲關(guān)系.(4)界限類地質(zhì)對象建模:界限類對象主要包括人為劃分的強、弱、微不同等級的風化、卸荷界限以及地下水位分界面等.由于風化卸荷作用外動力對巖體的影響是一個隨機動態(tài)的過程,且需要地質(zhì)人員去辨識分析,該類對象建模的難點在基礎數(shù)據(jù)難于獲得,分布不連續(xù),不同級別的風化、卸荷界限會發(fā)生交叉現(xiàn)象.對此,針對不同區(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的NURBS界限面.(ⅱ)對于采樣數(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)自身趨勢并結(jié)合其垂向地形形態(tài)進行推斷延伸;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、地層整合于一起進行分析、調(diào)整和裁剪,由于調(diào)整NURBS曲面上的控制點并不影響其他區(qū)域,易于調(diào)整不合理之處,而對于不存在風化或卸荷的區(qū)域,則進行裁剪處理.這樣,基于有限的采樣數(shù)據(jù)可以獲得誤差相對較小的界限面,且符合其分布不連續(xù)的特點.(5)人工對象建模:在水利水電工程建設及地質(zhì)勘探中,所包含的人工對象有大壩、建基面、地下工程(包括地下廠房系統(tǒng)、導流洞等)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)勘探對象.為了能夠與地質(zhì)對象進行布爾操作運算,所有人工對象亦均采用NURBS技術(shù)建模,具有精度高且數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點.相對于上述地質(zhì)對象,人工對象的幾何建模相對簡單,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中,工程建筑與地質(zhì)環(huán)境是相互作用、相互制約的,應將兩者作為一個統(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)對象和人工對象分類建立的幾何模型,系統(tǒng)考慮各部分對象之間的空間關(guān)系,采用三維幾何對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)造的作用對象,因此首先需要集合各個巖層單元實體T={T1,T2,T3,…,Tn}(n表示巖層數(shù)),形成相應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,實際地質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系非常復雜,不僅包括以巖性為要素的不同地層,還包括對地層形成破壞的斷層、巖脈侵入體、錯動帶、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象,利用已建立的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)單元實體集合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)、錯動帶數(shù)和深裂縫數(shù)),對S中的每個元素和集合T進行體與體間的布爾差運算,并將集合S與被破壞的地層結(jié)構(gòu)體按相應的空間位置關(guān)系正確地組合起來.這樣就由各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)體及其拓撲關(guān)系建立了能客觀真實地反映工程區(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)實體是水利水電工程建設的基本載體,以三維地質(zhì)幾何模型為對象,利用工程建筑物模型對地質(zhì)模型進行操作運算,既有面與體之間的切割運算,如大壩建基面開挖對地表地質(zhì)體的剖切;也有體與體之間的布爾差運算,如地下洞室群、鉆孔、平硐等對內(nèi)部地質(zhì)體的挖除.經(jīng)過一系列的圖形運算,最后建立起統(tǒng)一的三維工程地質(zhì)模型.該模型能夠同時反映地質(zhì)信息和在真實地質(zhì)條件下工程建筑物未來的建設狀況,為水利水電工程設計與施工優(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,模型的精度與可靠性必然是人們關(guān)注的焦點,這也是模型能否真正應用于工程實踐的關(guān)鍵,因此對模型的可靠性檢查與檢驗便是三維建模工作中極其重要的一環(huán).實際上,可靠性分析貫穿于整個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,都應進行相關(guān)的檢查與檢驗.結(jié)合工程實際,主要從以下4個方面進行模型的可靠性分析:(ⅰ)模型對象的幾何性檢查,即檢查構(gòu)造過程中地質(zhì)對象在幾何結(jié)構(gòu)及拓撲關(guān)系上是否正確.分別需要檢查線的連續(xù)性、面的連續(xù)性和拓撲性、體的封閉性和相關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的合理性,若發(fā)現(xiàn)錯誤,則需進行修正或者重新構(gòu)造.(ⅱ)地質(zhì)結(jié)構(gòu)合理性的檢查,即檢查或驗證所擬合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面或體的整體趨勢是否合理.可利用地質(zhì)平面圖、橫縱剖面圖、平切圖以及地質(zhì)趨勢面分析同時進行對比檢查,從三維模型能快速獲得已知位置的二維剖面圖,與原有CAD剖面進行對比驗證,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,若誤差較大則需進行確認修改.(ⅲ)原始數(shù)據(jù)的精度檢驗,即驗證原始數(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)點相一致.檢驗要求地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在鉆孔和平硐勘探位置與實際所測得的坐標點及其巖性分層能夠吻合,達到一定的誤差要求.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組作為檢驗樣本集進行精度檢驗.(ⅳ)模型的反饋檢查與檢驗,即利用后期獲得的勘探資料對重構(gòu)模型的局部進行有效的檢查與檢驗.信息反饋和相應的誤差檢測分析機制是減少數(shù)據(jù)誤差、提高模型精度的有效方法,在數(shù)據(jù)更新反饋時實現(xiàn)對模型的交互式實時檢查,對已完成的地質(zhì)解譯和模型重構(gòu)工作進行檢驗,獲得更為精確、真實、有效的三維地質(zhì)模型,為后續(xù)的勘探、設計和施工提供有力的地質(zhì)依據(jù).3.3表面紋理表達及其應用為了更真實清楚地表達不同地質(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)對象.巖體表面紋理的描繪沒有必要過于細致,采用擾動函數(shù)法來模擬,通過擾動物體表面法線方向來模擬表面凹凸紋理的真實感效果,滿足感官的觀察需要.該方法對原表面上的法線方向附加一個擾動函數(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)制圖標準,依據(jù)實際的巖性描述和巖石照片,形成一套新的三維圖例庫,可對各巖層體、巖脈等進行表面紋理描繪,而其他結(jié)構(gòu)體如斷層、軟弱巖帶、地下水位線、風化卸荷帶等則用標準顏色醒目地顯示,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,