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論地質工程復雜地質體三維建模和可視化研究
[論文關鍵詞]工程 復雜地質體 三維建模與可視化[論文摘要]地質工程復雜地質體中的各種地質信息都可以看作是三維空間中的函數，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數，進而利用建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規律、提高對于地質規律的認識、地質工程項目的勘測施工及監測的目的。本文分析了復雜地質體三維建模與可視化研究的關鍵技術問題,并初步應用在向家壩某壩址區的三維地質建模中。
一、前言
地質工程復雜地質體中的各種地質信息，可以通過野外勘探實測或監測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數據，工程地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規律有一個整體和直觀的把握。各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節理、風化帶分布、侵入體及各種地球、地球化學、巖土體的物理力學參數或數據的等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規律、提高對于地質規律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監測的目的。建立地質工程復雜地質體的三維模型，處理巖層界面與結構面組合關系，逼真反映地下地質結構全貌，將為地質工程工作者分析研究工程地質現象和發現掌握巖土體結構規律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。
二、復雜地質體三維建模與可視化研究和軟件開發動態
國內研究與開發現狀：TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開發的TITAN地學綜合信息系統中的一個組件，是基于框架建模的思想研制開發而成的，利用平行或基本平行的剖面數據建立起三維空間任意復雜形狀物體的真三維實體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：（1）剖面數據處理模塊，建立剖面數據，為建立三維實體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數據，數據剖面由多邊形、環和點元素組成；（2）對應關系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環之間和點之間的對應關系，為建立三維實體模型提供剖面間的一一對應關系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯系；（3）模型處理模塊，建立實體模型，用剖面數據和剖面間的對應關系建立起三維實體模型，并且可以對模型進行任意切割、計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。但在面向具體專業時，需要添加或擴充專業模塊，比如工程地質專業模塊等。縱觀國內外幾種軟件的研究與開發現狀，對于地質工程專業的復雜地質體建模與分析的針對性不強，沒有充分體現地質工程專業的特殊性，不能夠很好地滿足地質工程生產與研究的實際需要
三、地質工程復雜地質體三維建模和可視化的關鍵技術問題分析
（一）離散數據的插值與擬合
地質信息的插值和擬合函數要根據實際勘測數據建立，實測數據越豐富精確，得到的地質模型越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規律。對于不同的地質信息，需采用不同的擬合函數。地表地形測量數據(X坐標、Y坐標和地表高程Z)、地下水位埋深測量信息等的曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數據的插值和擬合。空間曲面插值函數有以下構造方法，如與距離成反比的加權方法，徑向基函數插值法，平面彈性理論插值法等，它們同樣適用于單個連續地層界面、地球物理勘探數據、地球化學勘探數據以及巖土體物理力學參數在地質體空間的分布。
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（二）三維數據結構
工程地質體一般是不規則形體，在圖形學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據結構，比如地質工程地質體空間中的點由有三位坐標分量表示，微小直線段由其兩個端點組成，地質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。有效的三維數據結構能夠確保人機交互和查詢的實現。
（三）曲面求交和三維拓撲結構分析
地質體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當出現地層不整合、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質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超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面與各種地質界面求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切等的地層學關系及地質空間位置關系。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數據中構造出地質工程中對于邊破穩定性和地下硐室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數據做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。
四、復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發與應用
（一）地質工程復雜地質體三維建模與可視化的
基于離散采樣數據的插值與擬合的思想，即將離散數據轉化為連續曲線曲面, 地質工程，復雜地質體三維建模與可視化的過程是，從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的力學參數，通過不同的擬合與插值函數得到地質層面(曲面)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區域內的分布規律。生成地質巖層面和地質實體后，實現從任意角度觀察建立的模型，實現根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。
（二）初步開發與應用
工程勘測空間數據庫在收集整理現場勘測數據后錄入各分項數據表，這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，更重要的是提供屬性數據。以地層巖性數據表為例，要求錄入鉆孔編號、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、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和勘測數據。利用向家壩某壩址區工程勘測數據，建立了壩址區右岸三維立體地質圖。向家壩某壩址區自上而下地層巖性組合為：第四系崩破堆積物，侏羅系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，三疊系上統厚至巨厚層狀細至中粒砂巖，三疊系上統薄至中厚層狀粉細砂巖、粉砂巖，三疊系上統中厚至厚層狀中粗砂巖。通過有限的工程勘測數據得出的立體圖，能夠較好地滿足工程地質的精度。
五、結論
地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究對于地質工程巖土體結構的研究、直觀表達地質體信息在地質工程巖土體中的分布規律和地質工程項目的勘測施工都具有重要意義。地質工程巖土體是復雜的不規則形體，存在各種地質巖性層面和結構面，完全表達地質信息及巖層和結構面間的位置、相互切割和組合關系，地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究是大有作為的。
參考文獻
[1]孫廣忠，工程地質與地質工程，孫廣忠著，地震出版社，1993年6月第1版
[2]黃鼎成等，《走向21世紀的中國地球科學》河南科技出版社，1995年10月
[3] 張明定等，《水文地質與工程地質的系統思維》西北大學出版社，1993年12月
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