洪澤湖北部黃泛區(qū)三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

徐 徠，夏 睿，姜 峰，吳千豐，許長(zhǎng)青

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000； 2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800)

三維地質(zhì)建模系統(tǒng)因具有顯示完整、操作簡(jiǎn)便和分析透徹等優(yōu)點(diǎn)，在“數(shù)字城市”、礦產(chǎn)開(kāi)采、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、區(qū)域穩(wěn)定評(píng)價(jià)和規(guī)劃設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-5]。該系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境下，采用合理的數(shù)據(jù)形式，綜合運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論、3S集成技術(shù)和地學(xué)多尺度信息架構(gòu)，將地學(xué)統(tǒng)計(jì)信息、空間信息管理、空間分析及預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)解譯、實(shí)體內(nèi)容分析及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)，建立三維地質(zhì)模型，從而研究其幾何特征和物化屬性的系統(tǒng)[6-10]?！叭S地質(zhì)建?！钡母拍钍紫扔杉幽么髮W(xué)者Holding S.W.提出[7]。隨后，劉少華等[8-10]對(duì)該概念和建模方法進(jìn)行了豐富與擴(kuò)展，并提出了鉆孔建模[11-13]、剖面建模[14-15]、多元交互建模[16]方法，發(fā)明了諸如MapGIS K10、DataMine studio、RockWare[17]、Surpac vision[18]、GeoStation[19]、3Dmine等數(shù)值建模軟件，使三維地質(zhì)建模技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但工程勘察信息化是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，它需要多源地學(xué)信息(鉆孔數(shù)據(jù)、地球物理勘察數(shù)據(jù)、原位測(cè)試數(shù)據(jù)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，設(shè)計(jì)出合適的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而建立起工程地質(zhì)信息三維可視化模型。

上述建模方法盡管在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)模型剖面繪制問(wèn)題，但礙于軟件算法限制，不能快速、高效地獲取基礎(chǔ)地質(zhì)信息，從而在一定程度上阻礙了工程選線、決策及工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于Access數(shù)據(jù)庫(kù)操作和GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)組建了地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)和三維地質(zhì)建模系統(tǒng)?？梢暂^好地完成三維模型剖面分析和三維空間分析。

1 三維地質(zhì)建模及可視化

相對(duì)于傳統(tǒng)的二維和“假”三維模型來(lái)說(shuō)，三維地質(zhì)模型可以更清晰、直觀、完整地描繪出模型中的地質(zhì)現(xiàn)象，準(zhǔn)確快速地再現(xiàn)各地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間展布及相互位置關(guān)系，從而得出更多相關(guān)地質(zhì)可視化信息。

1.1 三維地質(zhì)建模多源數(shù)據(jù)類(lèi)型

多源地學(xué)數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)、地化數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地勘數(shù)據(jù)、原位測(cè)試數(shù)據(jù)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)資料因?yàn)榫哂胁煌烤V、不同維度、不同類(lèi)別、不同時(shí)態(tài)和不同尺度等特點(diǎn)，因而需要對(duì)它們采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，設(shè)計(jì)合適的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并制定地質(zhì)圖件的預(yù)處理以及地質(zhì)信息存儲(chǔ)的規(guī)則。

1.2 三維地質(zhì)建模及可視化流程

三維地質(zhì)建模一般而言，首先，需要從所得的多源地學(xué)數(shù)據(jù)出發(fā)，化解結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)同時(shí)存在的現(xiàn)象，重點(diǎn)考慮非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和效率問(wèn)題。其次，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立出三維結(jié)構(gòu)模型和三維屬性模型。前者是通過(guò)地質(zhì)解譯，得描述基本地層和構(gòu)造特征的構(gòu)造模型；后者則是使用各種預(yù)測(cè)分析法來(lái)建立描述地學(xué)參數(shù)空間起伏狀態(tài)的模型。在建立模型過(guò)程中，后者可以對(duì)前者進(jìn)行控制和約束，共同開(kāi)展空間分析應(yīng)用。

其可視化則表現(xiàn)在生成地質(zhì)模型中，采用多種算法來(lái)生成模型的幾何形狀，使圖形成為具有顏色、材質(zhì)、紋理和漸變色所表達(dá)的具有地層、結(jié)構(gòu)面和分界面的三維地質(zhì)實(shí)體，并具有良好的視覺(jué)效果。從中可以清晰展示出模型所表現(xiàn)出的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)形態(tài)和變化規(guī)律。此外，在構(gòu)建模型過(guò)程中，還添加了放大、縮小、恢復(fù)、旋轉(zhuǎn)等基本功能模塊。三維地質(zhì)建模及可視化流程如圖1所示。

圖1 三維建模與可視化流程Fig.1 3D modeling and visualization process

2 基于GIS的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)搭建

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

作為三維地質(zhì)建模的對(duì)象，不同地質(zhì)現(xiàn)象和人為工程(如邊坡、礦體、大壩和地下工程等)可以在GIS中采用3D面狀模型和3D線狀模型進(jìn)行靜態(tài)拓?fù)涿枋觥＂龠x取Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)洪澤湖北部黃泛區(qū)多源地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，并把空間數(shù)據(jù)庫(kù)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)區(qū)分開(kāi)(圖2)；②在GIS平臺(tái)上對(duì)鉆孔柱狀圖、地質(zhì)圖、剖面圖進(jìn)行數(shù)字化處理，并拆分成GIS可表達(dá)的各種點(diǎn)、線、面和實(shí)體；③采用多方法、多元集成的思路，把經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的多源信息在GIS平臺(tái)上進(jìn)行三維模型的搭建。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)處理流程Fig.2 Database processing flow

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)及信息查詢(xún)

