基于EVS的三維地質(zhì)建模研究

陳 兵 朱泳標(biāo) 張 燕

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2. 成都理工大學(xué)， 成都 610059)

BIM技術(shù)具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性、模擬性等特點(diǎn)，在地質(zhì)行業(yè)逐步得到了推廣和應(yīng)用。三維地質(zhì)模型是地質(zhì)BIM技術(shù)應(yīng)用的核心，同路基、橋梁、隧道、站場(chǎng)等專業(yè)的計(jì)算模型建模相比，具有地層分界面不規(guī)則、地質(zhì)認(rèn)識(shí)的多解性、地質(zhì)數(shù)據(jù)多樣性、約束條件多等特點(diǎn)。在建模過(guò)程中，需考慮地質(zhì)體平面出露界線與地質(zhì)剖面界線的空間耦合性、地質(zhì)成因上的合理性等條件。因此，選擇適合的地質(zhì)建模平臺(tái)極為重要，既能表達(dá)地質(zhì)對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)及屬性信息，還需具備融合多源數(shù)據(jù)及地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)更新的能力。

EVS(Earth Volumetric Studio)建模系統(tǒng)是應(yīng)用于地球科學(xué)領(lǐng)域的3D建模軟件[1]，此軟件基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用拖拽式功能模塊，靈活定制工作流，具有數(shù)據(jù)可視化及模型動(dòng)態(tài)更新的特點(diǎn)，能較好地滿足地質(zhì)建模的需求。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的推廣，EVS地質(zhì)建模平臺(tái)在越來(lái)越多的項(xiàng)目中得到運(yùn)用，本文通過(guò)對(duì)EVS地質(zhì)建模平臺(tái)的建模理論介紹及應(yīng)用方法總結(jié)，為使用EVS地質(zhì)建模平臺(tái)的地質(zhì)技術(shù)人員提供參考。

1 EVS建模理論

EVS地質(zhì)建模平臺(tái)提供了多種空間插值方法和網(wǎng)格類型，根據(jù)選定的插值方法和網(wǎng)格類型可實(shí)現(xiàn)仿真三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)建模、分析及可視化，并可基于仿真三維地質(zhì)模型制作動(dòng)畫展示。

1.1 插值方法

地質(zhì)模擬中所用的數(shù)據(jù)主要為空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)插值法是常用的插值處理方法之一[2]，用于估計(jì)網(wǎng)格中與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)不重合的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。EVS主要提供了以下七種空間插值方法：克里金(Kriging)法[3]、自然鄰點(diǎn)(Natural Neighbors)法、最近鄰點(diǎn) (Nearest Neighbor) 法[4]、樣條(Spline)法[5]、謝別德(Shepard)法、改進(jìn)謝別德(Franke/Nielson)法[6]、徑向基函數(shù)(FastRBF)法[7]，根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)分布特征采用不同的空間插值方法。

1.2 網(wǎng)格類型

EVS地質(zhì)建模平臺(tái)支持矩形線性網(wǎng)格、有限差分網(wǎng)格、凸包網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格等多種網(wǎng)格類型。

1.2.1矩形線性網(wǎng)格

矩形網(wǎng)格是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)格類型之一，網(wǎng)格坐標(biāo)軸平行于坐標(biāo)系坐標(biāo)軸，單元格大小和方向均為固定設(shè)置，通過(guò)網(wǎng)格的坐標(biāo)范圍即可計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的位置，網(wǎng)格的連接性直接可以用隱式表示。矩形線性網(wǎng)格易于創(chuàng)建且具有二維平面單元和三維體積單元的均勻性，如圖1所示。

圖1 矩形線性網(wǎng)格圖

1.2.2有限差分網(wǎng)格

矩形線性網(wǎng)格由于每個(gè)網(wǎng)格的大小和方向都是固定的，在進(jìn)行某些數(shù)據(jù)插值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量外插沒(méi)有意義的區(qū)域，增加插值計(jì)算時(shí)間，這種不足在鐵路、公路等線狀工程建模中尤其突出。而有限差分網(wǎng)格可以調(diào)整網(wǎng)格間距，在保證網(wǎng)格方向一致的情況下可對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 有限差分網(wǎng)格圖

1.2.3凸包網(wǎng)格

相對(duì)于矩形線性網(wǎng)格和有限差分網(wǎng)格，凸包網(wǎng)格并不規(guī)整，每個(gè)單元都可以是不一樣的大小和方向，二維空間中一組點(diǎn)的凸包即為包含該集合的最小凸區(qū)域。使用凸包網(wǎng)格的模型所有點(diǎn)均可內(nèi)插。其最大優(yōu)勢(shì)在于可以保證整個(gè)模型的每個(gè)地方都是內(nèi)插，如 圖3所示。

圖3 凸包網(wǎng)格圖

圖4 自適應(yīng)網(wǎng)格圖

1.2.4自適應(yīng)網(wǎng)格

當(dāng)需要把每個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)或者鉆孔都放在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上時(shí)，上述3種網(wǎng)格類型都很難做到。而自適應(yīng)網(wǎng)格可以在保證計(jì)算效率的基礎(chǔ)上，又可滿足所有原始數(shù)據(jù)點(diǎn)落在節(jié)點(diǎn)上。自適應(yīng)網(wǎng)格如圖4所示。從圖4可以看出，在原始數(shù)據(jù)點(diǎn)處增加了1個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型對(duì)該節(jié)點(diǎn)所在的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分。

