水利水電工程多源地質(zhì)數(shù)據(jù)集成處理與分析

王 剛,李明超,周四寶

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610072;

2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

水利水電工程多源地質(zhì)數(shù)據(jù)集成處理與分析

王 剛1,李明超2,周四寶2

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610072;

2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

針對水利水電工程地質(zhì)特點,基于多種地質(zhì)勘察手段(地質(zhì)測繪、遙感、地質(zhì)勘探、試驗等)得到的遙感圖像、地形等高線、鉆孔平硐數(shù)據(jù)、地質(zhì)描述、空間位置數(shù)據(jù)、物探測試數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等各種地質(zhì)數(shù)據(jù),提出了耦合多源數(shù)據(jù)的地質(zhì)信息空間集成方法。通過對地形、地層和地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間解析,采用耦合多源數(shù)據(jù)的剖面生成方法獲得保持所有數(shù)據(jù)一致的二維CAD剖面圖(橫縱剖面、軸切剖面和平切面等),實現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)的自動分層和集成分析。工程實例應(yīng)用表明,對工程壩區(qū)不同來源、精度、分辨率的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行耦合分析和自動集成,保證了所有有效數(shù)據(jù)成為地質(zhì)分析可利用的、可靠的信息。

多源地質(zhì)數(shù)據(jù);地質(zhì)剖面;地質(zhì)分類;數(shù)據(jù)集成;水利水電工程

在水利水電工程地質(zhì)勘察勘探中獲得的各種地質(zhì)信息如地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水位、風化層分布以及各種物探化探資料等[1]都是離散數(shù)據(jù),很難直接分析其在地質(zhì)體中的分布規(guī)律[2],即使能夠預測各種信息在區(qū)域中的分布,大量的數(shù)據(jù)還是很難處理與表達。這些來源不同的數(shù)據(jù)在精度、分辨率、數(shù)量、質(zhì)量等方面存在較大差異,為了使所有有效數(shù)據(jù)一起成為建模系統(tǒng)可利用的、可靠的、一致的信息,必須解決多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的耦合技術(shù)問題[3-4]。因此,利用計算機技術(shù)進行工程地質(zhì)數(shù)據(jù)解譯分析是工程地質(zhì)信息分析的一個必然趨勢[5]。

國內(nèi)外學者結(jié)合不同工程領(lǐng)域的地質(zhì)分析目的,對復雜地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理與分析開展了大量研究。Wu等[3]提出了逐步細化方法來處理稀疏、采樣不足的多種來源地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合問題;鐘登華等[6]從點、面、體3個層次來表達地質(zhì)空間圖形及其相關(guān)信息,并建立了綜合地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫;Zhang等[7]提出了結(jié)點層數(shù)據(jù)模型來管理組織不同實體類型的復雜地質(zhì)數(shù)據(jù);劉軍旗等[8]提出了以水利水電工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)管理為中心的三維地質(zhì)信息系統(tǒng);崔瑩[9]針對區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力預測問題,考慮地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的不確定性,采用數(shù)據(jù)挖掘方法對多源地質(zhì)空間信息進行了分析,并開發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng); Ballagh等[10]綜合分析了采用虛擬地球如GoogleEarth來查看、查詢和下載地質(zhì)信息的方法和存在的問題;劉尚蔚等[11]基于不同采集方法獲得的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)建立了統(tǒng)一的耦合數(shù)據(jù)庫;張鳴之等[12]采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成服務(wù)系統(tǒng); Zhu等[13]也應(yīng)用Google Earth開發(fā)了相應(yīng)的程序直接可視化管理大量的鉆孔數(shù)據(jù)。這些研究在不同程度促進了計算機技術(shù)和信息技術(shù)在地質(zhì)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的發(fā)展。

本文以水利水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)為對象,在采集分析多種地質(zhì)勘測方式(如地質(zhì)測繪、遙感、地質(zhì)勘探等)得到的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對多源無序數(shù)據(jù)難以直接耦合的問題,采用多源數(shù)據(jù)生成地質(zhì)剖面,進而在三維環(huán)境中集成,并結(jié)合實際工程開展相應(yīng)的應(yīng)用分析。

