地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究

龍江濤+李志偉

摘要：復(fù)雜地質(zhì)體三維可視化地質(zhì)工程主要為地質(zhì)工程測(cè)量當(dāng)前最大的問(wèn)題而提出的，這個(gè)問(wèn)題是地質(zhì)調(diào)查工作，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)來(lái)衡量的，它涉及的范圍很廣，整體的信息是非常復(fù)雜和混亂，這使得它很難直接控制地質(zhì)勘探對(duì)象的總體情況。為了解決這一問(wèn)題，研究了復(fù)雜地質(zhì)體可視化的發(fā)展和應(yīng)用。本文介紹了當(dāng)前對(duì)當(dāng)前中國(guó)復(fù)雜地質(zhì)體三維可視化的研究現(xiàn)狀，分析了在建立三維模型可視化的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并討論了三維地質(zhì)建模及可視化的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)工程；三維建模；可視化

引言

建立一個(gè)完善的三維空間地質(zhì)模型并非易事，尤其是地質(zhì)狀況的復(fù)雜性與不規(guī)則性更是加大了三維模型建立的難度，因此，研發(fā)和建立三維地質(zhì)模型仍然具有很大發(fā)展空間，還需要科研人員不斷的改進(jìn)與完善其基本性能。

1三維可視化關(guān)鍵技術(shù)

1.1三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。工程地質(zhì)體一般是不規(guī)則的形狀，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的曲線曲面是由許多微小直線段和微小三角面來(lái)模擬地層巖性和巖石表面的邊界，即巖石界面（曲線、曲面、地下水位等地質(zhì)邊界）和巖石表面有許多微小的直線段和小三角表面的集合。地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是工程地質(zhì)三維建模與可視化的基礎(chǔ)，需要高效、高效的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證人機(jī)交互和查詢(xún)的實(shí)現(xiàn)。

1.2曲面求交。地質(zhì)體中存在大量各種層面，當(dāng)出現(xiàn)地層不整合、斷層、錯(cuò)斷巖層、地層尖滅和地下水露于河谷地表等情形時(shí)，就自然會(huì)遇到曲面間求交的問(wèn)題；地質(zhì)體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層面或地下水位面不應(yīng)超出地表曲面，即超出部分不應(yīng)顯示。同樣的，當(dāng)顯示多層地層時(shí)，下面的每一巖層應(yīng)以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問(wèn)題。另一方面，在剖面圖成圖時(shí)，地質(zhì)界線的繪制是通過(guò)顯示剖面（平面）與各種地質(zhì)界面（曲面）求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質(zhì)界面（層面）之間的相交，和地質(zhì)界面與剖面的相交兩類(lèi)問(wèn)題。

1.3三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。從地質(zhì)學(xué)角度看，拓?fù)涫堑刭|(zhì)對(duì)象間關(guān)系的表格，拓?fù)浔泶鎯?chǔ)層位間上覆、下伏和交切（被斷層切割后地層的拓?fù)浔磉_(dá)）等的地層學(xué)關(guān)系及地質(zhì)空間位置關(guān)系。拓?fù)湟部梢暈樵试S這些地質(zhì)關(guān)系合理儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，考慮多層地層，上一個(gè)巖層的底面和與其相鄰的下一個(gè)巖層的頂面是上下巖層這兩個(gè)實(shí)體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓?fù)潢P(guān)系就是相鄰和同一的關(guān)系，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)只存儲(chǔ)上一個(gè)巖層的底面或其相鄰的下一個(gè)巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個(gè)地層曲面，大大減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。評(píng)價(jià)地質(zhì)模型系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)往往決定于描述地質(zhì)對(duì)象所用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.4可視化技術(shù)。工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體可視化，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將工程勘測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為形象直觀的便于進(jìn)行交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形，其基礎(chǔ)是工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。利用可視化技術(shù)可以從龐大的地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)中構(gòu)造出地質(zhì)工程中對(duì)于邊破穩(wěn)定性和地下酮室變形破壞等起關(guān)鍵作用的巖層和結(jié)構(gòu)面，并顯示其范圍、走向和相互交切關(guān)系，幫助工程地質(zhì)人員對(duì)原始數(shù)據(jù)做出正確解釋?zhuān)^而為工程地質(zhì)分析具體問(wèn)題提供決策支持。

2復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)的初步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

離散采樣插值和擬合數(shù)據(jù)是在離散數(shù)據(jù)連續(xù)曲面的加工表面和工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體三維可視化建模的思路是通過(guò)擬合和插值函數(shù)在地質(zhì)層面各種地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)庫(kù)提取巖體和位置信息的物理力學(xué)參數(shù)（不同表面）三維計(jì)算機(jī)圖形和地質(zhì)實(shí)體，在研究區(qū)地質(zhì)信息的表達(dá)和分布。

2.1地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究?；陔x散采樣數(shù)據(jù)的插值與擬合的思想，即將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲線曲面，地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的過(guò)程時(shí)，從勘探數(shù)據(jù)庫(kù)中提取各種地質(zhì)信息的坐標(biāo)位置及巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，通過(guò)不同的擬合與插值函數(shù)得到地質(zhì)層面（曲面）和地質(zhì)實(shí)體的三維計(jì)算機(jī)圖形顯示，表達(dá)地質(zhì)信息在研究區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。生成地質(zhì)巖層面和地質(zhì)實(shí)體后，實(shí)現(xiàn)從任意角度觀察建立的模型，實(shí)現(xiàn)根據(jù)指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

2.2初步開(kāi)發(fā)工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理。工程勘測(cè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)在收集整理現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)后錄入各分項(xiàng)數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表不僅包括地質(zhì)信息的位置數(shù)據(jù)，更重要的是提供屬性數(shù)據(jù)。以地層巖性數(shù)據(jù)表為例，要求錄入鉆孔編號(hào)、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性（地層名稱(chēng)）、地層代碼（地層年代）、巖層走向、巖層傾向、巖層傾角、接觸關(guān)系、地質(zhì)描述等數(shù)據(jù)。隨著工程勘測(cè)的進(jìn)展，能夠方便地修改補(bǔ)充和管理勘測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3三維地質(zhì)立體圖。利用工程勘測(cè)數(shù)據(jù)，建立了壩址區(qū)右岸三維立體地質(zhì)圖。該壩址區(qū)自上而下地層巖性組合為：第四系崩坡堆積物，侏羅系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，三疊系上統(tǒng)厚至巨厚層狀細(xì)至中粒砂巖，三疊系上統(tǒng)薄至中厚層狀粉細(xì)紗巖、粉砂巖，三疊系上統(tǒng)中厚至厚層狀中粗砂巖。通過(guò)有限的工程勘測(cè)數(shù)據(jù)得出的立體圖，能夠較好地滿(mǎn)足工程地質(zhì)的精度。

2.4三維可視化查詢(xún)。通過(guò)圖形與工程勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)的鏈接，實(shí)現(xiàn)可視化查詢(xún)地層巖性和其他工程地質(zhì)信息，最終完成向三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

3總結(jié)

地質(zhì)工程的復(fù)雜性提出了建立地質(zhì)體可視化體系的需求，但同樣也是由于地質(zhì)工程的復(fù)雜性，制約了地質(zhì)可視化體系的發(fā)展。面對(duì)在三維地質(zhì)模型建立的研發(fā)過(guò)程中存在的難題，仍需要科研技術(shù)人員和地質(zhì)研究工作者的大力配合與交流，最大程度的解決所有難題，使地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體的可視化體系盡早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。