田宜平，劉志鋒，趙 攀，張志庭，劉軍旗

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074;2．東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

水電三維地質(zhì)模型中各地質(zhì)要素的建模方法

田宜平1，劉志鋒2，趙 攀1，張志庭1，劉軍旗1

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074;2．東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

決定水電工程地質(zhì)分析成敗的主要環(huán)節(jié)是地質(zhì)實(shí)體的模擬。用三維數(shù)值地質(zhì)實(shí)體模型來模擬實(shí)際工程施工過程，可以協(xié)助解決各種工程地質(zhì)問題。介紹了水電工程中地質(zhì)模型的各個(gè)要素(地形面、基巖面、巖層界面、構(gòu)造界面、透鏡體、地層單元、勘探工程以及地質(zhì)實(shí)體)的創(chuàng)建方法、實(shí)現(xiàn)思路以及可視化顯示，基本包含了水電工程地質(zhì)分析所涉及到的所有方面。

水電工程;三維地質(zhì)模型;三維建模

0 引言

目前，水利水電的三維地質(zhì)軟件的研究發(fā)展迅速，尤其是國外三維地質(zhì)建模和可視化研究發(fā)展較快。法國EDS公司推出的GOCAD軟件研發(fā)中主要采用離散光滑插值(DSI)技術(shù)作為插值引擎(Berlioux，1994);加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司推出的三維建模與分析軟件MicroLynx，通過對(duì)離散點(diǎn)采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數(shù)據(jù)的處理，產(chǎn)生剖面、塊和面等模型(Kamat et al，2001);加拿大Gemcom Software International Inc．公司開發(fā)的Gemcom軟件，通過鉆孔、點(diǎn)、多邊形等數(shù)據(jù)，利用實(shí)用的圖形編輯和生成工具，提供了交互操作功能并允許用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)勾畫地質(zhì)模型(Caumon et al，2002);美國Kinetix公司開發(fā)的3D Studio MAX、Alias/Wavefront公司開發(fā)的Maya和微軟公司開發(fā)的Softimage等大眾化三維建模軟件，在構(gòu)建工業(yè)和建筑模型與動(dòng)畫制作方面有其獨(dú)到之處。隨著國外工業(yè)化技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的三維設(shè)計(jì)軟件涌現(xiàn)出來，它們從三維模擬到參數(shù)化建模再到協(xié)同設(shè)計(jì)，每一個(gè)過程都是巨大的進(jìn)步。法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件CATIA，美國Bentley System公司的可執(zhí)行于多種軟硬體平臺(tái)(Multi-Platform)的通用電腦輔助繪圖及設(shè)計(jì)(CAD)軟件MicroStation，以及美國Robert McNeel公司的廣泛地應(yīng)用于制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的PC上強(qiáng)大的專業(yè)造型軟件Rhino等。國內(nèi)的有中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)坤迪科技有限公司與華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院合作的GeoEngine產(chǎn)品，天津大學(xué)鐘登華等(2003，2005，2008)及劉東海等(2003)開發(fā)的水電三維建模系統(tǒng)以及國內(nèi)其他一些人員的研究成果(楊成杰等，2010;孟憲海等，2010;程朋根等，2004;王秋明等，2005;汪德云等，2008;田宜平等，2000，2010;Wu et al，2005;孫卡等，2011;劉志鋒等，2007;李章林等，2011;陳國旭等，2010;吳沖龍等，2011;劉剛等，2011;傅俊鶴等，2011)。上述這些軟件有的在幾何造型上有特點(diǎn)，有的是針對(duì)地質(zhì)建模的，各有其適應(yīng)方向。針對(duì)水電工程三維地質(zhì)建模的特點(diǎn)，筆者重點(diǎn)闡述水電工程地質(zhì)模型中遇到的各個(gè)地質(zhì)要素的建模方法及建模思路。

