夏艷華

摘 要： 三維地層信息系統(tǒng)針對地層信息的特點，以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土木工程、環(huán)境工程和巖土力學(xué)、土力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，基于三維地理信息系統(tǒng)之上，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、圖形圖像學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能與專家系統(tǒng)等信息技術(shù)的最新成果，實現(xiàn)地層信息共享，支持科學(xué)決策，是具有自主版權(quán)的集成軟件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 三維地層建模 三維地層信息 連續(xù)性

三維地層模型是建立在以巖性為要素的單一體劃分的基礎(chǔ)之上的。采集到的數(shù)據(jù)樣本主要是各巖層、土層的分界點，這些采樣點具有有限、離散、稀疏、不規(guī)則等特點。三維地層模型借鑒已有二維空間數(shù)學(xué)建模的理論和實踐經(jīng)驗，采用多層規(guī)則DEM建模，即首先按規(guī)則DEM的方法與思路，對每個巖層、土層，根據(jù)這些分界點分別進行插值或擬合，然后根據(jù)巖層、土層的屬性，對多層規(guī)則DEM進行交叉劃分處理，形成空間中嚴格按照巖性為要素進行劃分的三維地層模型的骨架結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，引入地下空間中的特殊地質(zhì)體、人工構(gòu)筑物等點、線、面、體對象，完成對三維地下空間的完整描述，形成三維整體地層模型，最后建立局域拓撲模型。

由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性，地質(zhì)曲面在形態(tài)上極其錯綜復(fù)雜，不能用簡單的數(shù)學(xué)表達式表示，難以用嚴格的解析方法處理，只能用近似的數(shù)學(xué)曲面逼近擬合地質(zhì)曲面。根據(jù)已知點的實測值推求采樣空白區(qū)的元素含量的空間插值運算，實質(zhì)上就是這樣一個過程，從已知樣點的實測數(shù)據(jù)出發(fā)，選用特定的數(shù)學(xué)曲面最大限度擬合逼近實際地學(xué)曲面。根據(jù)擬合的數(shù)學(xué)曲面，可以求得研究區(qū)域中任意一點的值。擬合的曲面函數(shù)可分為單值曲面和多值曲面兩類。單值曲面函數(shù)Z=f（x，y）指平面域上任一點（x，y）只對應(yīng)一個曲面高程Z，如地表地形、地下水位、風(fēng)化層厚度等均屬于單值曲面；多值曲面函數(shù)W=f（x，y，z），當空間曲面上的坐標中任意指定兩個變量時，第三變量可能對應(yīng)一個以上的值，這種曲面即所謂空間超曲面，如地溫場、巖體孔隙度變化、各種物化探數(shù)據(jù)。當參量連續(xù)變化時，其超曲面相應(yīng)連續(xù)變化。一組地層面可看做多值曲面，只是地層面之間有不同的厚度控制，因此不能連續(xù)變化，而只能做階梯狀變化，且對地層面采樣有特定的要求，所以將其獨立作為層面擬合函數(shù)處理。

內(nèi)插是數(shù)字高程模型的核心問題，DEM內(nèi)插是根據(jù)若干相鄰參考點的高程求出待定點上的高程值。任意一種內(nèi)插方法都是基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說鄰近的數(shù)據(jù)點有很大的相關(guān)性，才可能由鄰近的數(shù)據(jù)點內(nèi)插出待定點的高程。按內(nèi)插點的分布范圍，可以將內(nèi)插分為整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插和逐點內(nèi)插三類。借鑒數(shù)字高程模型DEM的方法與思路，將采樣到的各巖層、土層的分界點，分別進行空間插值或擬合運算，形成每一巖層、土層層面的規(guī)則DEM，即得到不同地層面在三維空間的展布情況。這樣，在空間中形成了多層規(guī)則DEM，這些多層規(guī)則DEM都有完全一致的參照系并能互相準確地匹配，嚴格一一對應(yīng)。也就是說，對應(yīng)于規(guī)格網(wǎng)中的（x，y）坐標，不再是只有一個值與其對應(yīng)，而是可以存在多個高程值。

對地層面進行函數(shù)擬合時，結(jié)合對地層的劃分，需要對各層面由上至下做層序編號。設(shè)研究域內(nèi)共有L個地層面，

這時，假若在理想狀態(tài)下，各個地層面在空間中都不發(fā)生相交的情況，就可以將各個相鄰層面上的格網(wǎng)一一聯(lián)接，生成六面體體元，建立拓撲關(guān)系，形成局域拓撲模型（LTM），這樣就由多層規(guī)則DEM構(gòu)成了一個整體的三維地層模型。但在實際應(yīng)用中，地層界面之間不可避免地會出現(xiàn)交叉拼接等現(xiàn)象，因而一般在形成多層規(guī)則DEM之后，首先需要對各地層面進行相關(guān)判斷，完成地層劃分，然后在此基礎(chǔ)上建立三維地層模型。

由于巖土介質(zhì)空間分布的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性，地層之間相互交叉侵蝕，地質(zhì)實體之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜。在三維地層信息系統(tǒng)中，如何對地層進行交叉劃分，涉及三維地層建模的一個關(guān)鍵問題。

經(jīng)過多層規(guī)則DEM建模，完成了按照巖土介質(zhì)為要素的有限—互斥—完整體劃分，形成了三維地層模型的基本構(gòu)架。但是地下空間中還存在多種多樣的自然或人工構(gòu)筑物，如硐室、巷道、基坑等，因此還需要將這些特殊的地質(zhì)體引入已基本劃分的地層模型中。這一步驟的主要操作實際上是將已基本劃分的地層模型中的體元與這些復(fù)雜體對象進行求交拼接，而且注意求交拼接之后的模型應(yīng)當保證體元之間的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性。

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