工程地質三維模型構建中存在的問題

姬永尚

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

工程地質三維模型構建中存在的問題

姬永尚*

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

地質三維模型構建是當前國內(nèi)外地學界研究的熱點問題之一，它將地質成果抽象為地質模型，實現(xiàn)計算機的三維可視化分析與管理。工程地質三維模型對工程決策、地質分析預測及提高制圖效率有非常重要的意義，但由于地質數(shù)據(jù)及其應用本身所具有的復雜性、不確定性、信息不完備等特點，使得工程地質領域建立三維模型過程中存在諸多的問題。作者根據(jù)多年的建模經(jīng)驗，列出了建模過程中經(jīng)常遇到的問題，希望對工程地質三維建模技術的發(fā)展有所幫助。

工程地質；三維模型；存在的問題

1 概述

所謂三維地質建模(3D Geosciences Model-ing)，就是運用計算機技術，在三維環(huán)境下，將地質解譯、空間信息管理、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并用于地質分析的技術[1]。

工程地質中的各種地質信息，可以通過野外勘探實測或監(jiān)測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握。各種地質信息，包括地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學、巖土體的物理力學參數(shù)或數(shù)據(jù)等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數(shù)，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對地質規(guī)律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監(jiān)測的目的[2]。

地質三維模型的應用最早是在石油、地礦業(yè)，很多相應的軟件也都是基于這些產(chǎn)業(yè)開發(fā)的。國外比較典型的大型專業(yè)軟件有：GOCAD、EafthVjsjon、Vulan、Gemcom、ieroLynx、SurpacVisiont、Landmark、Geo-See3D等，但是它們的應用都相對比較簡單，大多只需要繪出目標區(qū)域內(nèi)地層的大體構造，相比之下，工程地質三維模型則更為復雜，目標區(qū)域雖小但是對精度的要求非常高，大部分基于石油、礦產(chǎn)等領域研發(fā)的軟件很難在工程地質三維建模中有效利用，這就導致建立工程地質三維模型過程中經(jīng)常會遇到一些問題，使得建模效率低、模型準確度不高、實用性不強。

2 工程地質三維建模中存在的問題

建立一個工程地質三維模型，一般需要以下3個步驟：數(shù)據(jù)分析和預處理、生成三維表面、構建三維實體，也就是由點（或線）到面，由面到體的方法。模型每個地質體（覆蓋層、基巖、滑坡、崩塌或是斷裂構造等）的構建，局部細節(jié)上可能稍有差別，但基本思路都是遵循上述步驟。

2.1 基礎數(shù)據(jù)預處理繁瑣

要想建成三維地質模型，必須首先對勘測資料進行解譯、分析和預處理，就目前的應用現(xiàn)狀來看，這個過程是復雜、繁瑣的。工程地質平面圖一般包括地形線、覆蓋層界線、基巖巖性界線、構造線、滑坡和崩塌界線、以及勘探鉆孔、平硐、探坑位置等，大部分建模軟件要求將這些平面圖內(nèi)容分開并單獨保存成DXF格式，方便調用。鉆孔、平硐、物探、試驗等資料都要求以表格形式輸入，需要進行詳細的編號，要將每種原始資料對應的同一種地質信息進行統(tǒng)一編號，這不是一件容易的事情。剖面資料的處理是最為復雜的，不同的軟件要求有所差別，但大部分都需要簡化剖面信息，每個剖面上代表的信息較多，一次性導入軟件往往雜亂無章，難以分清每條線所代表的地質信息，所以先將剖面圖按每個信息單獨保存并編號，部分軟件還可能要求對剖面圖平移、旋轉和縮放等幾何變形。

一個較大工程，當面對龐大的勘探數(shù)據(jù)，按軟件建模需求去處理數(shù)據(jù)，這可能要對整個原始數(shù)據(jù)進行重新梳理和編繪，是一個復雜、繁瑣的過程。

2.2 建模過程軟件運行速度緩慢

首先是大部分商業(yè)軟件系統(tǒng)龐大，特別是國外軟件，需要計算機性能很高（工作站環(huán)境），其次真三維地質應用系統(tǒng)必然涉及海量三維模型數(shù)據(jù)的問題。三維地質模型涉及地表遙感數(shù)據(jù)、地表三維模型、地層界面數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、地質體數(shù)據(jù)、模型拓撲信息等，其數(shù)據(jù)量將達到GB級[2]。軟件處理海量模型數(shù)據(jù)時內(nèi)存占用量大、CPU負載重、處理效率低甚至根本無法運轉。部分國內(nèi)軟件本身系統(tǒng)較小，但是其建模過程緩慢，甚至經(jīng)常死機，這可能是軟件本身在建模過程中產(chǎn)生的一些垃圾碎片所致。

