雙江口水電站工程地質(zhì)三維可視化分析與應(yīng)用

唐茂穎, 黃潤(rùn)秋, 呂明明, 鄒元品

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都 610041；3.水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072)

三維地質(zhì)建模(3D geological modeling)是通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力，脫離傳統(tǒng)的二維表達(dá)環(huán)境，在三維空間中對(duì)原始的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在專家經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下進(jìn)行解譯，并構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后綜合勘探資料(平硐、鉆孔等)、工程地質(zhì)測(cè)繪(地質(zhì)點(diǎn)、山地資料)、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料及相關(guān)的分析圖表等地質(zhì)信息構(gòu)建三維地質(zhì)模型[1]。作為水電工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，三維地質(zhì)可視化同時(shí)也是工程地質(zhì)數(shù)字化的必然發(fā)展方向[2]。

自S.W.Houlding[3]提出三維地質(zhì)建模理念，相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展。J.L.Mallet[4]提出了離散光滑插值(DSI)技術(shù)，具有自由選擇格網(wǎng)模型、自動(dòng)調(diào)整格網(wǎng)模型、實(shí)時(shí)交互操作等優(yōu)點(diǎn)，已用于GOCAD軟件。E.A.D.Kemp等[5]使用Bezier-NURBS混合曲面擬合三維結(jié)構(gòu)面。

目前國(guó)外的三維地質(zhì)建模已經(jīng)很成熟，如法國(guó)的GOCAD軟件、美國(guó)的EarthVision軟件、西班牙的Vulan軟件、加拿大的Gemcom軟件、澳大利亞的SurpacVision軟件、英國(guó)的Datamine軟件等。A.V. Contreras等[6]探討了基于GOCAD的水電工程地質(zhì)多要素三維建模方法，并評(píng)估了墨西哥奇科森水電站建設(shè)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。C.Jack等[7]、J.Koch等[7]、G.Caumon等[9]對(duì)水電工程三維地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性校驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。S.Brandel等[10]提出了一種基于泰森多邊形的空間地質(zhì)體重建方法。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展此類研究起步較晚，但進(jìn)步較快。芮小平等[11]基于多重二次曲面插值法對(duì)煤層三維表面形態(tài)進(jìn)行了再現(xiàn)。劉杰等[14]]對(duì)水電工程巖體結(jié)構(gòu)三維精細(xì)建模的理論與方法進(jìn)行了分析研究，并基于巖體結(jié)構(gòu)三維精細(xì)模型對(duì)地下洞室曲面塊體的識(shí)別進(jìn)行了嘗試，效果較好。柳慶武[13]、Li等[14]應(yīng)用直接點(diǎn)面法，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)直接構(gòu)建三維地質(zhì)建模[12]。李明超等[15]采用基于NURBS技術(shù)的復(fù)雜地質(zhì)曲面插值逼近擬合構(gòu)造法，使給定精度的曲面更接近原始值；Miao等[16]在傳統(tǒng)平面塊體理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新的三維面塊識(shí)別方法，首次建立了地質(zhì)結(jié)構(gòu)與隨機(jī)巖石結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平面的三維巖體模型。Pan等[17]應(yīng)用NURBS曲面造型技術(shù)建立壩址區(qū)三維地質(zhì)模型，并針對(duì)地質(zhì)條件分析結(jié)果，提出工程措施。趙仕威[2]利用針對(duì)稀疏的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，提出混合多重二次曲面插值方法(MMQS)有較好的插值精度。

綜上所述，在地質(zhì)建模方面，國(guó)內(nèi)外的研究和理論發(fā)展已經(jīng)到達(dá)一定深度，開(kāi)發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件也比較成熟。針對(duì)水利水電地質(zhì)建模方向的研究和探索已有不少應(yīng)用。但當(dāng)前大部分研究及應(yīng)用還停留在三維地質(zhì)建?？梢暬A段，而較少實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)交互式分析。針對(duì)此問(wèn)題，本文融合壩基三維地質(zhì)建模方法、地質(zhì)空間分析方法對(duì)壩基三維地質(zhì)建模與可視化交互分析進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了三維空間關(guān)系分析、三維地質(zhì)鉆孔查詢、任意斷面的實(shí)時(shí)剖切等三維地質(zhì)模型可視化交互分析，并將上述的研究成果應(yīng)用到雙江口水電工程中，為工程地質(zhì)分析、地質(zhì)預(yù)測(cè)等提供了新的手段，并且在工程勘探、設(shè)計(jì)與施工的信息化管理水平和效率方面均得到了有效提升[1]。