1 水利水電工程地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)分析

水利水電工程地質(zhì)勘探的任務(wù)與要求主要是調(diào)查地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物理地質(zhì)、水文地質(zhì)等對工程有重要意義的地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)問題,以及這些現(xiàn)象和問題對水工建筑物的影響[1],主要從地表測繪和地下勘探兩個方面開展工作獲取所需的地質(zhì)信息,解譯分析各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的原始信息,為工程選址、設(shè)計和施工提供可靠的地質(zhì)資料。

地表空間數(shù)據(jù)主要通過工程地質(zhì)測繪工作獲得,包括地形等高線、地質(zhì)點數(shù)據(jù)和遙感信息數(shù)據(jù)等,這些數(shù)據(jù)反映了區(qū)域地形地貌、地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、物理地質(zhì)現(xiàn)象等。這些數(shù)據(jù)需要填繪在適當比例尺地形圖上加以綜合反映。地下空間數(shù)據(jù)主要來源于工程地質(zhì)勘探和工程物探,是在工程地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上,通過勘探查明地表以下的工程地質(zhì)問題而取得的深部地質(zhì)資料數(shù)據(jù)。這兩類數(shù)據(jù)的具體描述見表1。

表1 水利水電工程地質(zhì)勘探主要數(shù)據(jù)分類

這些通過各種勘測手段獲得的地表、地下空間數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了反映工程區(qū)地質(zhì)情況的原始數(shù)據(jù)。從計算機表達形式上看,地質(zhì)數(shù)據(jù)實際上是表示地質(zhì)信息的數(shù)、字母和符號的集合,可分為3類:①字符型數(shù)據(jù),如地層名稱及代號、斷層名稱及編號、斷層規(guī)模和級別等,此類數(shù)據(jù)量較大;②數(shù)值型數(shù)據(jù),如地層產(chǎn)狀、鉆孔坐標和高程、地層厚度等;③圖形數(shù)據(jù),如航拍圖、素描圖等。

由于地質(zhì)條件和地質(zhì)作用的復雜多變,以及各種技術(shù)勘測手段之間的較大差異,造成地質(zhì)原始數(shù)據(jù)數(shù)量巨大、種類繁多且結(jié)構(gòu)復雜,其多源性、離散性和定性特征給工程地質(zhì)分析帶來很大的困難,因此需要耦合多種類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行解譯分析,將離散不確定的數(shù)據(jù)通過各種手段轉(zhuǎn)化為連續(xù)確定的數(shù)據(jù),將定性數(shù)據(jù)描述定量化,盡量以數(shù)值型數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)來表達,為工程地質(zhì)問題分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

2 耦合多源數(shù)據(jù)的水利水電工程地質(zhì)剖面生成方法

各類地質(zhì)數(shù)據(jù)解譯分析的目的是為了弄清工程區(qū)復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)和空間分布關(guān)系,水利水電工程地質(zhì)研究的主要對象為地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造三類地質(zhì)要素。因此,耦合多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的解譯分析結(jié)果,對各類地質(zhì)要素進行綜合分析,獲得能客觀反映其空間構(gòu)造的剖面數(shù)據(jù),將為三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的集成提供數(shù)據(jù)源。

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析可知,反映工程地質(zhì)條件的數(shù)據(jù)多種多樣,如地形等高線、鉆孔、平硐、實測剖面、遙感解譯圖、地層柱狀圖、區(qū)域地質(zhì)圖、構(gòu)造地質(zhì)圖等,由于數(shù)據(jù)來源、勘測手段、數(shù)據(jù)精度等方面的不一致,使得這些地質(zhì)數(shù)據(jù)不能完全統(tǒng)一地反映實際地質(zhì)條件,需要進行耦合處理分析,形成一致的解釋結(jié)果。

根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和使用方式,可將其分為兩大類:①直接可用數(shù)據(jù)。包括鉆孔、平硐及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù),這些通過地質(zhì)勘探得到的原始采樣數(shù)據(jù),精度很高,利用數(shù)據(jù)庫進行存儲管理后,可直接用于剖面解譯和集成系統(tǒng)中。②間接圖形數(shù)據(jù)。由不同分辨率不同精度的圖形組成,既包含分析處理過的原始信息,如三維地形、剖面數(shù)據(jù)等,也包括分析得到的數(shù)據(jù),如通過地質(zhì)點、遙感圖像解譯獲得的地層界線、斷層、褶皺等構(gòu)造跡線,以及地層柱狀圖、構(gòu)造地質(zhì)圖等,這類數(shù)據(jù)一般利用AutoCAD平臺進行二維存儲,需要進行耦合統(tǒng)一分析。

