三維地層信息系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)的主要功能

夏艷華

三維地層信息系統(tǒng)三維地層模型所采用的數(shù)據(jù)模型為基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型特點(diǎn)是：其為體元數(shù)據(jù)模型，在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規(guī)則性和拓?fù)湟?guī)則性。因此，該數(shù)據(jù)模型具有體元數(shù)據(jù)模型以及幾何規(guī)則與拓?fù)湟?guī)則數(shù)據(jù)模型優(yōu)點(diǎn)的同時，不可避免地繼承了這些數(shù)據(jù)模型的缺點(diǎn)和不足，不足之處具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

⒈ 難以表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象

三維地層信息系統(tǒng)地層數(shù)據(jù)模型能方便、有效地表達(dá)空間連續(xù)無間斷的簡單地層，但是，對于復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，如地層尖滅、透鏡體、礦體、斷層等，該數(shù)據(jù)模型則難以準(zhǔn)確有效地表達(dá)其邊界，而且在表達(dá)復(fù)雜形狀的礦體和斷層時常常會失效。由于該數(shù)據(jù)模型人為地將地質(zhì)體分為上、下兩個界面，因而無法表達(dá)形狀復(fù)雜，不能將其邊界面人為分割為上下界面的礦體。同樣，在斷層的表達(dá)上，由于體數(shù)據(jù)模型不能描述二維曲面，因此，當(dāng)斷層存在自由面，即斷層面或斷層面某部分不是任何一個體的邊界面時，該數(shù)據(jù)模型表達(dá)失效。

2.工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫的建立與資料的查詢檢索

鉆孔信息數(shù)據(jù)庫是建立地層模型的主要數(shù)據(jù)源，它包括三個表：鉆孔信息表、地層巖性信息表、地層巖性物理力學(xué)參數(shù)表。

該模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢，包括關(guān)鍵字查詢和模糊查詢。該模塊提供了數(shù)據(jù)庫的輸入模塊，用于對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，可以方便的對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增加、追加、插入、刪除等數(shù)據(jù)庫維護(hù)操作。

2.1地層分層分析處理與網(wǎng)格生成

利用鉆孔及地質(zhì)剖面圖（虛擬鉆孔）等資料建立的地層間邏輯關(guān)系并將地層數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分析處理，采用式（2-1）所示曲面函數(shù)進(jìn)行地層面網(wǎng)格插值，形成多層DEM地層界面，最后通過交叉判斷生成復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)的計算機(jī)幾何網(wǎng)格模型。

2.2地層立體模型的顯示與分析

在三維地層模型中，地層面是由鉆孔數(shù)據(jù)插值擬合而成，其上下對應(yīng)的不同層之間則是由規(guī)則格網(wǎng)分解而成的三角網(wǎng)，由于它們在水平面上的投影是相同的，因此，上下對應(yīng)的三角形和豎直方向上互相平行的三條棱構(gòu)成了三棱柱結(jié)構(gòu)。由于地層模型是以三棱柱為基本體元，為了能在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上對地層模型的“切割”或“挖掘”進(jìn)行表達(dá)，要求基本體元能夠進(jìn)行分解，且分解后仍由基本體元構(gòu)成，以形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一致性。其中，三棱柱體元的分割一共存在5種不同的構(gòu)形。這5種切割組成了對三棱柱的基本切割方式，而且能保持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)對稱性和旋轉(zhuǎn)對稱性。在切割時，規(guī)定每條邊與切割面最多只能有一個交點(diǎn)，這樣將三棱柱體元一分為二，并形成兩個多面體，這兩個多面體若不是基本體元，還可以再次進(jìn)行剖分，以形成一個或多個三棱柱體。

利用建立的工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫與生成的地層結(jié)構(gòu)計算機(jī)幾何網(wǎng)格模型形成立體的地層模型并顯示于屏幕，可以從各個角度直觀地了解地下土層、巖層情況。軟件提供地層模型的轉(zhuǎn)動、縮放、切割任意剖面的功能以及制作三維模型圖、二維剖面圖等圖形。可以讓使用者方便地得到指定地層的具體信息。