1　背景和意義

雙江口水電站為大渡河干流規(guī)劃的第5個(gè)梯級(jí)電站，也是大渡河干流上游的控制性水庫(kù)電站。工程位于四川省馬爾康縣與金川縣交界處，電站裝機(jī)容量 2 000 MW，心墻堆石壩最大壩高312 m，為當(dāng)前世界第一高壩。水庫(kù)正常蓄水位的海拔高度2.5 km，對(duì)應(yīng)庫(kù)容約2.732×109m3，控制流域面積 39 330 km2，多年平均流量527 m3/s，具有年調(diào)節(jié)能力。電站建成后，充分發(fā)揮水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用可增加下游各梯級(jí)電站發(fā)電力約 1 782 MW，可顯著發(fā)揮電站的發(fā)電補(bǔ)償功能[18]。

本電站大壩作為世界第一高壩，對(duì)地質(zhì)條件及地質(zhì)處理要求極高；同時(shí)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)信息眾多，常規(guī)的方法在解決這些復(fù)雜的工程與地質(zhì)問(wèn)題尚存在精度、效率的較大不足，故有必要針對(duì)雙江口水電站地質(zhì)信息進(jìn)行三維可視化交互分析，為工程地質(zhì)分析、地質(zhì)預(yù)測(cè)等提供基礎(chǔ)，并提升工程作業(yè)效率[1]。

2　三維地質(zhì)建模與可視化交互分析方法

2.1　三維地質(zhì)建模方法

2.1.1三維地質(zhì)建模流程

三維地質(zhì)建模流程如圖1所示。地形模型子系統(tǒng)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型子系統(tǒng)和地質(zhì)體模型子系統(tǒng)共同構(gòu)成了整個(gè)三維地質(zhì)建模體系。

地形模型子系統(tǒng)首先通過(guò)TIN算法，再簡(jiǎn)化為NURBS地質(zhì)體獲得地形輪廓體；其次在地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型子系統(tǒng)中，通過(guò)布爾運(yùn)算等方式對(duì)已有信息進(jìn)行處理，并生成對(duì)應(yīng)的地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)面；最后將上述生成的地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)面導(dǎo)入地質(zhì)模型子系統(tǒng)中構(gòu)建三維地質(zhì)幾何模型，然后進(jìn)行貼圖和渲染，進(jìn)行下一步分析。

2.1.2地質(zhì)曲面的插值與逼近

要從不連續(xù)的原始數(shù)據(jù)重建連續(xù)的地質(zhì)表面，可以選擇表面插值或近似擬合方法。表面插值是通過(guò)給定數(shù)據(jù)點(diǎn)剛性地構(gòu)造表面，不改變?cè)c(diǎn)的值。然而，在點(diǎn)源數(shù)據(jù)較少的情況下，其外推可靠性較差。與之類似，表面近似擬合是通過(guò)某些數(shù)學(xué)規(guī)則重建最大近似表面，這種方法會(huì)改變部分點(diǎn)的值以平滑表面。盡管表面近似方法不依賴于點(diǎn)數(shù)，但是難以達(dá)到比較高的精度標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，單獨(dú)采用這2種方法中的任一種是不合適的。

非均勻有理樣條也稱為貝茲樣條，可以用來(lái)產(chǎn)生和表示自由曲面和曲線。比較適合于復(fù)雜的三維地質(zhì)建模對(duì)象的曲面插值擬合。三維地質(zhì)建模過(guò)程是一個(gè)由點(diǎn)構(gòu)線、由線構(gòu)面、由面構(gòu)體的過(guò)程，NURBS插值法可以有效地實(shí)現(xiàn)NUBRS曲線與地質(zhì)空間的線元對(duì)象和面元對(duì)象的相互轉(zhuǎn)化。該插值法所需放置空間小，比較適合電腦計(jì)算，在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用簡(jiǎn)便，可以保證空間唯一和幾何不變。

