水利水电工程地质三维建模及分析实践成果

系统总体设计的目的是回答“系统应如何实现”的问题,其主要任务是划分出组成系统各物理元素的构成、联系及其定义描述。基于系统需求分析,结合实际工程情况,以Visual C++、OpenGL和Open NURBS为主要开发平台,结合AutoCAD、VB等辅助技术平台,提出了VisualGeo系统的基本研究思路及其总体结构,分别如图7.6和图7.7所示,详细说明如下。

图7.6　VisualGeo系统研究思路

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图7.7　VisualGeo系统总体结构图

图7.6清楚地表达了构成本系统研究思路的4个步骤:收集地质信息数据、三维地质建模、建立地质信息数据库和工程地质综合分析。其中地质信息收集的好坏与完整程度决定了整个系统得以按照期望构建起来的基础,需要认真地分析和甄别;三维地质建模是系统的核心和关键,其余的工作都需要与之相关联,这将通过笔者提出的水利水电工程地质三维建模理论方法体系来实现,涉及多项关键技术的改进与应用;建立地质信息数据库,并与三维地质模型有机地结合起来,是对模型的进一步完善和丰富,更有助于地质工程师和工程设计人员对工程地质信息的理解和分析;在这些工作的基础上,对统一的工程地质三维模型进行工程实际所需要的各种可视化地质分析和计算,为有效地指导水利水电工程决策规划、设计和施工提供重要的技术支持。

图7.7为VisualGeo系统总体设计的框架结构,其内容过程简要描述如下:通过VC++编制的用户界面,将地质数据预处理子系统、工程地质建模子系统、工程地质分析子系统、地质数据库子系统和成果输出子系统共5个子系统集成在一起,便于用户操作。它们之间相互关系密切:地质数据预处理子系统为工程地质建模子系统提供客观、准确、充足的基础数据;通过工程地质建模子系统构建的水利水电工程地质三维统一模型又是工程地质分析子系统的分析对象;地质数据库子系统建立的图形关联数据库和综合数据库则为地质模型及其分析应用提供地质对象属性管理与可视化查询;成果输出子系统为上述4个子系统提供规范的二维及三维CAD图、其他十余种常用三维格式的图形数据输出以及图片输出等功能。

最后归纳出这些子系统得以调用的4个数据库——模型库、图形库、属性库和图例库,从而使整个系统更加规范,更具有维护性。其中,模型库是指建模过程中基于钻孔、剖面数据插值拟合地质结构面可供选择的不同数学模型集合,主要包括双线形插值模型、多项式非线性回归模型、ANN模型、NURBS插值拟合模型等。图形库由3类图形组成:①地质结构面,包括地形表面、岩层界面、断层面、界限面等;②地质结构体,包括地形轮廓体、岩层体、断层体等独立的地质结构体和最后耦合而成的整体三维地质实体模型;③可视化分析生成图形,包括地质横/纵剖切图、平切图、水工建筑物轴线剖切图、开挖模拟图以及相应的CAD图等。属性库实际上就是地质信息数据库,为三维地质模型提供实时查询数据库和综合地质信息数据库。图例库主要分为纹理图例和颜色图例两类:①纹理图例一般应用于不同的岩层地质体,根据岩性描述,选择与实际最接近的岩石纹理照片进行映射,从感官上给人以真实感和美感;②颜色图例主要应用于各种地质构造结构(如断层、层间层内错动带、软弱层带等)和一些界限对象(如风化卸荷界限、地下水位界限等),这些地质对象往往更为工程人员关注,用地质制图标准颜色来表示显得更为醒目、直观,也更易被地质工程师和设计人员接受。