在傳統(tǒng)剖面形成的基礎(chǔ)上,提出改進的耦合多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的地質(zhì)剖面生成方法如下:

a.將綜合反映工程區(qū)域地質(zhì)測繪、勘探和分析成果的工程地質(zhì)平面圖數(shù)字化處理,主要包含地形等高線、地表出露的巖層界線和構(gòu)造輪廓線(斷層、褶皺等),以及勘探數(shù)據(jù)分布,如圖1(a)所示。

b.結(jié)合工程需要在平面圖上交互定義剖面位置,如圖1(a)中的A—A＇剖面線。

c.確定剖面位置后,考慮一定的距離s(0≤s≤r,r定義為研究區(qū)域內(nèi)剖面的緩沖半徑)和權(quán)重w選擇該位置附近的鉆孔和平硐,s越小,w越大。

d.在平面圖的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖層剖面分析圖和構(gòu)造地質(zhì)圖,分別計算剖切面與地形面、巖層界面及斷層跡線之間的交點,得到點集Pt、Ps和Pf,連接各點集中的點即可形成相應(yīng)的地形線、巖層界線和斷層線。

e.自動導入鉆孔、平硐數(shù)據(jù)并分析各地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀,對上一步得到的結(jié)果進行調(diào)整修改,使其與實際數(shù)據(jù)完全吻合;并采用樣條曲線技術(shù)對每條界線進行平滑處理,獲得如圖1(b)所示的剖面。

圖1 耦合多源數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)分析

該方法基于表格數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和相關(guān)的地質(zhì)信息,能夠半自動化地完成剖面定義和繪制,依此可形成一系列工程所需要的地質(zhì)橫縱剖面圖和軸線剖面圖,并可在確定的高程下對這些剖面圖進行平切,可獲得不同高程下向深部推斷分析的地質(zhì)平切圖。

3 水利水電工程地質(zhì)綜合數(shù)據(jù)集成

通過對各種原始勘探資料的整理分析和耦合,獲得了一系列與工程相關(guān)的、含有地質(zhì)專家經(jīng)驗知識的二維橫縱剖面圖和平切圖,鉆孔、平硐數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)庫直接讀入,還需要將所有剖面中的各類巖層界線、構(gòu)造界線等按照統(tǒng)一的“層(layer)”進行分層歸類,其自動分層和集成處理的主要步驟如下:

a.定位二維剖面圖。收集所有剖面,分別對橫縱剖面和平切面進行定位,其中橫縱剖面的定位數(shù)據(jù)包括剖面名稱、段數(shù)、起始坐標(x1,y1,z)和終點坐標(x2,y2,z),當剖面段數(shù)大于1時還有一系列分段坐標;平切面的定位數(shù)據(jù)為平切面名稱和高程。這些定位數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。

b.提取二維剖面線數(shù)據(jù)并作三維轉(zhuǎn)換。在AutoCAD中自動提取相關(guān)的橫縱剖面和平切圖等二維圖形中的地質(zhì)線條上的點坐標,并依次分類全部存儲在數(shù)據(jù)庫中,主要包括地層類、斷層類和界限類(主要是劃分的風化、卸荷上下限)等。

c.剖面線自動分層。必須有一個較完整的細分圖層的剖面,才能對所有剖面線進行自動求交判斷。兩條不同剖面線之間存在交點則表明同屬一個圖層,據(jù)此可將剖面線自動分層,每條剖面線的數(shù)據(jù)包括圖層名、所在剖面名稱和一系列構(gòu)成剖面線的點數(shù)據(jù)。

d.讀取數(shù)據(jù)庫,匯總分層數(shù)據(jù)。匯總所有的空間剖面線形成一個總的數(shù)據(jù)集合Ω,其中包含各巖層界線集合{S1,S2,…,Sn}(n為巖層數(shù))、斷層線集合{{f1u,f1d},{f2u,f2d},…,{fmu,fmd}}(m為斷層數(shù))和鉆孔點集合{p1,p2,…,pn}等。

