三維建模技術(shù)在區(qū)域工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

陳 超 ,陳廣峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083;2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京 100195)

0 引言

近幾年來,隨著北京地區(qū)11個規(guī)劃新城勘查工作大規(guī)模的開展,合理的整合和利用大量的勘查數(shù)據(jù),包括鉆孔資料、巖土力學(xué)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、地表建筑資料等對區(qū)域地質(zhì)勘查工作提出了一個新的挑戰(zhàn).加之新城所處地區(qū)地質(zhì)條件具有很大的隱蔽性、復(fù)雜性及多樣性,傳統(tǒng)的二維剖面、表格數(shù)據(jù)等工作平臺在數(shù)據(jù)表達(dá)的直觀性、精確性及信息的完備性上都已無法滿足新城勘查的要求.因此,迫切需要一個從前期龐雜數(shù)據(jù)中提取有用信息、還原地下情況的有效工具,幫助直觀掌握地下空間地質(zhì)情況及變化規(guī)律.三維地質(zhì)建模系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間信息管理、地質(zhì)信息解釋、空間分析和預(yù)測功能,已經(jīng)在采礦工程、水利工程和邊坡工程得到了廣泛的應(yīng)用[1～4],這些突出的特點(diǎn)也使三維地質(zhì)建模系統(tǒng)成為解決區(qū)域勘查問題的重要手段之一.

1 三維建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)的可視化功能,將地質(zhì)資料、信息在三維環(huán)境下展示出來,并可進(jìn)行空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析的地質(zhì)分析技術(shù).它是由地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像和科學(xué)計(jì)算可視化等學(xué)科交叉而形成的一門新興學(xué)科.隨著第一代三維地質(zhì)建模軟件的問世,其強(qiáng)大的可視化功能及空間分析功能使之成為礦山工程、區(qū)域調(diào)查、巖土工程和環(huán)境工程等領(lǐng)域不可缺少的輔助工具,越來越多的專家和學(xué)者將研究的目光投向了這一蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域.目前,主要的研究集中在三維數(shù)據(jù)模型、三維地質(zhì)建模方法及軟件的研發(fā)與應(yīng)用三個方面.

1.1 三維數(shù)據(jù)模型

三維數(shù)據(jù)模型用來反映空間世界中實(shí)體的相互關(guān)系,是三維建模的基礎(chǔ)和前提條件.不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同的空間情況.目前,主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型分為三類:基于面表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),基于體表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).其中,基于表面表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有格網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Grid)、形狀結(jié)構(gòu)(Shape Model)、面片結(jié)構(gòu)(Face Model)和邊界表示(Boundary Representation)等;基于體表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括三維柵格結(jié)構(gòu)(3DArray)、針狀結(jié)構(gòu)(Needle Model)、八叉樹結(jié)構(gòu)(Octree)、結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法(Constructive Solid Geometry,CSG)和不規(guī)則四面體結(jié)構(gòu)(Tetrahedral Erregular Network,TEN)等[5];混合模型主要是集合以上兩種模型的優(yōu)點(diǎn),采用兩個或多個模型加以綜合,根據(jù)混合方式的不同分為互補(bǔ)式混合、轉(zhuǎn)換式混合、鏈接式混合及集成式混合等[6].

1.2 三維建模方法

自20世紀(jì)80年代以來,國外眾多學(xué)者們提出了多種構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法,用來模擬復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu).主要的建模方法分為三種:塊體構(gòu)模方法、實(shí)體構(gòu)模方法及四面體構(gòu)模方法[7].

(1)Block模型被稱為塊體模型.根據(jù)數(shù)據(jù)存儲方式,又可分為三維柵格模型 ( 3D Grid Model) 和八叉樹模型 (OctreeModel).三維柵格模型是未經(jīng)壓縮的標(biāo)準(zhǔn)體元,基本體元可以是長方體、正六面體等,但是最簡單并且最常用的是等邊長的正方體體元.八叉樹模型是對三維柵格模型改進(jìn).八叉樹也被稱為實(shí)體空間分解枚舉類型,是用層次式三維空間子區(qū)域劃分來代替三維柵格.