1 地表地形面的創(chuàng)建與顯示

三維地形是三維地質(zhì)建模和水利樞紐工程布置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在每個(gè)工程勘察設(shè)計(jì)階段工作啟動(dòng)后，首先由測(cè)量專業(yè)提供符合當(dāng)前階段精度要求的地形數(shù)據(jù)。如果地形數(shù)據(jù)是以三維線條的形式提交各專業(yè)，就需要數(shù)字高程模型(DEM)插值算法來實(shí)現(xiàn)三維地形面建模。與建模相關(guān)的地形數(shù)據(jù)包括計(jì)曲線、首曲線、水系、公路等，地形線條數(shù)據(jù)經(jīng)過必要的處理后導(dǎo)入三維地質(zhì)系統(tǒng)。等值線數(shù)據(jù)一般是以AutoCAD的DWG格式提供給下序?qū)I(yè)。具體算法：先將參與地形建模的數(shù)據(jù)離散成一系列的散點(diǎn)，根據(jù)散點(diǎn)坐標(biāo)在平面XOY上按Delaunay方法進(jìn)行三角網(wǎng)剖分，構(gòu)建一個(gè)不規(guī)則三角形網(wǎng)(TIN)，然后根據(jù)DEM各網(wǎng)格點(diǎn)落在相應(yīng)的三角形內(nèi)部，按一定的插值計(jì)算方法(克里格、多項(xiàng)式、距離冪次反比法等)求出其高程值，最終形成數(shù)值高程模型。實(shí)際應(yīng)用中存在的數(shù)據(jù)缺失問題可以通過優(yōu)化三維地形生成算法克服。

有了數(shù)字地形高程模型后，在用航片或者衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)生成的正射影像作為紋理貼在DEM上，生成的三維地形效果見圖1。

圖1 地形表面創(chuàng)建三維效果示意圖

2 基巖面的創(chuàng)建

基巖面是進(jìn)行巖層、構(gòu)造建模前必須要得到的三維曲面，它是基覆界面和基巖在地表出露部分的組合。關(guān)于基巖面的插值建模一般做法是利用鉆孔獲取基巖面各點(diǎn)的高程值，然后用散點(diǎn)插值擬合曲面，這樣做的缺陷有可能由于插值的原因?qū)е卤緫?yīng)與地表重復(fù)的地方相互穿插。關(guān)于基巖面建模的思路是，利用參照面校正方法將地形面上高于基覆界面的點(diǎn)全部降到與基覆界面相同的高度，得到的新曲面即是基巖面。基巖面與基覆界面疊加時(shí)，二者在相同位置完全重合，部分不存在上覆松散堆積體的基巖面就與地表重合。

3 巖層界面的創(chuàng)建

巖層界面是指兩個(gè)地層單元之間的分隔面，一般具有較穩(wěn)定的地層產(chǎn)狀，建模時(shí)如何利用地層的整體產(chǎn)狀趨勢(shì)是重要的考慮因素，這將有利于簡化數(shù)據(jù)插值過程、既好又快地生成巖層界面曲面。

巖層界面是通過地質(zhì)測(cè)繪和孔洞勘探采集的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建的，包括巖層界面的位置信息、產(chǎn)狀信息以及特征信息，所有信息在數(shù)據(jù)維護(hù)過程中存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中?？梢蚤_發(fā)出專門處理具有產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面生成算法。具體思路：首先將巖層界面揭露點(diǎn)的產(chǎn)狀信息擴(kuò)展為空間一定范圍內(nèi)的多個(gè)插值點(diǎn)，這些插值點(diǎn)代表了巖層界面在揭露點(diǎn)附近的局部延展趨勢(shì)，然后將實(shí)際揭露點(diǎn)與插值點(diǎn)一起擬合生成曲面。通過這樣的算法生成的巖層界面，不僅通過所有揭露點(diǎn)，而且在局部位置也符合產(chǎn)狀趨勢(shì)，因此不需要太多的人工干預(yù)插值即可完成巖層界面建模(圖2)。

但巖層界面產(chǎn)狀相對(duì)不太穩(wěn)定的工程場(chǎng)地也比較常見，比如褶皺地層、傾倒地層、巖脈地層等，這些都屬于比較特殊的巖層界面建模，根據(jù)需要靈活處理，比如在利用數(shù)據(jù)庫內(nèi)的少量揭露信息直接生成巖層界面前，通過勘探剖面插值工具對(duì)巖層界面進(jìn)行整體趨勢(shì)控制，形成巖層界面的空間框架。通過揭露點(diǎn)坐標(biāo)和產(chǎn)狀信息擬合得到的曲面還需要經(jīng)過曲面裁切步驟才能得到最終的巖層界面模型，在工程區(qū)巖層界面的初步曲面都完成時(shí)，利用基巖面對(duì)所有曲面進(jìn)行剪裁批量處理即可。與一般方法比較，利用基巖面去裁剪地層面，可以保證地層面與地表面的無縫吻合，還能保證兩岸的地層走向一致性。為了后續(xù)的剪切分析和應(yīng)力計(jì)算等的方便，可以為建好的巖層界面賦予屬性編碼，為構(gòu)成完整的實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系做準(zhǔn)備。

圖2 巖層界面建模圖

4 構(gòu)造面的創(chuàng)建

構(gòu)造面與巖層界面同屬地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，在空間上延伸都具有較穩(wěn)定的產(chǎn)狀，且都不穿越基巖面而連續(xù)伸入覆蓋層。因此，二者建模方法基本一致。

