水利水电工程地质三维建模分析

地质空间对象的特征是三维地质建模过程中要考虑的一个重要因素。在水利水电工程地质三维建模系统中,空间对象可以分为人工对象和自然对象两大类。人工对象如大坝、地下洞室、钻孔、平硐等,是工程师们按照实际工程的需求设计而成的,其形状一般是规则的,自然对象的形态是不规则的,人们要通过各种勘探和测量数据才能把握其外部形态和内部变化。Raper(1989)将自然对象分为采样局限(Sampling-limited)对象和定义局限(Definition-limited)对象。采样局限对象是指形态仅由采样数据的多少来决定的自然对象,如断层的上下盘;定义局限对象则是指形态由人为的分类标准来决定的自然对象,如地层是根据化石组合和岩石变化特征来划分的。

人工对象、采样局限对象和定义局限对象具有不同的特征。一般来说,人工对象是确定不变的;采样局限对象的形态随着采样数据的增加而更准确;定义局限对象若改变相应的分类标准,其形状和范围会产生很大的变化。因此,在对空间对象进行三维建模表达时,要充分考虑到不同类型对象之间的差异,选择相应合适的数据结构。

工程地质三维建模空间对象是相当复杂的,既有地层、断层、褶皱等自然对象,又有钻孔、平硐、地下洞室等人工对象,在三维地质建模选择数据结构模型时,首先必须对这种复杂性有足够的认识,而其中最为复杂的还是地质体对象,其复杂性主要体现在以下三个方面(Houlding,1994):

(1)几何形态的复杂性。地质体是在漫长的地质历史过程中,由各种不同的地质过程综合作用而成。大多数地质体在初期是由沉积作用或岩浆作用所形成的,几何形态比较简单,复杂性来自于后期的侵蚀、岩浆侵入或变质作用。对于计算机表达来说,最显著的复杂性来自于各期构造运动,它们造成地层的隆起、褶皱、剪切、断裂、位移乃至倒转等。用计算机来表达地质实体,要求数据结构具有处理离散、不规则和三维空间地质体的能力。

(2)信息源的复杂性。地质工作者进行地质调查,往往采用不同的手段,这使得所获取的地质信息有各种各样不同的来源,最常用的有钻孔平硐资料、地形测量数据、地质制图剖面资料和遥感影像等。为了得到令人满意的表达效果,必须提供合适的数据模型对这些信息进行综合处理。

(3)地质条件变化的复杂性。不同的地区,地质条件不同,有的是简单的层状地层,有的是极端复杂的褶皱和断层的复合体,对于计算机表达来说,应该能够提供可供选择的建模机制,以便用来处理各种不同的地质条件。

任何地质对象在空间都占有一定的位置和范围,具有一定的形态和性质特征,并与其他地质对象之间存在着一定的空间联系。因此,地质对象的基本特征可归结为空间特征、空间关系特征和属性特征三个方面:

(1)空间特征表示地质对象所处的空间位置特征,也称为几何特征。地质对象一般通过地质体反映,其形态通常是不规则的,且具有不同的产状。图2.1为一个含有断层、侵入岩脉等结构,空间特征较为简单的地质体示意图。(www.xing528.com)

(2)地质对象之间的空间关系主要为拓扑关系,包括包含、覆盖、相交、相离等关系,如图2.2中的T1和T2(包含)、T2和T3(覆盖)、T3和T4(相交)以及T3、T4和T5(多层相交)等。

图2.1　地质体空间结构示意图

图2.2　地层空间关系示意图

(3)属性特征表示地质对象的各种性质特征,如地质对象的年代、岩性、孔隙度、渗透率、含水率、力学强度参数等。不同的地质对象具有不同的属性特征,而同一地质对象的属性特征在空间上往往是不均一的,如断层的力学强度参数在不同位置并不一致。

由此可知,三维地质模型应该包含对研究区域内各种地质对象的几何特征、拓扑关系和属性信息等的综合表达。