(2)實(shí)體模型 ( SolidModel).實(shí)體模型的提出很好地解決了 B lock模型對邊界表達(dá)的不精確的問題."實(shí)體建模"的概念是Bak和 Mill等人最先提出來得[7].該模型指用面集合來表達(dá)實(shí)體外部的表面,這些面通常是四邊形或者三角形,因此屬于邊界表達(dá)模型 (B-rep Model),也被稱為元件構(gòu)模技術(shù) (ComponentModel).

(3)四面體模型 (TEN) 將任意一個三維空間對象剖分成一系列相鄰但不交叉的不規(guī)則四面體網(wǎng)絡(luò),TEN模型對于復(fù)雜三維實(shí)體具有很強(qiáng)的表達(dá)能力.四面體建模方法可以分為基于八叉樹的四面體生成和基于 Delaunay的四面體生成.前者主要應(yīng)用于規(guī)則數(shù)據(jù)的實(shí)體剖分; Delaunay四面體生成來源于離散數(shù)據(jù),四面體相比八叉樹來說描述更精確,數(shù)據(jù)量少,適合地質(zhì)礦體的實(shí)際情況.三維 Delaunay四面體化,簡稱為 3DDT.

1.3 三維地質(zhì)建模軟件的研發(fā)與應(yīng)用

最早的三維地質(zhì)體建模軟件誕生于70年代初,當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域.如Notley和Wilson開發(fā)的CAD系統(tǒng),該系統(tǒng)基于三維線框模型,主要用于地下礦山的設(shè)計(jì)建模[8].隨后,出現(xiàn)了大量的表面建模軟件,其中最為著名的是1988年法國Nancy大學(xué)的J.L.Mallet教授推出的GoCAD(地質(zhì)對象計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件,主要是滿足地質(zhì)、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設(shè)計(jì)需要.該軟件通過三維空間的點(diǎn)的有限集合來定義表面形成,并通結(jié)點(diǎn)間的連接來模擬拓?fù)潢P(guān)系,最后將物理屬性附加在結(jié)點(diǎn)上來實(shí)現(xiàn)物性的模擬.GoCAD系統(tǒng)均簡化了可視化和模型創(chuàng)建的功能,在建模和可視化方面取得了很高的成就,尤其適合于表示非常復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,但在表示非均質(zhì)實(shí)體地質(zhì)體內(nèi)的地質(zhì)屬性變化是卻存在局限性[9].除了表面建模方法,體建模的傳統(tǒng)方法是塊段建模,像GEMCOM (1993),GEOSTAT (1994)等軟件均采用的是這種方法[10,11].

我國對三維地學(xué)可視化研究起步較晚,但也做了大量有益的探索.早期的地質(zhì)體三維可視化建模軟件主要是一些礦山CAD系統(tǒng),像中南工業(yè)大學(xué)在古德生院士的領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)了DM&MCAD系統(tǒng),可以繪制各種地質(zhì)平、剖面圖和采礦工程圖[12].天津大學(xué)鐘登華教授開發(fā)研制了水利水電工程地質(zhì)建模與分析系統(tǒng)VisualGeo,并將其應(yīng)用于龍灘、錦屏、溪洛渡、白鶴灘等大型水利水電地質(zhì)工程及洞室的三維建模與分析中[13];此外,中國地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的三維可視化地質(zhì)學(xué)信息系統(tǒng)GeoView可實(shí)現(xiàn)真三維地學(xué)信息管理、計(jì)算分析與評價(jià)決策支持[14];熊祖強(qiáng)博士開發(fā)研制了工程地質(zhì)建模及可視化基礎(chǔ)平臺-3DGeoModeller系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地質(zhì)資料管理、三維建模、三維地質(zhì)信息的可視化,以及基于三維地質(zhì)模型的基本分析功能[6].

在軟件的應(yīng)用方面,國內(nèi)在三維地質(zhì)建模及可視化應(yīng)用方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn),如毛善君等對煤田領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模問題進(jìn)行了深入研究[15];賀懷建在礦山工程中應(yīng)用了三維地層管理系統(tǒng)[16];王環(huán)玲基于三維地質(zhì)建模技術(shù)進(jìn)行了巖土工程數(shù)值模擬應(yīng)用[3];鐘登華在水利水電工程地質(zhì)方面應(yīng)用三維建模方法進(jìn)行巖體質(zhì)量的分級研究[17].此外,還有許多學(xué)者在巖體結(jié)構(gòu)、石油地質(zhì)、城市地質(zhì)等方面開展了三維建模及可視化研究及應(yīng)用.

