羅年山

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401121）

地下水存在于地表以下的巖石空間中，與地表水相比，更難被直接的觀察到其賦存空間及動態(tài)的分布情況，因此隱秘性更強。傳統(tǒng)的勘測方法是通過鉆孔數(shù)據(jù)、點檢測數(shù)據(jù)側面反映水文地質(zhì)的結構及屬性。但這些方法對地下水的空間結構了解缺少直觀性，因此很難準確的表達地質(zhì)現(xiàn)象及水文地質(zhì)結構的空間關系[1]。而且傳統(tǒng)的方法會導致地下水資源得不到合理的利用，造成水資源的嚴重浪費，更會引起地下水位的持續(xù)降低、地下水污染、土地荒漠化等一系列自然災害的發(fā)生。因此為正確的認識水文地質(zhì)結構，構建三維水文地質(zhì)結構模型具有重要的意義。

1 構建基于大數(shù)據(jù)的三維水文地質(zhì)結構模型

構建基于大數(shù)據(jù)的三維水文地質(zhì)結構模型要以恢復真實水文地質(zhì)結構、形態(tài)及空間分布為目的，為地質(zhì)工作者提供更加直觀的觀測目標，通過對模型的旋轉(zhuǎn)、虛擬漫游以及虛擬鉆探等技術，對水文地質(zhì)的內(nèi)部結構進行動態(tài)的分析，從而掌握目標對象與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系，實現(xiàn)水文地質(zhì)信息的定量分析和探究[2]。

在構建三維水文地質(zhì)結構模型的過程中還要對各種復雜的地質(zhì)情況進行合理的處理，并結合相關的三維空架結構切割算法、剖面解析算法、三維空間交互算法等實現(xiàn)對三維水文地質(zhì)結構模型的縮放、虛擬漫游、平面解剖等一系列的三維立體分析功能。

（1）建立數(shù)據(jù)庫。在建立三維水文地質(zhì)結構數(shù)據(jù)庫時，首先要根據(jù)數(shù)據(jù)的來源對其進行劃分，劃分為基礎地理數(shù)據(jù)、基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)五大類。再將每一類數(shù)據(jù)按照空間信息的實際特性進行劃分，分為多個不同的子類，保證模型中的每一類數(shù)據(jù)都有其各自的空間內(nèi)涵。數(shù)據(jù)以圖層的形式進行存儲，每一圖層表示一類實體空間數(shù)據(jù)。圖層的劃分要以方便實際操作的人員對圖形進行管理和計算為標準，同時還要考慮到本身的專業(yè)屬性，以層的形式進行分組，每個圖層代表一個物理存儲單位。

（2）三維模型變換。在構建三維水文地質(zhì)結構模型時，三維模型的變換要以坐標的變換為基準，其中包括坐標的平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放等數(shù)學變換形式。平移變換是在三維水文地質(zhì)結構模型的齊次坐標系中，假設任意一點P(x,y,z)可以通過矩陣運算公式①轉(zhuǎn)變?yōu)镼(x',y',z')。

公式①中，dx、dy、dz表示為x、y、z軸上的平移向量。

旋轉(zhuǎn)變換是在三維水文地質(zhì)結構模型的齊次坐標系中，假設（a，b，c）為任意一個軸向上的方向余弦，則有cosα=（c2+a2），sinα=b，cosβ=a/（c2+a2），sinβ=c/（c2+a2），由任意一點P(x,y,z)通過繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)某一角度得到點Q(x',y',z')的計算公式為：

公式（2）中，R=Rx×Ry×Rz。

縮放變換是在三維水文地質(zhì)結構模型的齊次坐標系中，假設任意一點P(x,y,z)根據(jù)縮放因子E的大小不同進行不同的縮放，當0＜E＜1時，圖形進行縮放；當E＞1時，圖形進行放大。

2 實例演示

為了進一步驗證本文基于大數(shù)據(jù)構建的三維水文地質(zhì)結構模型的可靠性，以某地區(qū)的實際水文地質(zhì)勘察資料作為基礎對模型進行檢測，通過建立該地區(qū)水文地質(zhì)結構數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對水文地質(zhì)結構的三維建模，以此驗證構建模型的可靠性和實用性，同時也為該地區(qū)的地下水資源的開發(fā)和利用提供更加科學化的事實依據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)源。本次選取的建模區(qū)域的南北總長度為400km，東西寬為45km～95km，面積約為1600km2。建模區(qū)總體地勢西南高，北東低，呈現(xiàn)出自然緩坡形態(tài)，平均海拔高度1050m。建模區(qū)可分為三大地貌單元：南部為中低山地，西部丘陵區(qū)，北部堆積平原區(qū)，其地貌類型包括山地、丘陵、平原以及山前傾斜平原。該地區(qū)河流總長度為1059.8公里，河網(wǎng)密度約為每平方公里0.184公里。

（2）模型投影的確定。該地區(qū)橫跨16，17兩個6°帶分區(qū)，為了方便地學建模，同時保證研究結果的準確性，本文采用比例尺為1：25的投影，其中中央經(jīng)度為105°，單位長度指定以“米”為單位，以此保證構建三維空間過程中的水平坐標方向與垂直坐標方向上的度量單位統(tǒng)一。

（3）采集數(shù)據(jù)。該地區(qū)水文地質(zhì)結構中數(shù)據(jù)的采集是利用矢量化軟件將所有的資料進行整理，將各類水文地質(zhì)資料進行矢量化整理得出，從而形成該地區(qū)不同內(nèi)容的圖層數(shù)據(jù)。

（4）建立空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫中的主要內(nèi)容包括水文地質(zhì)、基礎地理、基礎地質(zhì)、勘探及投影五類，在建立空間數(shù)據(jù)庫時借助水文地質(zhì)空間信息數(shù)據(jù)庫，通過目錄樹的形式將地理空間數(shù)據(jù)進行整理。水文地質(zhì)外部的屬性數(shù)據(jù)庫主要包括水文地質(zhì)鉆孔以及勘探過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。建立完成的空間數(shù)據(jù)庫按照外掛庫的形式利用關鍵字段實現(xiàn)與圖層的聯(lián)系。

（5）三維水文地質(zhì)結構模型顯示。從各個角度，任意地層表面、地層體組合揭示該地區(qū)水文地質(zhì)結構的分布特征。

圖1、圖2的三維立體模型反映了該地區(qū)的西高東低走勢，且兩山之間為東寬西窄的地貌特征。

圖1 三維地層模型

圖2 三維水層模型

通過計算機對周圍環(huán)境進行模擬，方便用戶對其進行縮放、旋轉(zhuǎn)等一系列操作，讓用戶可以直觀的感受到該地區(qū)水文地質(zhì)結構中的信息數(shù)據(jù)以及其空間上的分布，并在構建的過程中，利用消除技術，對肉眼看不到的地方進行了消除、隱藏，方便用戶的觀察。

3 結語

通過本文基于大數(shù)據(jù)構建的三維水文地質(zhì)結構模型的方法，可以有效的幫助用戶認清該地區(qū)水文地質(zhì)結構條件，方便溝通和交流，更有利于對地下水的相關數(shù)據(jù)信息進行模擬和預測，輔助決策，并不斷優(yōu)化地下水的管理模式。因此，開展三維水文地質(zhì)結構模型構建的分析研究具有十分重要的意義。