3.巖土工程評估分析

在3DSIS與數(shù)值模擬集成研究方面，王純祥博士與王明華博士以基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別對三維地層信息系統(tǒng)與有限元集成以及三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成進(jìn)行了研究。前者提出了基于關(guān)鍵點(diǎn)搜索技術(shù)集成三維地層信息系統(tǒng)與有限元分析的L-W模型，其基本思路是：通過搜索關(guān)鍵點(diǎn)，即三棱柱體元的邊界點(diǎn)得到各地層實(shí)體的表面，再對所得表面所圍成的地層實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格剖分形成有限元模型;后者通過對三維地層模型網(wǎng)格幾何形狀及空間關(guān)系的概括，將三維地層網(wǎng)格（三棱柱體元）轉(zhuǎn)換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實(shí)現(xiàn)三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成。

難以模擬巖土工程活動。三維地層信息系統(tǒng)對諸如地下開挖、地下人工建筑等巖土工程活動進(jìn)行了深入的研究。為了表達(dá)對地層模型的“切割”或“挖掘”，系統(tǒng)將三棱柱體元的分割歸結(jié)為5種基本切割方式。盡管如此，系統(tǒng)在表達(dá)對地層模型的“切割”或“挖掘”方面仍存在如下困難：①地層在開挖、回填以及地下構(gòu)筑物修建等施工過程中，其空間交切關(guān)系極其復(fù)雜，有可能出現(xiàn)開挖面或構(gòu)筑物侵入三棱柱體元面內(nèi)或體內(nèi)的情形，這些情形不能歸結(jié)為棱柱體元的基本切割方式之一，而且這些情形具有不確定解，難以進(jìn)行有效的歸類，這勢必影響系統(tǒng)對地層模型“切割”或“挖掘”表達(dá)的完整性和健壯性。②地層模型在開挖、回填以及地下構(gòu)筑物修建等巖土工程活動中，必然引入新的地質(zhì)界面（如開挖面等），這些新的地質(zhì)界面破壞了地層上、下界面規(guī)則格網(wǎng)DEM網(wǎng)格點(diǎn)的一一對應(yīng)關(guān)系，使得地層模型空間拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜化而難以表達(dá)。③模擬達(dá)到一定精度的地質(zhì)體往往需要大量三棱柱體元，這使得“切割”或“挖掘”過程及其緩慢。

⒋模擬達(dá)到一定精度的地質(zhì)體往往需要大量三棱柱體元，這不僅占用大量計算機(jī)內(nèi)存，同時也無法實(shí)現(xiàn)三維地層的實(shí)時繪制

三維地層信息系統(tǒng)地層模型所采用的數(shù)據(jù)模型為基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規(guī)則性和拓?fù)湟?guī)則性。這種數(shù)據(jù)模型在表達(dá)地層的局部細(xì)節(jié)上存在困難，當(dāng)?shù)貙幽骋唤缑婢植科鸱鼊×視r，為了較為精確地表達(dá)該局部細(xì)節(jié)，地層模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)將成倍的增加，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，無法實(shí)現(xiàn)三維地層的實(shí)時繪制，交互式操作困難。

⒌ 模型網(wǎng)格形式很難滿足數(shù)值模擬網(wǎng)格要求，而且其相互轉(zhuǎn)換困難

三維地層信息系統(tǒng)網(wǎng)格多為細(xì)長的三棱柱網(wǎng)格，不滿足數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分的原則。盡管王純祥博士提出了通過搜索三棱柱體元的邊界點(diǎn)得到各地層實(shí)體的表面，再對所得表面所圍成的地層實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格剖分形成有限元模型從而實(shí)現(xiàn)與有限元的集成，但是三維地層信息系統(tǒng)地層數(shù)據(jù)模型難以準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)體的邊界，而且“切割”或“挖掘”常常產(chǎn)生“變態(tài)”單元，這使得網(wǎng)格剖分常常無法成功;王明華博士通過對三維地層模型網(wǎng)格幾何形狀及空間關(guān)系的概括，將三維地層網(wǎng)格（三棱柱體元）轉(zhuǎn)換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實(shí)現(xiàn)了三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成，但是這種處理方法無法消除細(xì)長的三棱柱單元，而且在復(fù)雜地質(zhì)體邊界處以及切割”或“挖掘”面處常常生成“變態(tài)”FLAC3D初始單元。