總的來看,國外三維建模軟件已比較成熟,像GoCAD等軟件已經(jīng)完全商業(yè)化,并在石油礦山等部門得到了廣泛的應(yīng)用.但是,這些國外三維地學(xué)軟件價(jià)格昂貴、使用繁瑣且對硬件環(huán)境要求較高,操作習(xí)慣也不符合我國實(shí)際情況.相比而言,國內(nèi)開發(fā)的軟件還只是局限于科研使用,雖然有部分商業(yè)化,也沒有達(dá)到完整成熟的地步;在應(yīng)用方面,目前國內(nèi)三維地質(zhì)建模主要應(yīng)用于石油和礦山系統(tǒng),而在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中僅僅是通過剖面進(jìn)行三維模型的推演,而未達(dá)到根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)直接建立地質(zhì)模型的程度,基于這一點(diǎn),北京市地勘局在北京新城勘查中利用Creatar建模系統(tǒng)基于鉆孔數(shù)據(jù)對各個新城的地層模型進(jìn)行了精細(xì)描述,也為三維建模軟件在區(qū)域地質(zhì)勘查中的應(yīng)用提供了一些借鑒.

2 Creatar建模軟件特點(diǎn)及操作流程

2.1 軟件介紹

Creatar三維建模及展示系統(tǒng)是主要應(yīng)根據(jù)已知的巖土工程數(shù)據(jù)(如地層、地下水、地質(zhì)構(gòu)造及與這些巖土工程條件相關(guān)的物理、力學(xué)數(shù)據(jù))、地理數(shù)據(jù)(如地形地貌信息等)、建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)(如建筑基礎(chǔ)--天然地基、樁基、復(fù)雜地基、隧道及地下建筑、基坑等)以及工程分析數(shù)據(jù)在區(qū)域范圍或單一的建構(gòu)筑物范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的高效管理、三維地質(zhì)建模和三維海量多源數(shù)據(jù)的一體化表達(dá)以及三維空間幾何分析功能.它基于現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)導(dǎo)入至三維模型生成展示的全流程.其地質(zhì)建模模塊提供精確高效的三維地質(zhì)模型建立方法,提供了經(jīng)由各種鉆孔、剖面圖、平面圖、等值線圖等的自動或半自動構(gòu)建三維地質(zhì)體表面模型的功能,可表達(dá)如地層、斷層、褶皺、侵入體、透鏡體等復(fù)雜三維地質(zhì)現(xiàn)象,并可進(jìn)行任意空間剖面切割、部分實(shí)體切割,動態(tài)切割等.其附帶的構(gòu)建筑物建模模塊實(shí)現(xiàn)了對二維數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、復(fù)制、縮放、旋轉(zhuǎn)以及三維坐標(biāo)配準(zhǔn)等數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能,支持基于法向拉伸、比例拉伸、軌跡線拉伸、輪廓線連接、特殊結(jié)構(gòu)連接等多種建模方式,支持較規(guī)則模型的參數(shù)化構(gòu)建,支持三維模型沿軌跡線復(fù)制、矩陣復(fù)制等方式,快速建立模型群.

軟件的界面主要由工具欄、工作空間窗口、圖層窗口和特性窗口組成(圖1),其中工具欄主要包括創(chuàng)建三維模型文件、導(dǎo)入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解譯、交互式建模等功能,工作空間主要用于模型屬性的查詢及列表顯示,圖層窗口主要實(shí)現(xiàn)對三維體的顏色、透明度等地質(zhì)體的屬性進(jìn)行修改.

2.2 軟件的主要優(yōu)勢

通過該系統(tǒng)的建立可在以下幾方面提高工作效率,提升勘察質(zhì)量.

(1)巖土工程勘察地質(zhì)數(shù)據(jù)更精確

利用系統(tǒng)開展三維全局地質(zhì)解譯標(biāo)定,可有效避免多個二維剖面之間的不一致性,提高勘察精確度.

(2)巖土工程地質(zhì)分析模型構(gòu)建更方便

利用自動建模、手動模型可視化調(diào)整、任意剖面直接生成等功能,可大大提高地質(zhì)分析模型構(gòu)建的便捷性以及分析成果的直觀展示.