以雙江口工程為例，水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)平面圖如圖2，對(duì)平面圖等高線進(jìn)行處理，提取地質(zhì)曲面的初始數(shù)據(jù)集合為D={ks, (s=0,1,2,…,m-1)},如圖3所示，其中分布均勻子集為D1={ki, (i=0,1,2,…,r)}，余下分布不均勻子集為D2={kj, (j=0,1,2,…,m-1-r)}。基于NURBS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)曲面插值-逼近擬合方法如下：子集D1采用插值思想蒙皮法(skinning)構(gòu)造曲面。設(shè)p為曲面控制點(diǎn)，其數(shù)學(xué)模型為：AX=B，式中：X∈Rp，為曲面控制頂點(diǎn)構(gòu)成的未知矢量；B∈Rp，為曲面集合D1及邊界條件構(gòu)成的已知矢量；A∈Rp×Rp，為系數(shù)矩陣；子集D2是基于NURBS方法，利用給定的精度和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用分段NURBS函數(shù)進(jìn)行逼近擬合獲得曲面S2[1,12,19]。合并曲面S1和曲面S2，得到完整的地質(zhì)擬合曲面S(圖4)。

2.1.3地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體模型

a.地表地形模型建立

地表地形是地質(zhì)建模中處理的基礎(chǔ)部分。地形地表模型的NURBS簡(jiǎn)化建模技術(shù)過(guò)程如下：等高線導(dǎo)入、生成TIN模型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、將TIN模型轉(zhuǎn)化成多邊形曲面、抽離控制點(diǎn)、擬合NURBS地形曲面、生成NURBS地形輪廓體。

圖1　三維地質(zhì)建模流程Fig.1　Three-dimensional geological modeling process

圖2　水電站工程地質(zhì)平面圖Fig.2　Geological plan of the Shuangjiangkou hydropower station

圖3　地質(zhì)曲面的控制點(diǎn)Fig.3　The control points of the geological surface

圖4　NURBS擬合曲面Fig.4　NURBS fitting surface

b.地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模

在NURBS技術(shù)的基礎(chǔ)上，并按照客觀地質(zhì)規(guī)律，把各類單個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)作為整體考慮，作為相應(yīng)的地質(zhì)單元。假設(shè)模型空間研究區(qū)域?yàn)棣竸t基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的整體地質(zhì)模型數(shù)學(xué)定義如下[1,12]

(1)

式中:MΩ為研究區(qū)域Ω的整體地質(zhì)模型；n為Ω中包含的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體總數(shù)；Mci為Ω中的第i個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體模型；Si1、Si2分別為構(gòu)成Mci的上、下(或左、右)主結(jié)構(gòu)面，它們由其層面上的點(diǎn)集Pi1、Pi2通過(guò)NURBS技術(shù)擬合構(gòu)造而成；?Sij為結(jié)構(gòu)曲面Sij上所有邊界頂點(diǎn)的集合；s表示運(yùn)用NURBS技術(shù)對(duì)點(diǎn)集進(jìn)行擬合的過(guò)程；Slik為連接Si1、Si2形成閉合實(shí)體Mci的第k個(gè)邊界面，它是由邊界頂點(diǎn)集合{vik}形成的簡(jiǎn)單NURBS曲面；s′表示對(duì)NURBS曲面進(jìn)行操作形成實(shí)體的過(guò)程；mi為第i個(gè)單元中連接邊界面的數(shù)目[1,12]。地層建模結(jié)果如圖5所示。

c.斷層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模

斷層類對(duì)象主要包括斷層、侵入體、深裂縫和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶4類地質(zhì)結(jié)構(gòu)，下面以斷層為主來(lái)說(shuō)明該類地質(zhì)對(duì)象的幾何建模理論與方法。

①單個(gè)斷層建模：對(duì)于單個(gè)孤立的斷層，根據(jù)初始地質(zhì)勘探得到的地質(zhì)剖面圖(圖6)，提取對(duì)應(yīng)斷層的空間位置信息。然后利用NURBS算法形成2個(gè)斷層面；利用2個(gè)斷層面的邊界線構(gòu)建4個(gè)邊界面；最后對(duì)6個(gè)曲面進(jìn)行縫合，圍限成一個(gè)完整的斷層體。斷層模型與底層模型的空間關(guān)系如圖7。

圖5　地層模型Fig.5　Stratigraphic model

②兩相交斷層建模：斷層會(huì)出現(xiàn)兩兩相交錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象(圖8)。對(duì)于位移較小的情況(圖8-A)，采用直接錯(cuò)斷法，把它們按照錯(cuò)動(dòng)方式直接連接成一個(gè)整體，利用NURBS技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建；最后利用F2通過(guò)布爾運(yùn)算，切割錯(cuò)斷F1(圖9)。對(duì)于位移比較大的情況(圖8-B)，采用分盤匹配法，把位于F3上升盤和下降盤的F4不連續(xù)兩部分分別進(jìn)行構(gòu)造建模。

