田宜平，劉志鋒，趙 攀，張志庭，劉軍旗

(1．中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074;2．東華理工大學，江西 南昌 330013)

水電三維地質模型中各地質要素的建模方法

田宜平1，劉志鋒2，趙 攀1，張志庭1，劉軍旗1

(1．中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074;2．東華理工大學，江西 南昌 330013)

決定水電工程地質分析成敗的主要環(huán)節(jié)是地質實體的模擬。用三維數值地質實體模型來模擬實際工程施工過程，可以協助解決各種工程地質問題。介紹了水電工程中地質模型的各個要素(地形面、基巖面、巖層界面、構造界面、透鏡體、地層單元、勘探工程以及地質實體)的創(chuàng)建方法、實現思路以及可視化顯示，基本包含了水電工程地質分析所涉及到的所有方面。

水電工程;三維地質模型;三維建模

0 引言

目前，水利水電的三維地質軟件的研究發(fā)展迅速，尤其是國外三維地質建模和可視化研究發(fā)展較快。法國EDS公司推出的GOCAD軟件研發(fā)中主要采用離散光滑插值(DSI)技術作為插值引擎(Berlioux，1994);加拿大阿波羅科技集團公司推出的三維建模與分析軟件MicroLynx，通過對離散點采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數據的處理，產生剖面、塊和面等模型(Kamat et al，2001);加拿大Gemcom Software International Inc．公司開發(fā)的Gemcom軟件，通過鉆孔、點、多邊形等數據，利用實用的圖形編輯和生成工具，提供了交互操作功能并允許用戶根據自己的經驗和專家知識勾畫地質模型(Caumon et al，2002);美國Kinetix公司開發(fā)的3D Studio MAX、Alias/Wavefront公司開發(fā)的Maya和微軟公司開發(fā)的Softimage等大眾化三維建模軟件，在構建工業(yè)和建筑模型與動畫制作方面有其獨到之處。隨著國外工業(yè)化技術的進步，越來越多的三維設計軟件涌現出來，它們從三維模擬到參數化建模再到協同設計，每一個過程都是巨大的進步。法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件CATIA，美國Bentley System公司的可執(zhí)行于多種軟硬體平臺(Multi-Platform)的通用電腦輔助繪圖及設計(CAD)軟件MicroStation，以及美國Robert McNeel公司的廣泛地應用于制作、工業(yè)制造、科學研究以及機械設計等領域的PC上強大的專業(yè)造型軟件Rhino等。國內的有中國地質大學(武漢)坤迪科技有限公司與華東勘測設計院合作的GeoEngine產品，天津大學鐘登華等(2003，2005，2008)及劉東海等(2003)開發(fā)的水電三維建模系統(tǒng)以及國內其他一些人員的研究成果(楊成杰等，2010;孟憲海等，2010;程朋根等，2004;王秋明等，2005;汪德云等，2008;田宜平等，2000，2010;Wu et al，2005;孫卡等，2011;劉志鋒等，2007;李章林等，2011;陳國旭等，2010;吳沖龍等，2011;劉剛等，2011;傅俊鶴等，2011)。上述這些軟件有的在幾何造型上有特點，有的是針對地質建模的，各有其適應方向。針對水電工程三維地質建模的特點，筆者重點闡述水電工程地質模型中遇到的各個地質要素的建模方法及建模思路。

1 地表地形面的創(chuàng)建與顯示

三維地形是三維地質建模和水利樞紐工程布置設計的基礎，在每個工程勘察設計階段工作啟動后，首先由測量專業(yè)提供符合當前階段精度要求的地形數據。如果地形數據是以三維線條的形式提交各專業(yè)，就需要數字高程模型(DEM)插值算法來實現三維地形面建模。與建模相關的地形數據包括計曲線、首曲線、水系、公路等，地形線條數據經過必要的處理后導入三維地質系統(tǒng)。等值線數據一般是以AutoCAD的DWG格式提供給下序專業(yè)。具體算法：先將參與地形建模的數據離散成一系列的散點，根據散點坐標在平面XOY上按Delaunay方法進行三角網剖分，構建一個不規(guī)則三角形網(TIN)，然后根據DEM各網格點落在相應的三角形內部，按一定的插值計算方法(克里格、多項式、距離冪次反比法等)求出其高程值，最終形成數值高程模型。實際應用中存在的數據缺失問題可以通過優(yōu)化三維地形生成算法克服。