(3)提升巖土工程勘察成果數(shù)據(jù)展示效果

真三維環(huán)境下的可視化表達(dá),可極大提升巖土工程勘察成果數(shù)據(jù)展示效果,有助于提高勘察報(bào)告的水平.

(4)提高巖土工程勘察數(shù)據(jù)分析效率

與傳統(tǒng)二維分析相比,真三維巖土工程勘察數(shù)據(jù)分析效率和準(zhǔn)確度都有大幅提高.

(5)降低人力成本

基于地質(zhì)與構(gòu)建筑物數(shù)據(jù)的三維一體化建模顯示功能,使得三維勘察及設(shè)計(jì)成果的一體化有效共享和方便解讀成為可能,在一定程度上可減少可非地質(zhì)專業(yè)人員對地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的理解障礙,避免了設(shè)計(jì)階段可能造成的地質(zhì)認(rèn)識不一致.

(6)有利于數(shù)據(jù)共享和再利用價(jià)值挖掘

基于三維平臺的數(shù)據(jù)可視化功能,可方便實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)的整合管理和共享.

2.3 軟件的主要使用流程

系統(tǒng)的使用流程如圖3所示,對于地質(zhì)體建模導(dǎo)入數(shù)據(jù)要求為北勘或理正數(shù)據(jù)格式的鉆孔資料.

3 應(yīng)用實(shí)例-房山新城三維地質(zhì)模型

3.1 建模范圍及數(shù)據(jù)源格式

房山新城包括良鄉(xiāng)組團(tuán)、燕房組團(tuán)、北京石化新材料基地、竇店新型建材產(chǎn)業(yè)用地4部分,新城規(guī)劃范圍面積為155km2,新城總?cè)丝谝?guī)?？刂圃?5.7萬人.建模數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)來自新城勘查中的鉆孔數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫格式采用北勘數(shù)據(jù)格式.

3.2 地層層序及模型

房山新城工作區(qū)內(nèi)地層由沉積巖、侵入巖和變質(zhì)巖組成,其中沉積巖地層自下而上依次為長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系.

將鉆孔數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到Creatar軟件中去,采用分層沉降的方法從新到老建立地層模型,建立房山新城地質(zhì)體模型如圖4所示,三維地質(zhì)模型的建立使勘察成果清晰明了的凸現(xiàn)出來,與此同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對房山新城地區(qū)基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等信息的方便有效的管理,并且可以根據(jù)地層工程地質(zhì)屬性等參數(shù)對新城勘查地區(qū)進(jìn)行建筑的適宜性進(jìn)行立體分區(qū),與傳統(tǒng)的平面分區(qū)方式相比較,立體分區(qū)充分的考慮到地層延深度方向的變化并且更有利于進(jìn)行地下空間的開發(fā)和利用.

3.3 交叉剖面圖

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立除了能直觀地顯示復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)真實(shí)感外 ,最主要的目的是利用三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型任意方向切剖面圖,從而達(dá)到打虛擬鉆孔的目的,減輕工程地質(zhì)內(nèi)業(yè)的制圖工作量.在房山新城三維地質(zhì)模型上切割的交叉地質(zhì)剖面圖見圖5～7,這3張圖分別反映了房山新城地區(qū)對工程開展影響較大的3類土層(液化土、軟土、卵石層)的分布情況.并且通過軟件的分層提取功能單獨(dú)提出軟土層進(jìn)行空間上的延伸展布進(jìn)行了解和分析,這也為房山新城建筑適宜性分區(qū)提供了借鑒,如圖8所示.

3.4 工程體模型與地質(zhì)體模型聯(lián)合展示

除了直觀的對地層進(jìn)行展示和分析外,對于將來的地下空間開發(fā)和地面建筑規(guī)劃,三維地質(zhì)體建模軟件也可實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì),對于房山新城某段進(jìn)行了地表建筑、地鐵的模擬建設(shè),并與建好的地質(zhì)體模型進(jìn)行整合,如圖9所示,三維建模系統(tǒng)不但能完成對地面建筑外觀的精細(xì)描述,而且三維的表現(xiàn)形式更加直觀,能全方位的將建筑物的高低錯落的空間關(guān)系表現(xiàn)出來,并且通過局部的放大、切片和推進(jìn)功能了解地下建筑物如地鐵、管線、地下商場等穿越的地層性質(zhì),針對軟弱地層存在的部位,在施工及設(shè)計(jì)時(shí)能予以注意,避免事故的發(fā)生,為將來新城的開發(fā)提供借鑒,見圖10.

