基于GoCAD與Surfer平臺建立三維地質(zhì)模型研究

彭鑫龍 PENG Xin-long；楊華舒 YANG Hua-shu；王學(xué)鵬 WANG Xue-peng；蒲應(yīng)舉 PU Ying-ju

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650051）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

0 引言

在運用傳統(tǒng)的地質(zhì)信息模擬方法時最主要的手段是利用平面圖和剖面圖。其實質(zhì)是通過將三維空間下的地貌、地層、構(gòu)造以及其他地質(zhì)現(xiàn)象往某一平面進行投影。但是在實際操作中就會暴露出一些缺陷，比如空間信息會損失或失真、繪圖過程變得復(fù)雜繁瑣、參數(shù)修改變得困難等。

近年來，計算機仿真模擬技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)值分析已然躋身巖土工程分析方法的前列。由美國Itasca Consulting Goup lnc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)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)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。但是，F(xiàn)LAC 3D軟件在建立復(fù)雜三維地質(zhì)模型以及網(wǎng)格的劃分實現(xiàn)等前處理過程中存在很大不足：①FLAC 3D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)模型表面變化復(fù)雜，地層變化多樣時，需要對各個邊界數(shù)據(jù)進行控制，命令數(shù)量大，出錯不易查出；③建立復(fù)雜模型時要花費大量時間才能是模型與實際較吻合。

因此，文章提出了基于GoCAD與Surfer平臺的復(fù)雜三維地質(zhì)建模和網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體模型的快速、直觀建模。通過實際工程實例，也驗證了此種建模方法是可行的、有效的。

1 GoCAD與Surfer軟件介紹

GoCAD（Geological Object Computer Aided Design）軟件是一款功能強大的三維地質(zhì)建模軟件，在工程地質(zhì)、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)、石油工程、水利工程中有廣泛的應(yīng)用。GoCAD軟件具有強大的三維建模、可視化、地質(zhì)解釋和分析的功能。它既可以進行表面建模，又可以進行實體建模；既可以設(shè)計空間幾何對象，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大，信息表現(xiàn)方式靈活多樣。一般來講，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。但是無論多么復(fù)雜的地質(zhì)體，歸納起來都可以用點、線、面、體等四種類型的數(shù)據(jù)來描述。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點集：描述離散點數(shù)據(jù)；②線集：描述斷層線、鉆孔軌跡、測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Golden Software公司的系列繪圖軟件之一。Surfer的主要功能是繪制等值線圖（contour map），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?？死锝鸩逯捣ㄓ址Q空間自協(xié)方差最佳插值法，它是以法國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，確定對一個待插值點有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點來估計待插值點的屬性值。該方法在數(shù)學(xué)上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計（某點處的確定值）的方法。它是考慮了信息樣品的形狀、大小及與待估計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，為達到線性、無偏和最小估計方差的估計，而對每一個樣品賦與一定的系數(shù)，最后進行加權(quán)平均來估計塊段值的方法。但它仍是一種光滑的內(nèi)插方法。在數(shù)據(jù)點多時，其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。

2 三維地質(zhì)建模方法

一般情況下，我們獲取的工程地質(zhì)信息都是通過地形等高線圖反映的，因此，我們的出發(fā)點還是從最原始的AutoCAD圖形著手。使用GoCAD構(gòu)建三維地質(zhì)模型一般包括以下四個步驟：

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，保存文件時確保沒有中文名稱和中文路徑。然后導(dǎo)入GoCAD：選擇File——Import Object——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)，只保留等高線數(shù)據(jù)。此時形成的線并不平滑，因此要將整理好的線文件導(dǎo)出插值，選擇File——Export Objects——Curve——Export properties to Excel。

2.2 Surfer進行插值 選擇導(dǎo)出的坐標(biāo)值，全選并復(fù)制，運行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)”，打開剛才保存的*.dat數(shù)據(jù)，彈出圖1所示的對話框，只用設(shè)置最小、最大、間距數(shù)據(jù)、插值方法，單擊確認(rèn)即可產(chǎn)生格網(wǎng)數(shù)據(jù)，打開產(chǎn)生的格網(wǎng)數(shù)據(jù)*.grd文件，效果圖如圖2所示。保存*.grd數(shù)據(jù)為ASCII XYZ(*.dat)文件，接著導(dǎo)入到GoCAD。

圖1 Surfer進行插值

圖2 插值后的格網(wǎng)數(shù)據(jù)

2.3 鉆孔數(shù)據(jù)分析及導(dǎo)入 對于多地層的模型，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)入方法：File——Import Object——Welldata——(Path)LocationsfromColumnbased File。然后同樣的方法再導(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。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)與分層標(biāo)記文本格式

過程如下：File——Import Object——Well data——(Markers)Column-based File，數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入后，建立Group，右鍵Group——New Group——Add to Group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。

圖3 導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)生成標(biāo)記

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生成面。對于表面，可以直接由從CAD提取的等高線插值點信息生成，過程如下：Surface——New——（From Points Sets）Point Set，選擇對應(yīng)的 Point Set對象。對于借助鉆孔數(shù)據(jù)生成面的過程有所不同：Surface——New——（From Surface）From Others——Well Markers。分別選擇前面步驟做好的兩種鉆孔標(biāo)記名稱各生成對應(yīng)的層面。但是由于鉆孔數(shù)據(jù)有限，生成的面顯得平整，不符合實際。因此還需按照步驟二對表面插值的方法分別對兩個層面進行插值修改，得到較接近實際的層面。然后將三個面疊加，對于交叉的部分采剪切再合并。

完成了表面和中間的層面，還需添加一個底面。底面添加相對簡單，過程如下：右鍵表面名稱——copy——重命名（bottom）——Surface——compute——（Apply Script）On Object，選擇 bottom 對象，將主腳本中輸入“Z=N；”（N為低于表面最小高程的任意值）。效果如圖4所示。

進一步將由面組成的三維地形圖生成劃分網(wǎng)格的實體。使用SGrid對象下的New命令，選擇From Object Box，命名創(chuàng)建的第一個實體，選擇生成該實體的兩個面（表面與第一個層面），在 Nu、Nv、Nw中分別設(shè)置 X、Y、Z 三個方向上的網(wǎng)格數(shù)，然后使用Tools命令下的Proportionally Between Top and Bottom，選擇前述的兩個面進行分割，確定生成第一個劃分網(wǎng)格的實體。采用相同的步驟，分別生成第二個、第三個地層。關(guān)閉輔助的點、線、面對象，對生成的圖形進行必要的修正，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。

圖4 GoCAD中生成三維模型

圖5 GoCAD中建立實體和劃分網(wǎng)格

3 結(jié)論

GoCAD是標(biāo)準(zhǔn)三維地質(zhì)建模軟件，通過結(jié)合實際工程實例，運用GoCAD建立了基本符合現(xiàn)實情況的復(fù)雜三維地質(zhì)模型，為工作者提供了直觀演示，同時也大大簡化了應(yīng)用FLAC 3D的繁瑣前處理過程，提高了工作效率。

在建立地質(zhì)模型的過程中，若能獲得更多的鉆孔輔助數(shù)據(jù)，建立更為詳細的well group，則將得到更為接近真實地層信息的模型，在后續(xù)的計算分析中也能夠使結(jié)果更加精確。

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