圖6　地質(zhì)剖面圖Fig.6　Geological profile

圖7　地層與斷層的關(guān)系Fig.7　Relationship between formation and fault

圖8　兩相交斷層Fig.8　Intersection of two faults

圖9　小位移斷層相交Fig.9　Intersection of faults with small displacement

2.2　水電工程三維地質(zhì)可視化交互方法

在水電工程三維地質(zhì)可視化過(guò)程中，主要應(yīng)用以下技術(shù)方法。

2.2.1紋理映射技術(shù)

在工程地質(zhì)三維模型中地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的顏色渲染十分重要，不同地層巖性之間、地層與斷層的關(guān)系以及重要的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面可以通過(guò)顏色的差異來(lái)表現(xiàn)。在地質(zhì)建模時(shí)，更多地采用表面紋理(texture)對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行貼圖[1,20]。

通過(guò)對(duì)原表面上的法線方向附加擾動(dòng)函數(shù)，使原來(lái)法線方向變化方式變得劇烈而短促，于是在光照的作用下形成表面凹凸不平的顯示效果[20]。

紋理貼圖前后對(duì)比如圖10、圖11所示。

2.2.2碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是三維地質(zhì)可視化交互技術(shù)的重要部分。通過(guò)檢查觀察位置與物體的距離大小來(lái)判定是否發(fā)生了碰撞反應(yīng)。碰撞檢測(cè)技術(shù)可以用于限制用戶的活動(dòng)范圍，防止用戶穿越山體等，使用戶能夠自然地與場(chǎng)景進(jìn)行交互活動(dòng)。

圖10　紋理映射貼圖前Fig.10　Pre mapping of texture map

圖11　紋理映射貼圖后Fig.11　Post mapping of texture map

碰撞檢測(cè)的方法為包圍體法(bounding volumes, 簡(jiǎn)稱“BV”)，通過(guò)將物體用具有原物體mesh的碰撞體BV盒包圍起來(lái)，用物體的BV盒進(jìn)行檢測(cè)。如果2個(gè)物體相交，或者由攝像機(jī)位置發(fā)出的射線與物體BV盒相交，則代表發(fā)生了相交。

如圖12-A所示為地質(zhì)體幾何模型，圖12-B所示為地質(zhì)體碰撞包圍體，圖中由綠線包圍部分即為對(duì)應(yīng)的包圍盒，為mesh網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

圖12　地質(zhì)體包圍體Fig.12　The encircled geological volume

2.2.3射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)非常重要，當(dāng)需要進(jìn)行信息查詢，直接對(duì)模型進(jìn)行點(diǎn)擊時(shí)，它需要通過(guò)從攝像頭上發(fā)出的射線一直朝向物體。物體的拾取操作方面射線也有很好的應(yīng)用，其原理是從觸摸點(diǎn)發(fā)出射線與被拾取物體的包圍盒產(chǎn)生接觸，有碰撞接觸表示拾取操作成功[21]。

射線碰撞的原理是一個(gè)物體在一定的場(chǎng)景中從局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)。如圖13所示，射線發(fā)射后，中間方塊即物體的碰撞盒，碰撞是否發(fā)生可通過(guò)射線與碰撞盒相交值的大小進(jìn)行判斷，效果如圖14所示。

圖13　射線投影原理Fig.13　Principle of ray projection

射線與碰撞體發(fā)生碰撞后的判定效果如圖15所示，射線檢測(cè)部分算法如表1所示。

圖14　射線沒(méi)有與碰撞盒碰撞Fig.14　The rays without collision with the collision box

表1　射線檢測(cè)算法Table 1　Ray detection algorithm

圖15　射線與碰撞盒碰撞Fig.15　The rays collided with the collision box

2.3　地質(zhì)空間分析技術(shù)

2.3.1三維地質(zhì)鉆孔信息查詢

a.地質(zhì)鉆孔概述

在地質(zhì)勘查的工作中，鉆孔是利用鉆探設(shè)備向地下鉆成直徑較小，但深度較大的柱狀圓孔，又叫鉆井。在不同的領(lǐng)域中，鉆孔的深度和直徑各不相同，這里不詳細(xì)討論。

