淺談工程地質三維建模與可視化

  現有的地理信息系統(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息, 要擴展到真三維包含地下地質結構的地質信息系統還有差距。一個大型地質工程項目從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段, 乃至到工程施工與運行階段, 往往積累了大量的地質資料, 用三維模型圖形圖像來表達和解釋如此龐大的資料, 比光靠數據庫和圖表圖紙等傳統手段來得有效的多。建立工程地質體的三維模型, 處理巖層界面與結構面組合關系, 逼真反映地下主要地質結構全貌, 將為工程地質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。

 

  國外三維地質建模和可視化研究發展較快。加拿大阿波羅科技集團公司推出的三維建模與分析軟件Micro LYNX, 通過對離散點采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數據的處理, 產生剖面、塊和面等模型, 確定礦藏分布和等級變化并計算礦藏儲量。加拿大Gemcom Software I nterna tio nal Inc .公司開發的Gemcom 軟件通過鉆孔、點、多邊形等數據, 利用實用的圖形編輯和生成工具,顯示鉆孔孔位分布, 運用不規則三角網建立表面和實體模型, 運用多義線圈閉巖層和礦體邊界進行儲量和品位分析, 提供了交互操作功能并允許用戶根據自己的經驗和專家知識勾畫地質模型, 實現任意剖面切割任意角度觀察和實體與實體或實體與表面的交切與布爾運算等。國外軟件主要是瞄準采礦工程, 能夠較好地滿足采礦工程活動中的礦產資源勘探和評價、地下礦井和露天礦坑設計和規劃、礦產資源管理和采礦生產管理等需求。美國Kinetix 公司開發的3D Studio MAX, Alias/Wav efront 公司開發的May a 和微軟公司開發的Softimage 等大眾化的三維建模軟件, 在構建工業和建筑模型與動畫制作方面有其獨到之處, 但交互查詢的功能較弱, 與工程勘測數據庫結合并應用于工程地質三維建模方面還有較大距離。

 

  張菊明等對風化帶分布、多層地層等地質信息的可視化和斷層錯斷巖層的表達和顯示的算法[ 1 , 2] 進行了較為深入的研究,為工程地質三維可視化軟件的開發準備了數學基礎, 并借助AutoCAD平臺實現了復雜三維地質圖形的顯示。國內的靈圖VRMap 地理信息系統軟件有較強的地形模擬和地表地物的查詢功能, 但不是真三維的地質建模工具。北京東方泰坦科技有限公司開發TITAN 三維建模軟件, 基于框架建模的思想, 利用平行或基本平行的剖面數據, 建立起三維空間復雜形狀物體的真三維實體模型, 但目前只是初步的三維建模與圖形處理的引擎, 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, 它們為工程地質三維建模與可視化打下了很好的技術基礎, 提供了很寶貴的開發經驗。但是, 對于工程地質專業的地質體建模與可視化分析的針對性不強, 不能夠很好地滿足工程地質生產與研究的專業功能需要。因此本文將從分析工程地質的三維建模和可視化的關鍵技術問題入手, 簡單描述作者在工程地質三維建模和可視化方面的初步開發研究成果。

 

  1  關鍵技術問題分析

 

  1 .1  離散數據的插值與擬合

 

  工程地質復雜地質體中的各種地質信息, 包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節理、風化帶分布、侵入體及各種地球物理、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, 它們的擬合函數要根據實際勘測數據建立, 實測數據越豐富, 越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規律。地表地形測量數據、地下水位埋深測量信息等的單值曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數據的插值和擬合, 多值曲面如倒轉褶皺和空間等值面等, 則應采用多參變量插值等其他一些較復雜的方法。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(Shepard 方法), 徑向基函數插值法(Multiquadric 方法)[ 3] , 平面彈性理論插值法[ 1 , 2] 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。

 

  1 .2  三維數據結構

 