2 EVS數(shù)據(jù)類型

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)

地質(zhì)數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)特征，很難用一種統(tǒng)一的格式進(jìn)行描述。在EVS平臺(tái)下，可采用兩種方法去描述地層信息：一種是包含鉆孔數(shù)據(jù)的鉆孔地層信息，數(shù)據(jù)文件格式為PGF；一種是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了地質(zhì)解釋的層序地層信息，數(shù)據(jù)文件格式為GEO或GMF。

(1)PGF文件

PGF文件可利用EVS的PGF制作工具，將鉆孔編錄信息轉(zhuǎn)換成PGF格式，每個(gè)部分代表單個(gè)鉆孔的巖性。其格式如下：

Elevation "1|Silty Sand" "2|Clay" "3|Gravel" m

162

630438.60 4272028.71 31.95 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 22.46 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 21.57 2 CSB-1

630438.60 4272028.71 -0.70 3 CSB-1

……………

第一行數(shù)據(jù)依次定義了分層位置(采用高程或深度模式)、巖性序號(hào)、巖性定名和單位；第二行為數(shù)據(jù)區(qū)行數(shù)；第三行及以后為數(shù)據(jù)區(qū)，包含鉆孔東坐標(biāo)、鉆孔北坐標(biāo)、巖性分層高程或深度、巖性序號(hào)和鉆孔編號(hào)。若第一行定義為深度模式，須在數(shù)據(jù)區(qū)鉆孔編號(hào)后增加鉆孔高程數(shù)據(jù)。

(2)GEO文件

GEO文件以PGF文件為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用make_geo_hierarchy模塊通過(guò)人機(jī)交互的方式創(chuàng)建而成。GEO文件包含一系列對(duì)垂直鉆孔分層巖性及分層位置進(jìn)行空間插值運(yùn)算取得的透鏡體和傾斜地層的地層巖性和位置數(shù)據(jù)。其格式如下：

X Y Top Bot_0 Bot_1 Bot_2 Bot_3 Bore

Elevation "Silty Sand" "Silty Sand" "Clay" "Gravel" m

45 4 1 1 2 3

630438 4272028 31.9 22.4 21.5 -0.7 "CSB-1"

630874 4271975 30.7 21.6 11.8 -0.7 "CSB-10"

630875 4272007 30.4 21.1 13.2 -0.7 "CSB-11"

………………

第一行數(shù)據(jù)依次定義東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、第一層頂面名稱、第一層底面名稱、第二層底面名稱、鉆孔編號(hào)；第二行數(shù)據(jù)定義了分層位置為高程或深度模式及各分層面巖性定名；第三行數(shù)據(jù)依次描述了數(shù)據(jù)行數(shù)、巖性分界面?zhèn)€數(shù)、各分界面序號(hào)；第四行以后為各鉆孔在對(duì)應(yīng)巖層面上的點(diǎn)數(shù)據(jù)描述，若分層數(shù)據(jù)缺失，用pinch表示。

(3)GMF文件

GMF文件以PGF文件或GEO文件為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作而成，包含一系列用于定義地層各分層點(diǎn)的數(shù)據(jù)。GMF文件不限于垂直鉆孔，每一層都可有任意數(shù)量的坐標(biāo)點(diǎn)，需要采用插值算法來(lái)處理透鏡體和傾斜地層。其格式如下：

units m

surface 0 Top

11086.5 12830.7 4.5

11199.0 12810.2 4

…………………

第一行定義數(shù)據(jù)單位；第二行定義層面序號(hào)及名稱；第三行以后為數(shù)據(jù)區(qū)，包含東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程。

2.2 屬性數(shù)據(jù)

在地質(zhì)數(shù)據(jù)中，除巖性數(shù)據(jù)、構(gòu)造數(shù)據(jù)外，還有密度、孔隙度、電導(dǎo)率、重力、溫度、地震、電阻等物探數(shù)據(jù)，污染物濃度、鹽度、浮游生物密度等環(huán)境數(shù)據(jù)，以及如地下水位的變化、地形變化等帶有時(shí)間效應(yīng)的數(shù)據(jù)。針對(duì)這些屬性數(shù)據(jù)可以選用合適的插值方法進(jìn)行三維屬性建模。EVS中采用兩種不同的 ASCII數(shù)據(jù)格式來(lái)表示屬性數(shù)據(jù)，具體格式如下：

(1)APDV：一種空間點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，表示在某一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的分析數(shù)據(jù)。其格式如下：