研究區(qū)和三維地質(zhì)建模均使用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，使用用ADO.NET組件訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。該組件中包含大量的Data Provider(數(shù)據(jù)提供程序)，將使用相似對(duì)象與不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行交互。ADO.NET數(shù)據(jù)體系s結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)讀取器表示為了進(jìn)行快速的只向前讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)適配器為讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)源，命令為對(duì)象允許與數(shù)據(jù)源交流并發(fā)送命令給它，連接指的是對(duì)象管理與數(shù)據(jù)源的連接。如果想使用斷開(kāi)數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)集并實(shí)現(xiàn)能進(jìn)行讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)適配器。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Database access architecture

信息查詢(xún)，可以使用戶(hù)方便、快捷查閱自己感興趣的數(shù)據(jù)，三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的查詢(xún)功能分為查詢(xún)所有數(shù)據(jù)和查詢(xún)單個(gè)數(shù)據(jù)。其中，查詢(xún)所有是把數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)全部查詢(xún)出來(lái)，方便用戶(hù)對(duì)個(gè)鉆孔之間進(jìn)行對(duì)比觀察；它可分為查詢(xún)所有地層信息、工程情況、鉆孔信息等。查詢(xún)單個(gè)數(shù)據(jù)可以使用戶(hù)查詢(xún)感興趣的鉆孔信息和工程情況信息。此外，軟件還兼具新增、修改、刪除和更新信息的功能。

3 三維模型建立及可視化分析

3.1 三維模型建立流程

以洪澤湖北部黃泛區(qū)內(nèi)的泗陽(yáng)縣為例，該區(qū)域三維地質(zhì)模型建立需要的多源地學(xué)信息主要包括高精度地表數(shù)字高程模型DEM、三維鉆孔模型、三維地質(zhì)模型、水文地質(zhì)模型和地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析?；贕IS平臺(tái)導(dǎo)入DEM模型，通過(guò)Sakia3D平臺(tái)，使用ADO.NET動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)顯示三維鉆孔模型，使用表面構(gòu)模法、邊界(B-Rep)表示法、線框(Wireframe)構(gòu)模法、斷面(Section)構(gòu)模法和多層DEM構(gòu)模法構(gòu)建表面模型，任意形態(tài)的三維空間體元來(lái)表示地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型。

研究區(qū)三維地質(zhì)建模流程采用“鉆孔—層面”模型方法(圖4)。

圖4 三維地質(zhì)模型建模流程Fig.4 Modeling process of 3D geological model

①在鉆孔數(shù)據(jù)中加入Feature屬性信息，對(duì)原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行Delaunay三角剖分，生成表面的不規(guī)則三角網(wǎng)；②類(lèi)似地迭代出相同屬性的地層上下表面，由表面鉆孔點(diǎn)邊界拓?fù)潢P(guān)系生成側(cè)面，加上先前生成的上下表面生成一個(gè)具有相同屬性信息的地層；③類(lèi)似地迭代生成其他各層面，最終就生成了一個(gè)相對(duì)接近現(xiàn)實(shí)世界的三維地層；④加入簡(jiǎn)單插值算法使得生成的三維實(shí)體更加平滑，更加接近真實(shí)的三維實(shí)體。

3.2 地質(zhì)模型三維可視化分析

地質(zhì)模型的三維分析主要包括剖面分析和專(zhuān)業(yè)剖切分析2部分內(nèi)容。用戶(hù)可以根據(jù)需求對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行任意剖切分析，形成剖面圖，觀察三維模型內(nèi)部分布結(jié)構(gòu)，為研究區(qū)建設(shè)提供決策支持。三維地質(zhì)模型剖切面如圖5所示。圖5(a)為在三維地質(zhì)模型中的剖切面柵欄圖形，圖5(b)為三維地質(zhì)模型中的剖切面三正交模型。

圖5 三維地質(zhì)模型剖切面Fig.5 Section of 3d geological model

根據(jù)所建成的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)模型，可以進(jìn)行專(zhuān)業(yè)剖切分析，根據(jù)用戶(hù)需求，可以剖切出泗陽(yáng)城區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)適宜性分區(qū)地質(zhì)模型及水文模型剖切效果圖，如最適宜居住區(qū)剖切結(jié)果圖、適宜居住區(qū)剖切效果圖、較適宜居住區(qū)剖切效果圖、較不適宜居住區(qū)剖切效果圖、水文地質(zhì)剖切效果圖以及水文地質(zhì)三正交和柵欄剖切效果圖。其中，最適宜居住區(qū)和較不適宜居住區(qū)剖切效果分別如圖6所示。研究區(qū)處于洪澤湖北部黃泛區(qū)(泗陽(yáng)縣)區(qū)，地形主要為沖積平原，地面起伏不大，為溫帶季風(fēng)氣候。此次研究中，適宜居住區(qū)的劃分主要考慮了巖土體特性、水文地質(zhì)條件以及交通便利性，遵循“有利生產(chǎn)、方便生活”的原則。

圖6 居住區(qū)剖切效果Fig.6 Section diagram of residential area

4 結(jié)語(yǔ)

三維地質(zhì)建模系統(tǒng)儲(chǔ)存了大量的數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)借助于Microsoft公司所提供的Access數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和GIS平臺(tái)完成了洪澤湖北部黃泛區(qū)泗陽(yáng)縣的三維地質(zhì)建模和可視化研究工作?；贏ccess數(shù)據(jù)庫(kù)建立了一個(gè)專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和軟件的查詢(xún)、新增、修改、刪除和更新功能；基于Sakia3D平臺(tái)使用ADO.NET動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，采用“鉆孔—層面”模型方法完成了泗陽(yáng)縣的三維地質(zhì)建模的建立；研發(fā)了基于三維模型的剖面分析和專(zhuān)業(yè)剖切分析，本文具有較大的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。