水利水电工程地质三维建模实践

经过多年来对理论方法的探讨和应用实践的检验,三维地质建模技术和方法不断得到发展,并日趋成熟,相应的三维地质建模体系结构也逐渐成型,例如,Breunig(1999)以单纯复形表达方法为基础,设计并实现了一个耦合空间数据的三维地质信息系统;Serge和Martin(2000)提出了基于CORBA系统的开放式体系结构,通过地质数据库将三维建模和可视化软件包GOCAD与地球物理三维建模工具IGMAS有机结合,实现了地质数据的远程存取和访问;武强和徐华(2004)建立了面向地矿应用的三维地质建模体系结构,提出了以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念。因此,概括来说,三维地质建模体系结构一般可分为地质数据处理、地质体建模和模型应用三个阶段,其总体流程可用图2.3表示。

图2.3　三维地质建模体系结构图

(1)地质数据处理。自然界地质现象的复杂多变及大量的不确定因素决定了反映地质现象的地质数据具有多样性、不确定性和复杂性等特点,因此首先需对通过地表地质调查、钻孔平硐、遥感、摄影测量等技术手段获得的原始数据进行预处理;然后利用CAD、GIS或其他辅助软件,针对工程需要,完成所有可利用数据的耦合工作,并结合地质专家的知识,对复杂的地层、断层等地质结构进行识别、解释、描述、定位等处理;最后把所有的地质数据通过数据转换接口数字化为地质体建模可接受的输入数据格式,以保证地质体空间几何形状表达的准确性和对各种复杂空间对象间关系描述的一致性,为三维地质建模奠定基础。(www.xing528.com)

(2)地质体建模。地质体建模的核心技术是地质空间对象的三维表示方法,即采用的数据结构。主要的表示方法有线框表示法、曲面(边界)表示法和体元表示法。线框表示法一般作为三维建模的骨架模型,需要与其他建模方法集成;曲面表示法和体元表示法是目前三维地质建模研究和应用的主流。

实现地质体建模需要解决三个主要问题:①地质对象空间几何形状的表达,即根据数据的空间分布及变化特征建立空间几何模型。若数据过于密集,则在保持曲率的情况下,设法降低点的密度;若数据不充足,则需在离散点之间或两个原始剖面之间进行插值拟合处理,调整地层、断层等不合理的趋势面,使模拟效果更加自然、真实。②地质对象空间几何关系的描述,即三维拓扑模型的建立,反映地质对象之间的内在关系,包括地层间、构造间、地层与构造间等的各种关系。③地质对象属性信息的关联,通过建立属性数据库与图形库间的对应关系,将属性信息值附加关联到几何模型中相应的地质体上,以反映地质体的属性特征,如岩性描述、断层要素、岩体质量级别等。

(3)模型应用。模型应用主要包括地质分析、工程分析、统计与查询及其他方面的应用等。地质分析主要是对建立的三维地质模型作任意方向、任意位置和任意深度的地质剖切分析,以便帮助人们更直观、更深刻地理解区域地质环境和地质条件;工程分析主要是针对与地质条件密切相关的工程建筑物进行调整、优化设计,进行多方案对比,选择地质条件较好和处理工程量较少的布置方案,为提高工程安全性和降低工程投入提供技术支持;地质数据的多样性和复杂模型库为空间数据统计分析与查询提供了丰富的信息,基于数据挖掘和知识库的思想,设计空间数据查询、数据仓库查询及统计输出的分层查询结构,能够有效地描述、组织、管理和利用空间地质数据,有助于建立统一、完善的工程地质三维建模与分析系统。