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論地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模和可視化研究
[論文關(guān)鍵詞]工程 復(fù)雜地質(zhì)體 三維建模與可視化[論文摘要]地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實(shí)測資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進(jìn)而利用建立三維地質(zhì)模型，達(dá)到直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對(duì)于地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測施工及監(jiān)測的目的。本文分析了復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究的關(guān)鍵技術(shù)問題,并初步應(yīng)用在向家壩某壩址區(qū)的三維地質(zhì)建模中。
一、前言
地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息，可以通過野外勘探實(shí)測或監(jiān)測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)工作者很難對(duì)其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個(gè)整體和直觀的把握。各種地質(zhì)信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風(fēng)化帶分布、侵入體及各種地球、地球化學(xué)、巖土體的物理力學(xué)參數(shù)或數(shù)據(jù)的等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實(shí)測資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)建立三維地質(zhì)模型，達(dá)到直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對(duì)于地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測施工及監(jiān)測的目的。建立地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，逼真反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，將為地質(zhì)工程工作者分析研究工程地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結(jié)構(gòu)規(guī)律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。
二、復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究和軟件開發(fā)動(dòng)態(tài)
國內(nèi)研究與開發(fā)現(xiàn)狀：TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開發(fā)的TITAN地學(xué)綜合信息系統(tǒng)中的一個(gè)組件，是基于框架建模的思想研制開發(fā)而成的，利用平行或基本平行的剖面數(shù)據(jù)建立起三維空間任意復(fù)雜形狀物體的真三維實(shí)體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：（1）剖面數(shù)據(jù)處理模塊，建立剖面數(shù)據(jù)，為建立三維實(shí)體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)剖面由多邊形、環(huán)和點(diǎn)元素組成；（2）對(duì)應(yīng)關(guān)系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環(huán)之間和點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為建立三維實(shí)體模型提供剖面間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯(lián)系；（3）模型處理模塊，建立實(shí)體模型，用剖面數(shù)據(jù)和剖面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立起三維實(shí)體模型，并且可以對(duì)模型進(jìn)行任意切割、計(jì)算面積和體積的處理。此軟件只是三維建模與圖形處理的引擎，適用面廣泛。但在面向具體專業(yè)時(shí)，需要添加或擴(kuò)充專業(yè)模塊，比如工程地質(zhì)專業(yè)模塊等�？v觀國內(nèi)外幾種軟件的研究與開發(fā)現(xiàn)狀，對(duì)于地質(zhì)工程專業(yè)的復(fù)雜地質(zhì)體建模與分析的針對(duì)性不強(qiáng)，沒有充分體現(xiàn)地質(zhì)工程專業(yè)的特殊性，不能夠很好地滿足地質(zhì)工程生產(chǎn)與研究的實(shí)際需要
三、地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模和可視化的關(guān)鍵技術(shù)問題分析
�。ㄒ唬╇x散數(shù)據(jù)的插值與擬合
地質(zhì)信息的插值和擬合函數(shù)要根據(jù)實(shí)際勘測數(shù)據(jù)建立，實(shí)測數(shù)據(jù)越豐富精確，得到的地質(zhì)模型越能夠真實(shí)描繪出這些信息的空間分布規(guī)律。對(duì)于不同的地質(zhì)信息，需采用不同的擬合函數(shù)。地表地形測量數(shù)據(jù)(X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和地表高程Z)、地下水位埋深測量信息等的曲面圖形生成可歸結(jié)為雙自變量離散數(shù)據(jù)的插值和擬合�？臻g曲面插值函數(shù)有以下構(gòu)造方法，如與距離成反比的加權(quán)方法，徑向基函數(shù)插值法，平面彈性理論插值法等，它們同樣適用于單個(gè)連續(xù)地層界面、地球物理勘探數(shù)據(jù)、地球化學(xué)勘探數(shù)據(jù)以及巖土體物理力學(xué)參數(shù)在地質(zhì)體空間的分布。
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�。ǘ┤S數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
工程地質(zhì)體一般是不規(guī)則形體，在圖形學(xué)中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近，來模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。這就要求必須具備有效的分層的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如地質(zhì)工程地質(zhì)體空間中的點(diǎn)由有三位坐標(biāo)分量表示，微小直線段由其兩個(gè)端點(diǎn)組成，地質(zhì)層面界線由所有屬于該邊界的微小直線段組成，而巖層曲面由微小三角面組成。有效的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠確保人機(jī)交互和查詢的實(shí)現(xiàn)。
（三）曲面求交和三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
地質(zhì)體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當(dāng)出現(xiàn)地層不整合、地層尖滅和地下水出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題；地質(zhì)體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過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。另一方面，在剖面圖成圖時(shí)，地質(zhì)界線的繪制是通過顯示剖面與各種地質(zhì)界面求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質(zhì)界面之間的相交，和地質(zhì)界面與剖面的相交兩類問題。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、下伏和交切等的地層學(xué)關(guān)系及地質(zhì)空間位置關(guān)系。利用可視化技術(shù)可以從龐大的地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)中構(gòu)造出地質(zhì)工程中對(duì)于邊破穩(wěn)定性和地下硐室變形破壞等起關(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，繼而為工程地質(zhì)分析具體問題提供決策支持。
四、復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)的初步開發(fā)與應(yīng)用
（一）地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的
基于離散采樣數(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程是，從勘探數(shù)據(jù)庫中提取各種地質(zhì)信息的坐標(biāo)位置及巖土體的力學(xué)參數(shù)，通過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。
（二）初步開發(fā)與應(yīng)用
工程勘測空間數(shù)據(jù)庫在收集整理現(xiàn)場勘測數(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、地層代碼、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)。隨著工程勘測的進(jìn)展，能夠方便地修改補(bǔ)充和勘測數(shù)據(jù)。利用向家壩某壩址區(qū)工程勘測數(shù)據(jù)，建立了壩址區(qū)右岸三維立體地質(zhì)圖。向家壩某壩址區(qū)自上而下地層巖性組合為：第四系崩破堆積物，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)砂巖、粉砂巖，三疊系上統(tǒng)中厚至厚層狀中粗砂巖。通過有限的工程勘測數(shù)據(jù)得出的立體圖，能夠較好地滿足工程地質(zhì)的精度。
五、結(jié)論
地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模與可視化研究對(duì)于地質(zhì)工程巖土體結(jié)構(gòu)的研究、直觀表達(dá)地質(zhì)體信息在地質(zhì)工程巖土體中的分布規(guī)律和地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測施工都具有重要意義。地質(zhì)工程巖土體是復(fù)雜的不規(guī)則形體，存在各種地質(zhì)巖性層面和結(jié)構(gòu)面，完全表達(dá)地質(zhì)信息及巖層和結(jié)構(gòu)面間的位置、相互切割和組合關(guān)系，地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模與可視化研究是大有作為的。
參考文獻(xiàn)
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[2]黃鼎成等，《走向21世紀(jì)的中國地球科學(xué)》河南科技出版社，1995年10月
[3] 張明定等，《水文地質(zhì)與工程地質(zhì)的系統(tǒng)思維》西北大學(xué)出版社，1993年12月
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