地質(zhì)構(gòu)造在系統(tǒng)內(nèi)分為斷層、擠壓帶、裂隙、層間錯(cuò)動(dòng)帶、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，都是在地質(zhì)點(diǎn)、鉆孔、平硐、探井等構(gòu)造揭露位置采集數(shù)據(jù)。構(gòu)造面在工程區(qū)分布的數(shù)量多時(shí)，確定構(gòu)造面的空間連接和交切關(guān)系將非常復(fù)雜，需要借助特征分析、剖面分析或者建模分析來判斷。

剖面分析是利用軟件系統(tǒng)的勘探剖面工具將構(gòu)造的揭露點(diǎn)位置和產(chǎn)狀信息通過剖面圖方式來表達(dá)，以便查看地質(zhì)構(gòu)造在剖面上的合理連接、延伸和交切情況，甚至交互修改。

建模分析是三維系統(tǒng)所獨(dú)有的形式，是將初步確定的構(gòu)造揭露點(diǎn)嘗試連接生成空間曲面，在三維狀態(tài)中去分析構(gòu)造面的連接合理性以及如何延伸和交切處理。建模分析還可以對(duì)沒有確定構(gòu)造連接關(guān)系的孤立的構(gòu)造揭露點(diǎn)進(jìn)行分析，通過生成單個(gè)揭露點(diǎn)的小構(gòu)造面，然后與其他已確定連接關(guān)系的大構(gòu)造面進(jìn)行比較，分析小構(gòu)造面與大構(gòu)造面歸并的可能性。

構(gòu)造面利用各自的揭露數(shù)據(jù)單個(gè)生成得到空間曲面，需要再根據(jù)地質(zhì)情況將構(gòu)造面進(jìn)行延伸、修邊、剪切等處理，尤其是控制性結(jié)構(gòu)面與被處理構(gòu)造面之間的關(guān)系需要交代清楚。同樣可以賦予各構(gòu)造面的拓?fù)鋵傩跃幋a，以便后續(xù)構(gòu)成體模型和進(jìn)行剪切分析。

5 透鏡體的創(chuàng)建

地質(zhì)透鏡體可以指那些需要在空間上用于內(nèi)外分隔差異化巖石的封閉分界面，例如風(fēng)化透鏡體、巖性透鏡體等。透鏡體建模的一般思路是根據(jù)某個(gè)鉆孔上透鏡體的厚度按一定的原則在各方向上外推一定的距離后尖滅，這樣不能反映透鏡體的各向異性。文中根據(jù)透鏡體的形狀和揭露資料的情況，可以將其建模方法分為單線建模、雙線建模和多線建模3種。

單線建模方法用于已知的透鏡體附著在另一個(gè)地質(zhì)曲面上的情況。通過空間地質(zhì)剖面得到透鏡體的一條剖面線，如圖3a所示，該剖面線沿著參照曲面旋轉(zhuǎn)一周得到透鏡體的一個(gè)表面，表面的邊界與參照面貼合(圖3b)，那么表面與參照面之間的空間 形成透鏡體。

圖3 透鏡體單線建模圖

雙線建模和多線建模在原理上與單線建模一致，只不過在邊界處理上有些差別。

6 地層單元的創(chuàng)建與表達(dá)

根據(jù)B-Rep(邊界代替法)建模理論，代表地層單元的“體”是由多個(gè)具有相同屬性定義的近封閉的圍合面構(gòu)成，將兩個(gè)地層單元分隔的是地層界面。因此，地層界面除了有自身的地質(zhì)編號(hào)，還擁有兩個(gè)地層單元的屬性編號(hào)(圖4)。

對(duì)于一個(gè)地層模型來說，地層單元是由地層單元分界面(圖4b中的屬性定義為“JM1，J2h1，J2h2”的面)和地層單元外側(cè)面(圖4b中的屬性定義為“J2h1”和“J2h2”的面)構(gòu)成，地層單元外側(cè)面是將建成的地層界面去裁切基巖體表面得到的。

地層單元屬性定義作為地層建模的一個(gè)關(guān)鍵過程，需要根據(jù)工程需要來確定地層模型的單元?jiǎng)澐趾驮敿?xì)程度。在地質(zhì)意義上劃分為亞層或小層的地層單元在建模時(shí)可能簡化為一個(gè)大層就可以，而在某些重要的建筑物部位，即使地質(zhì)上已經(jīng)劃分到小層，也可能要再細(xì)化為巖性層來建模。地層單元屬性定義要注意的是，某個(gè)地層單元作為大層就不能與其包含的亞層或小層同時(shí)出現(xiàn)在模型中，否則會(huì)造成地層單元建模在空間上的拓?fù)潢P(guān)系紊亂，也就是地層建模必須對(duì)每一個(gè)地層單元明確建模的詳細(xì)程度。