圖9 組合模型全景圖

圖10 利用推進(jìn)功能了解沿地鐵線地層變化

3.5 勘察資料的有序管理

由于三維建模軟件是基于三維數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建模,所以可以通過三維建模軟件對勘察資料進(jìn)行有序分層次的查詢,如圖11所示,通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)表可以方便的對標(biāo)貫、土層信息、地下水位等有用信息進(jìn)行查詢,在房山新城勘察中將勘察資料輸入到三維建模數(shù)據(jù)庫中,不僅為生成直觀的三維模型打下基礎(chǔ),而且也便于勘察資料的管理.

圖11 鉆孔資料信息顯示

4 結(jié)論與展望

本文采用的三維建模系統(tǒng)Creatar使用國內(nèi)首創(chuàng)的分層沉降建模方法,根據(jù)鉆孔資料能迅速將地質(zhì)體模型準(zhǔn)確建立起來,將以往需要由工作人員做的大量工作交由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),不僅大大節(jié)約了人力,也使該軟件能滿足實(shí)際工程對于建模時(shí)間的苛刻要求,并且其切片和推進(jìn)等分析功能能解決區(qū)域勘查工程中對地質(zhì)體某一重點(diǎn)部位著重觀察的問題.

總之,三維地質(zhì)建模技術(shù)在區(qū)域勘查中,具有廣闊的應(yīng)用前景.利用該建模系統(tǒng)三維地質(zhì)模型,可以為建筑場地選址、地下空間建設(shè)與數(shù)據(jù)管理提供地質(zhì)信息支持,提高工作效率,如果能進(jìn)一步在軟件中引入滲流場、應(yīng)力場分析功能,則將使三維地質(zhì)建模技術(shù)在區(qū)域地質(zhì)勘查領(lǐng)域擁有更為廣闊的應(yīng)用前景.

[1] 潘 煒,劉大安,鐘輝亞等.三維地質(zhì)建模以及在邊坡工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(4): 597～602.

[2] 李 舒,李偉波,宋世鵬.三維地質(zhì)建模的應(yīng)用研究.科學(xué)技術(shù)與工程[J].2008,8(24):6584～6587.

[3] 王環(huán)玲,徐衛(wèi)亞.三維地質(zhì)建模技術(shù)在沿途工程數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報(bào),2008,25(5): 125～129.

[4] 王明華,白 云.三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].土工基礎(chǔ),2006,20(4):68～70.

[5] 熊祖強(qiáng).工程地質(zhì)三維建模及可視化技術(shù)研究[D].武漢:中國科學(xué)院研究生院,2007.

[6] 龔知凡.三維GIS技術(shù)及其發(fā)展[J].露天采礦技術(shù).2007,5:17～19.

[7] 潘 懋,方 裕,屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問題探討[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(3):1～5.

[8] GoCAD.http://www.gocad.com/index.html,2005.3.

[9] 曾新平.地質(zhì)體三維可視化建模系統(tǒng)GeoModel的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2005.

[10] GEMCOM,1993,GEMCOM Software News Letter,Published by GEMCOM Services Inc.

[11] GEOSTAT,GEOSTAT Software NewsLetter,1994,Published by GEOSTAT Systems International Inc.

[12] 陳建宏.可視化集成采礦CAD系統(tǒng)研究[D].湖南:中南大學(xué),2002.

[13] 鐘登華,李明朝.水利水電工程地質(zhì)三維地質(zhì)建模與分析理論及實(shí)踐[M].水利水電出版社,北京,2006.3.

[14] 劉軍旗,毛小平,孫秀萍.基于GeoView三維地質(zhì)建模的一般過程[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006,44(4).

[15] 毛善君,熊 偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及初步實(shí)現(xiàn)[J].煤炭學(xué)報(bào).2005,30(5):571～575.

[16] 賀懷建,白世偉.三維地層信息系統(tǒng)在金山店鐵礦中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ).2002,16(3):15～17.

[17] 鐘登華,李明超,王 剛等.基于三維地層模型的巖體質(zhì)量可視化分級[J].巖土力學(xué).2005,26(1):11～16.