大部分軟件建模精度與運行速度不能兼得。曾經(jīng)利用一款建模軟件建立面積為3.4km2的某水電站壩址區(qū)的三維地質模型，將建模網(wǎng)格間距取1m和1.5m時，生成的地表曲面在Inter core i7-3740QM CPU 2.7GHz，內(nèi)存8G的計算機上運行速度緩慢，基本不能拖動或旋轉地表曲面，后來改為2m精度后，才勉強可以轉動。

2.3 建模過程曲面擬合的異常

工程地質地層或構造面，不可能在一個方向上光滑延展，由于受地殼運動或是地質構造活動影響，地質體在空間上隨機突變性很強，這就導致大部分軟件的曲面擬合法則擬合時出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為2方面：一是擬合過程中并不能嚴格按照勘探線或是勘探點擬合，可能出現(xiàn)懸空線或點的現(xiàn)象；二是在沒有控制點的位置擬合曲面可能超出地表面，特別是在構建覆蓋層底界面、風化面及透水面等水平向界面時最容易出現(xiàn)這種異常，這種異常在大部分軟件中都存在。地質體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數(shù)學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。

2.4 地質界面對地面出露線的依賴

對于非水平的地層或構造，不可能都通過鉆孔、平硐等來探測其空間分布，工程地質勘察中地面出露線和對應的產(chǎn)狀是推測其地下發(fā)展趨勢的重要線索。而大部分軟件對地面出露線過度依賴，即地面什么形狀，地下什么形狀（圖1）。地層或構造在地面由于其產(chǎn)狀的原因，在溝谷及兩側會形成“V”字形跡線，但其地下并不是“V”字形，而基本呈平面，這樣通過軟件建立的地質界面將不能真實的反映地層或構造的地下趨勢，容易造成錯位。

圖1 依據(jù)地表出露線和產(chǎn)狀擬合生成的斷層

2.5 生成地質實體過程復雜

一個完整的工程地質三維模型，不是指將整個工程區(qū)建成一個實體，而是工程區(qū)所涉及的每一個地質實體的組合，比如不同的巖層、每一個滑坡、崩塌、以及斷裂構造，都是獨立的實體單元，要能真實地反映實際工程地質情況。

目前，建立每一個實體單元的方式無非2種方式：一是先建立工程區(qū)整體實體，再生成各種地質單元的界面，然后用面去切割實體，從而生成單個實體單元；二是分別建立每個地質單元的圍合面，然后通過面面圍合生成實體單元。

上面2種方式，在建立實體過程中都不太容易。第一種方式在切割體的過程中（與體作布爾運算），往往會發(fā)生切不開，甚至死機現(xiàn)象，越是不規(guī)則的面越難切割。第二種方式建立的圍合面往往不是無縫接觸，比如三角網(wǎng)格面的邊界可能呈現(xiàn)鋸齒狀，導致這些面在圍合實體過程邊界需要大量的手動縫補，浪費大量的時間不說，有些最終可能無法合成實體。

3 結語

從目前的現(xiàn)狀來看，工程地質三維建模的理論研究得到了很大的發(fā)展，但大部分建模軟件還不成熟，存在建模過程數(shù)據(jù)預處理繁瑣、建模精度與軟件運行速度矛盾、建模過程曲面擬合異常、需要添加大量虛擬數(shù)據(jù)控制、產(chǎn)狀建面對地面出露線過度依賴和面生成實體過程復雜、容易出錯等一系列問題，導致建模周期太長、模型精度不夠等，使得建模效率和質量得不到保證，無助于生產(chǎn)效率的提高。

[1]鐘登華，李明超.水利水電工程地質三維建模與分析理論及實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]曾錢幫，劉大安，張菊明，等.地質工程復雜地質體三維建模與可視化研究[J].工程地質計算機應用，2005，39（3）：29.

[3]潘懋，方裕，屈紅剛.三維地質建模若干基本問題探討[J].地理與地理信息科學，2007，23（3）：3.

TU454

A

1004-5716(2015)10-0135-03

2014-10-23

2014-10-24

姬永尚（1982-），男（漢族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事工程地質和水文地質技術工作。