4 工程實例分析

某水電工程所處地區(qū)屬揚子板塊西緣松潘甘孜造山帶南的木里弧形構(gòu)造帶,壩段及鄰近區(qū)域地層普遍變質(zhì),褶皺強烈,斷裂發(fā)育,工程地質(zhì)條件非常復雜。該工程壩址位于雅礱江中下游河段,河流流向約N25°E,河道順直而狹窄,其工程地質(zhì)研究區(qū)域為一長方形,沿河流方向呈北東向展布,長1700m,寬1560m,面積約2.7 km2。該工程地質(zhì)勘測設(shè)計歷經(jīng)10余年,獲得了大量工程地質(zhì)勘察資料和研究成果,基于上述不同階段的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù),針對選定壩址區(qū)域進行各種地質(zhì)解譯分析研究,對其地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行空間構(gòu)造推斷分析,按照研究區(qū)域和各主體工程設(shè)計的需要,獲得了一系列的地質(zhì)分析成果,包括研究區(qū)域的工程地質(zhì)平面圖和數(shù)字地形,8個從壩址上游到下游展布的橫剖面圖,5個左右岸分布的縱剖面圖,19個不同高程的平切面圖,以及其他沿各種建筑物軸線剖切的剖面圖等。圖2給出了基于壩區(qū)5m間距地形等高線建立的數(shù)字地形模型,圖3為壩軸線附近的橫剖面圖。所有上述數(shù)據(jù)三維集成后的成果如圖4所示,包括所有鉆孔、平硐和剖面數(shù)據(jù),并分類得到不同巖層、斷層、巖脈、覆蓋層、風化卸荷界限等耦合解譯數(shù)據(jù)。基于耦合集成的三維數(shù)據(jù)可建立相應(yīng)的三維地質(zhì)模型,如圖5所示,為地質(zhì)、水工、施工等不同專業(yè)工程師設(shè)計分析提供地質(zhì)模型平臺。

圖2 壩區(qū)數(shù)字地形模型

圖3 典型橫剖面

圖4 多源地質(zhì)數(shù)據(jù)集成

圖5 基于多源集成數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型

5 結(jié) 語

基于工程地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)如數(shù)字化地形等高線、鉆孔、平硐數(shù)據(jù)等,和解析得到的各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間構(gòu)造數(shù)據(jù),采用耦合多源數(shù)據(jù)的剖面解析與生成方法,獲得了保持所有數(shù)據(jù)一致的二維CAD剖面圖(橫縱剖面、軸切剖面和平切面等),進而通過三維環(huán)境下的自動分層處理方法實現(xiàn)了水利水電工程多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合集成。這些多源數(shù)據(jù)構(gòu)成了水利水電工程地質(zhì)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),必須準確、可靠,因此該部分基礎(chǔ)性工作不僅需要地質(zhì)工程師豐富的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗,而且龐大的信息量需要進行自動化和智能化處理,構(gòu)建以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的驅(qū)動模式,能夠同時滿足地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律和地質(zhì)分析的數(shù)據(jù)需要。本文提出的耦合多源數(shù)據(jù)的地質(zhì)信息空間解析與三維集成方法,對各種來源、精度、分辨率不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行耦合解譯分析和三維自動集成,保證了所有有效數(shù)據(jù)成為地質(zhì)分析可利用的、可靠的信息,并結(jié)合工程實例進行了應(yīng)用分析,在實踐中取得了較好的效果。

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Multi-source geologic data integration and analysis of hydraulic and hydropower engineering

WANG Gang1,LI Mingchao2,ZHOU Sibao2(1.Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China;2.State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

According to the geological characteristics of hydraulic and hydropower engineering,and based on the geologic datasets such as satellite images,topographic contourmaps,drilling and adit data,geological description,georeferenced data,geophysical test data,test data among others,a spatial integrated approach ofgeological information combiningmultisource data is proposed.Through the space interpretation and analysis of geological structures including terrain,rock formations and geotectonic bodies,a series of two-dimensional geologic sections,consistentwith all data,were obtained by using a semi-automatic plotting method.Then,all these data were automatically layered and integrated analyzed.A practical example showed that coupling analysis and automatic integration of geological datawithmultiple sources,different accuracy and resolution ensure that all valid data become available and reliable information.

multi-source geologic data;geologic section;geological classification;data integration;hydraulic and hydropower engineering

P642

A

1006-7647(2015)02-0073-04

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.015

2014-03-21 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(51379006;51209159);教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃(NCET-12-0404)

王剛(1973—),男,四川成都人,高級工程師,碩士,主要從事水利水電工程地質(zhì)勘探設(shè)計工作。E-mail:wgang@chidi.com.cn