XYELEV@@1-DCA 1-DCE TCE VC SITE_ID

Elevation m

50 4 mg/kg ug/kg ug/kg mg/kg

12008 12431 22.9 22 ND 500 <0.01 CSB-39

12008 12431 18.9 <0.01 <0.01 2800 <0.01 CSB-39

12008 12431 13.4 <0.01 <0.01 290 <0.01 CSB-39

………………

第一行數(shù)據(jù)依次定義東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程 、數(shù)據(jù)項(xiàng)1、數(shù)據(jù)項(xiàng)2、……、點(diǎn)編號(hào)；第二行定義分層位置高程模式及單位；第三行依次定義數(shù)據(jù)區(qū)行數(shù)、數(shù)據(jù)項(xiàng)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)項(xiàng)單位；第四行以后為數(shù)據(jù)區(qū)，若分析數(shù)據(jù)未檢出，用“ND”表示。

(2)AIDV：一種空間區(qū)間數(shù)據(jù)格式，表示在某一段高程(深度)范圍內(nèi)測(cè)量的分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)格式與APDV格式數(shù)據(jù)類似，區(qū)別在于把某一點(diǎn)的高程用某一段的起始高程來(lái)表示。

3 EVS建模方法

EVS內(nèi)置上百個(gè)功能模塊，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行模塊組合，靈活定制工作流，實(shí)現(xiàn)各種功能。地質(zhì)實(shí)體的幾何形態(tài)建模是建立地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，為構(gòu)造建模。地質(zhì)實(shí)體內(nèi)部屬性參數(shù)的建模是建立地質(zhì)體內(nèi)部物理、化學(xué)屬性參數(shù)模型，為屬性建模[8]。

3.1 構(gòu)造建模

EVS主要有地層建模和巖性建模兩種基本方法，在建模時(shí)這兩種方法可以相互套用，進(jìn)行混合建模，也可加入地質(zhì)剖面作為建模約束條件，進(jìn)行剖面建模，以滿足實(shí)際需求。

圖5 地層建模流程圖

3.1.1地層建模

地層建模適用于地層層序比較清晰、地層新老關(guān)系比較明確、鉆孔分層相對(duì)簡(jiǎn)單的情況，根據(jù)地質(zhì)平剖面界線以及鉆孔分層數(shù)據(jù)建立地層分界面，用地層分界面模擬出地質(zhì)體，地層建模流程如圖5所示。該方法在人機(jī)交互層面劃分過(guò)程中結(jié)合了地質(zhì)人員的認(rèn)識(shí)，優(yōu)點(diǎn)是建模過(guò)程中插值速度快，缺點(diǎn)是對(duì)于透鏡體分布較多及溶洞、采空區(qū)等多Z值地質(zhì)體的表達(dá)能力差。

3.1.2巖性建模

巖性建模適用于地層無(wú)新老關(guān)系、鉆孔分層復(fù)雜、層序不能一目了然或存在不規(guī)則巖體、脈體、巖溶、采空區(qū)等多Z值地質(zhì)體的情況，采用克里金法和隨機(jī)模擬法等統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)已知巖性的分布位置，計(jì)算出各種巖性在空間上的分布概率，其本質(zhì)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)值模擬，巖性建模流程如圖6所示。該方法優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)程序化工作，無(wú)需人工干預(yù)，缺點(diǎn)是數(shù)值模擬結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)與地質(zhì)認(rèn)識(shí)不符的情況。

圖6 巖性建模流程圖

3.1.3混合建模

多數(shù)地質(zhì)條件表現(xiàn)為無(wú)序分布，這種情況下就需要先進(jìn)行主層的地層建模，再進(jìn)行亞層的巖性建模，最終建立區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)模型，如圖7所示。

3.1.4剖面建模

在鉆孔比較少的地質(zhì)區(qū)域，需添加輔助剖面，可把輔助剖面作為建模的層位約束條件，其建模流程如圖8所示。

3.2 屬性建模

地質(zhì)建模除表達(dá)地層巖性分布特征外，還需進(jìn)一步根據(jù)區(qū)域內(nèi)電阻率、溫度、地應(yīng)力等屬性數(shù)據(jù)建立三維屬性模型。EVS根據(jù)屬性數(shù)據(jù)文件，利用krig_3d模塊選用相應(yīng)的插值方法對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行插值建立三維屬性模型，如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

EVS是一個(gè)可進(jìn)行仿真三維地質(zhì)建模的平臺(tái)，結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)分布特征， 選用合適的空間插值方法及網(wǎng)格類型，根據(jù)不同地質(zhì)條件選用相應(yīng)的建模方法及流程進(jìn)行地質(zhì)建模，可真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性的變化規(guī)律，以及查看地質(zhì)體模型內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及屬性的分布，對(duì)于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞等特殊地質(zhì)體也有很好的處理能力。

圖7 混合建模流程圖

圖8 剖面建模流程圖

EVS可與ArcGIS、Revit、Civil 3D等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而建立地上、地下一體化實(shí)景模型，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型對(duì)不同來(lái)源、不同維度、不同類型、不同精度的地質(zhì)數(shù)據(jù)的無(wú)縫整合與同化，這也是大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)地質(zhì)勘探信息處理的必然要求[9-10]。EVS目前在鉆孔數(shù)據(jù)、平面地質(zhì)界線、剖面數(shù)據(jù)等多條件約束下的建模過(guò)程智能化等方面尚存不足之處，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

圖9 屬性建模流程圖