圖4 地層單元建模圖

7 勘探工程的顯示

在本系統(tǒng)中，勘探工程建模是指勘探線、鉆孔、平硐、探井、探槽、探坑、地質(zhì)點(diǎn)等在空間上能夠標(biāo)志地質(zhì)數(shù)據(jù)采集位置的圖形對(duì)象。系統(tǒng)根據(jù)勘探對(duì)象在空間上的位置信息以及地質(zhì)分層信息，將孔洞等繪制成具有顏色、屬性定義的三維線段，方便用戶進(jìn)行查看和分析。

具體的鉆孔勘探模型，可以根據(jù)實(shí)際地層，分為大層勘探建模、亞層勘探建模、小層勘探建模和巖性層勘探建模，豐富地質(zhì)結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)，給實(shí)際的地質(zhì)勘探提供了有意義的工程輔助設(shè)計(jì)，為工程地質(zhì)的施工還有地下施工硐室的勘探提供了切實(shí)可行的幫助。

這個(gè)功能的一個(gè)有益補(bǔ)充就是三維模型空間內(nèi)的地質(zhì)符號(hào)的加入，豐富了三維地質(zhì)模型的多方位展示。

8 地質(zhì)實(shí)體的表達(dá)

系統(tǒng)主要采用B-Rep方法建立具有拓?fù)潢P(guān)系的地質(zhì)模型，模型的地層單元由多個(gè)專門定義屬性的地層界面圍合。B-Rep模型在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可視化、模型分析和二維出圖等方面都具有優(yōu)勢(shì)，但在一些特殊的應(yīng)用上也有缺點(diǎn)，比如多重堆積的深厚覆蓋層建模，因其空間拓?fù)潢P(guān)系非常復(fù)雜，圍合面數(shù)量多且細(xì)小，為了管理方便將模型建成實(shí)體單元。

地質(zhì)實(shí)體可以創(chuàng)建滿足階段工程分析要求的最小地層或巖性層，二者都是利用地層(或巖性)界面直接分割基巖實(shí)體模型得到，還可以用于創(chuàng)建邊坡塊體。實(shí)體模型能夠方便地進(jìn)行交、并、減操作(圖5)，可進(jìn)行硐室開挖或基礎(chǔ)開挖模擬。復(fù)雜的實(shí)體模型帶有一個(gè)或多個(gè)空腔，可以表示巖體里的溶洞或脈體所占的空間。

圖5 地質(zhì)實(shí)體與地下廠房的布爾運(yùn)算圖

9 結(jié)論

介紹了水電工程中地質(zhì)模型各個(gè)要素(地形面、基巖面、巖層界面、構(gòu)造界面、透鏡體、地層單元、勘探工程以及地質(zhì)實(shí)體)的創(chuàng)建方法、實(shí)現(xiàn)思路以及可視化顯示，基本包含了水電工程地質(zhì)分析所涉及的所有方面。筆者所涉及的方法、思路都在實(shí)踐過程中得到檢驗(yàn)，并被應(yīng)用到多個(gè)水電項(xiàng)目中。各個(gè)要素建模后的精度能滿足建設(shè)的要求，并且隨著勘探程度的提高，實(shí)際建模精度也逐漸提高，實(shí)現(xiàn)水電工程實(shí)時(shí)仿真，指導(dǎo)生產(chǎn)。

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Study on modeling of geological elements in hydropower engineering 3D geological model

TIAN Yi-ping1，LIU Zhi-feng2，ZHAO Pan1，ZHANG Zhi-ting1，LIU Jun-qi1

(1．China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China;2．East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Simulation of 3D geological entities was a key to the analysis of hydropower engineering geology．It could help to solve various problems on engineering geology and to simulate actual construction process with the numerical model of the geological entities．The authors presented creation of methods，realization ideas and visualization of various geological elements in the field of hydropower engineering，such as terrain surface，bedrock surface，stratigraphic and lithologic boundary，structural surface，lens，stratigraphic unit，exploration project and geological entity．The above elements basically covered almost all the elements of hydropower engineering geological analysis．

Hydropower engineering;3D geological model;3D modeling

TP391;TV544

A

1674－3636(2012)03－0320－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．320

2012－05－20;編輯：蔣艷

田宜平(1973— )，男，教授，博士，主要從事地質(zhì)信息技術(shù)、盆地模擬和三維可視化圖形軟件研究與開發(fā)，E-mail：typzl@sina．com