  工程地質體一般是不規則形體, 在計算機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(和地表曲線、地下水位面等地質層面界線)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。地質體三維空間數據結構是工程地質三維建模和可視化的基礎, 這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構,能夠確保人機交互和查詢的實現。

 

  1 .3  曲面求交

 

  地質體中存在大量各種層面, 當出現地層不整合、斷層錯斷巖層、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,通過數學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。因此, 為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問題。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(平面)與各種地質界面(曲面)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面(層面)之間的相交, 和地質界面與剖面的相交兩類問題。

 

  1 .4  三維拓撲結構分析

 

  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(被斷層切割后地層的拓撲表達)等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。例如, 考慮多層地層, 上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界, 它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系, 在存儲數據時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面, 即相鄰巖層的邊界曲面可以成為一個地層曲面,大大減少數據存儲量。評價地質模型系統的優缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構[ 4] 。

 

  1 .5  可視化技術

 

  工程地質復雜地質體可視化, 是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據, 轉換為形象直觀的便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形, 其基礎是工程數據和測量數據的可視化[ 5] 。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。

 

  2  工程地質三維可視化技術的初步開發與應用2 .1  研究框圖

 

  工程地質復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖如圖1所示。

 

  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, 工程地質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物理力學參數, 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。

 

  2 .2  初步開發與應用

 

  2 .2 .1  工程勘測空間數據庫管理

 

  在收集整理現場勘測數據后錄入金沙江某水電工程勘測空間數據庫各分項數據表, 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(地層名稱)、地層代碼(地層年代)、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管理勘測數據。

 

  2 .2 .2  三維瀏覽

 

  通過孔口坐標和測量數據等的離散數據的擬合和插值法繪制壩址區的右岸地表曲面網格, 進而可在三維圖形環境中進行虛擬現實瀏覽觀察。

 

  2 .2 .3  三維地質立體圖

 

  利用工程勘測數據, 建立了壩址區右岸三維立體地質圖。該壩址區自上而下地層巖性組合為:第四系崩坡堆積物, 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紗巖、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。圖3 表達了該壩址區右岸三維地質圖。

 

  2 .2 .4  三維可視化查詢

 

  通過圖形與工程勘測數據庫中的屬性數據的鏈接, 實現可視化查詢地層巖性和其他工程地質信息, 最終完成向三維地質信息系統的轉變。圖4 是一簡單的被斷層錯斷的水平多層地層模型, 通過模型的每個地層實體名稱與數據表中的巖石名稱字段對應鏈接, 能夠查詢地層的巖性, 地質年代, 起止深度和地質描述等工程地質人員關心的地質信息。

 

  3  結論

 

  (1)運用先進的可視化技術與交互圖形技術建立數據庫, 存儲和管理現場勘探實測和試驗數據, 建立工程地質體的三維模型, 工程地質工作者可隨著勘察或研究工作的不斷深入細致, 對研究(工作)區域隨時補充信息來自動顯示地質信息在研究(工作)區域內的分布, 從而不斷提高模型精度, 并且利用模型反饋回來的信息及時發現已有勘察工作中的不足, 從而及時修改勘察或研究工作方案, 指導下一步勘探或研究工作的實施。

 

  (2)工程地質三維建模與可視化的深入研究, 可以充分利用已有現場勘探實測或試驗數據, 達到節約投資減少勘察或研究成本的目的。當現場勘探和試驗數據資料不足情況下, 通過對已有數據的插值與擬合到建立三維模型, 可以推斷和預測未知區域或研究較少區域的地質信息或巖土體物理力學參數的分布趨勢, 從而為減少勘探工作量提供科學的可靠的依據, 達到節約花費, 為生產或研究部門產生直接經濟效益的目的。

 

  (3)工程地質巖土體是復雜的不規則形體, 存在各種地質巖性層面、結構面以及各種空間分布的地質與力學信息, 完全表達地質信息的空間分布及巖層和結構面間的位置關系, 工程地質三維建模與可視化研究是大有作為的。