而在水利水電工程中，地質(zhì)普查鉆井或水文地質(zhì)鉆井，包括隧洞輔助鉆孔都屬于十分常見(jiàn)的類型，在工程建設(shè)蓬勃發(fā)展的今天，各個(gè)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)都需要工程地質(zhì)、水文資料等進(jìn)行輔助。而地質(zhì)鉆孔的重要性不言而喻。

b.三維地質(zhì)鉆孔信息模型構(gòu)建與查詢

在傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆孔信息模型處理中，絕大部分對(duì)地質(zhì)鉆孔信息的展示方式均采用地質(zhì)鉆孔柱狀圖模型。作為二維的地質(zhì)信息柱狀圖，過(guò)去的地質(zhì)鉆孔信息模型有著天然的劣勢(shì)，如和其他地質(zhì)信息聯(lián)系不夠緊密，無(wú)法同時(shí)觀察鉆孔和其他地層、斷層等地質(zhì)體的關(guān)系。其次，二維的地質(zhì)信息圖也無(wú)法從三維的角度，全面立體展示鉆孔信息的全部，往往只是抽取中間截面進(jìn)行呈現(xiàn)。

對(duì)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行三維建模的構(gòu)建，并把對(duì)地質(zhì)鉆孔模型進(jìn)行的操作動(dòng)態(tài)連接到信息庫(kù)，對(duì)三維地質(zhì)建模有非常大的好處。通過(guò)對(duì)地質(zhì)鉆孔的查詢，能準(zhǔn)確獲得鉆孔位置的地層種類、地層厚度、地層角度等等。

具體的地質(zhì)鉆孔信息模型的構(gòu)建方法與前文地質(zhì)信息模型的構(gòu)建方法類似，只不過(guò)處理的相關(guān)信息是地質(zhì)鉆孔信息。

2.3.2三維地質(zhì)關(guān)系空間分析

地質(zhì)實(shí)體之間具有多樣而又復(fù)雜不同的關(guān)系。地質(zhì)關(guān)系的不同，不僅體現(xiàn)了地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，而且還代表了一定的地質(zhì)構(gòu)造類型。因此地質(zhì)關(guān)系分析就是地質(zhì)人員進(jìn)行復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)，進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解析和地學(xué)建模的基礎(chǔ)和前提。在不同地質(zhì)對(duì)象時(shí)空關(guān)系判別的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)關(guān)系的解析識(shí)別與推斷具有重要意義。

a.地質(zhì)關(guān)系

地質(zhì)關(guān)系主要表現(xiàn)為地層間的接觸關(guān)系、穿切關(guān)系以及不同地質(zhì)構(gòu)造及其構(gòu)造要素之間的組合和包含關(guān)系。

①地層接觸關(guān)系：主要有6種，分別是整合接觸、假整合接觸、角度不整合接觸、侵入接觸、侵入體的沉積接觸、斷層接觸[1]。

②地層穿切關(guān)系：就入侵巖層和圍巖的關(guān)系來(lái)說(shuō)，總是入侵巖層的年代新，而被入侵的巖層年代老，這就是所謂的切割率。這一原理可以用來(lái)確定有交切關(guān)系的任何2個(gè)地質(zhì)體或者地質(zhì)界面的新老關(guān)系。即所謂的切割者新，被切割者老，包圍者新，被包圍者老。比如在侵入巖之中的捕擄體，形成年代一定比侵入巖體老。在礫巖中的礫石一定比礫巖形成的年代早。

③地質(zhì)構(gòu)造及其要素的組合包含關(guān)系：主要表現(xiàn)為不同層次(構(gòu)造組合層次、構(gòu)造層次、構(gòu)造要素層次)、不同維度、不同類型地質(zhì)實(shí)體間時(shí)空關(guān)系的語(yǔ)義抽象。

b.地質(zhì)關(guān)系推斷分析

在本文系統(tǒng)的架構(gòu)中，可以通過(guò)顯示對(duì)應(yīng)地層與其他地層的接觸關(guān)系，斷層與其他地層之間的穿切關(guān)系，還有其他地質(zhì)構(gòu)造的組合包含關(guān)系等。對(duì)顯示信息的分析，是進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。

2.3.3三維地質(zhì)實(shí)時(shí)剖切分析

a.實(shí)時(shí)剖切思路

實(shí)時(shí)剖切是指對(duì)一體化模型(包括建筑、管線、地層、隧道等目標(biāo))進(jìn)行任意的裁切。實(shí)時(shí)剖切旨在顯示出切片模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和屬性信息，地層信息、管線分布、隧道方位等。

實(shí)時(shí)剖切的基本思路是：首先根據(jù)切面覆蓋范圍來(lái)迅速獲取場(chǎng)景中需要參與運(yùn)算的對(duì)象；然后根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，將不同的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換、歸類從而進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理出新的模型；最后以新模型展示最終結(jié)果，并可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行屬性查詢。實(shí)時(shí)剖切的關(guān)鍵技術(shù)是：對(duì)象檢索技術(shù)、快速交集運(yùn)算技術(shù)以及三維不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)。

b.實(shí)時(shí)剖切核心算法流程

①確定切面方向(x,y,z)。

②選取場(chǎng)景中與剖切面相交的作為預(yù)設(shè)參與分析的對(duì)象集合。

③輸入剖切位置信息Z。

④提取分析對(duì)象的mesh數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并遍歷其中的每個(gè)地質(zhì)體對(duì)象。

⑤每個(gè)地質(zhì)體的mesh數(shù)據(jù)中的三角網(wǎng)，對(duì)其進(jìn)行是否被剖切進(jìn)行判斷。

⑥對(duì)被剖切的三角網(wǎng)進(jìn)行處理，切割生成對(duì)應(yīng)位置新的側(cè)面三角網(wǎng)，并生成新頂點(diǎn)處頂面三角網(wǎng)。

⑦合并所有三角網(wǎng)，組合得到新的mesh地質(zhì)體。

c.實(shí)時(shí)剖分算法如表2所示。

表2　實(shí)時(shí)剖切算法Table 2　Real-time cut off algorithm

3　工程應(yīng)用

采用上述建模方法和可視化交互分析，研發(fā)了雙江口水電站壩區(qū)地質(zhì)可視化分析系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖16所示。

基于本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)的多角度自由漫步觀察，圖17為不同角度地質(zhì)場(chǎng)景。通過(guò)不同視角漫步分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程地質(zhì)整體狀態(tài)的交互式分析。針對(duì)不同地質(zhì)對(duì)象，通過(guò)交互式查詢，可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層、巖層的交互式分析，如圖18、圖19所示。通過(guò)對(duì)不同地質(zhì)對(duì)象的交互式分析，可實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)空間關(guān)系的分析與地層信息查詢。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同斷面、不同位置地質(zhì)條件的有效分析，通過(guò)設(shè)置虛擬剖面及虛擬鉆孔，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)任意斷面剖切分析，圖20為不同剖面情況下雙江口地質(zhì)模型，圖21為虛擬鉆孔查詢界面，從而可以實(shí)時(shí)獲取地層種類、地層厚度、地層產(chǎn)狀等信息。

圖16　系統(tǒng)界面Fig.16　The system interface

圖17　不同角度地質(zhì)場(chǎng)景Fig.17　Geological scenes at different perspectives

通過(guò)以上分析表明，本系統(tǒng)為地質(zhì)分析及地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了有效的分析手段，同時(shí)有效提高了工程勘探、設(shè)計(jì)與施工的信息化管理水平和效率[1]。

圖18　斷層查詢界面Fig.18　Querying interface for fault

圖19　地層查詢界面Fig.19　Querying interface for stratum

圖20　任意斷面實(shí)時(shí)剖切Fig.20　Real-time cutting of arbitrary cross section

圖21　鉆孔查詢界面Fig.21　Querying interface for drilling bole

4　結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前工程地質(zhì)分析大都停留在三維地質(zhì)建模階段，而較少實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)可視化交互分析的現(xiàn)狀，介紹了雙江口水電工程三維地質(zhì)建模與可視化方法與交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙江口水電工程地質(zhì)三維建?？梢暬故疽约叭S地質(zhì)鉆孔查詢、三維空間關(guān)系分析、任意斷面的實(shí)時(shí)剖切等三維地質(zhì)模型可視化交互分析，可作為地質(zhì)分析與預(yù)報(bào)的有效方法，同時(shí)有利于施工技術(shù)人員工作效率的提高，促進(jìn)工程勘察、設(shè)計(jì)和施工等環(huán)節(jié)的信息化管理水準(zhǔn)的提升，為類似工程提供參考。

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