有了數字地形高程模型后，在用航片或者衛(wèi)星影像數據生成的正射影像作為紋理貼在DEM上，生成的三維地形效果見圖1。

圖1 地形表面創(chuàng)建三維效果示意圖

2 基巖面的創(chuàng)建

基巖面是進行巖層、構造建模前必須要得到的三維曲面，它是基覆界面和基巖在地表出露部分的組合。關于基巖面的插值建模一般做法是利用鉆孔獲取基巖面各點的高程值，然后用散點插值擬合曲面，這樣做的缺陷有可能由于插值的原因導致本應與地表重復的地方相互穿插。關于基巖面建模的思路是，利用參照面校正方法將地形面上高于基覆界面的點全部降到與基覆界面相同的高度，得到的新曲面即是基巖面?；鶐r面與基覆界面疊加時，二者在相同位置完全重合，部分不存在上覆松散堆積體的基巖面就與地表重合。

3 巖層界面的創(chuàng)建

巖層界面是指兩個地層單元之間的分隔面，一般具有較穩(wěn)定的地層產狀，建模時如何利用地層的整體產狀趨勢是重要的考慮因素，這將有利于簡化數據插值過程、既好又快地生成巖層界面曲面。

巖層界面是通過地質測繪和孔洞勘探采集的數據來創(chuàng)建的，包括巖層界面的位置信息、產狀信息以及特征信息，所有信息在數據維護過程中存儲在系統(tǒng)數據庫中?？梢蚤_發(fā)出專門處理具有產狀數據的地質結構面生成算法。具體思路：首先將巖層界面揭露點的產狀信息擴展為空間一定范圍內的多個插值點，這些插值點代表了巖層界面在揭露點附近的局部延展趨勢，然后將實際揭露點與插值點一起擬合生成曲面。通過這樣的算法生成的巖層界面，不僅通過所有揭露點，而且在局部位置也符合產狀趨勢，因此不需要太多的人工干預插值即可完成巖層界面建模(圖2)。

但巖層界面產狀相對不太穩(wěn)定的工程場地也比較常見，比如褶皺地層、傾倒地層、巖脈地層等，這些都屬于比較特殊的巖層界面建模，根據需要靈活處理，比如在利用數據庫內的少量揭露信息直接生成巖層界面前，通過勘探剖面插值工具對巖層界面進行整體趨勢控制，形成巖層界面的空間框架。通過揭露點坐標和產狀信息擬合得到的曲面還需要經過曲面裁切步驟才能得到最終的巖層界面模型，在工程區(qū)巖層界面的初步曲面都完成時，利用基巖面對所有曲面進行剪裁批量處理即可。與一般方法比較，利用基巖面去裁剪地層面，可以保證地層面與地表面的無縫吻合，還能保證兩岸的地層走向一致性。為了后續(xù)的剪切分析和應力計算等的方便，可以為建好的巖層界面賦予屬性編碼，為構成完整的實體間的拓撲關系做準備。

圖2 巖層界面建模圖

4 構造面的創(chuàng)建

構造面與巖層界面同屬地質結構面，在空間上延伸都具有較穩(wěn)定的產狀，且都不穿越基巖面而連續(xù)伸入覆蓋層。因此，二者建模方法基本一致。

地質構造在系統(tǒng)內分為斷層、擠壓帶、裂隙、層間錯動帶、層內錯動帶，都是在地質點、鉆孔、平硐、探井等構造揭露位置采集數據。構造面在工程區(qū)分布的數量多時，確定構造面的空間連接和交切關系將非常復雜，需要借助特征分析、剖面分析或者建模分析來判斷。

剖面分析是利用軟件系統(tǒng)的勘探剖面工具將構造的揭露點位置和產狀信息通過剖面圖方式來表達，以便查看地質構造在剖面上的合理連接、延伸和交切情況，甚至交互修改。

建模分析是三維系統(tǒng)所獨有的形式，是將初步確定的構造揭露點嘗試連接生成空間曲面，在三維狀態(tài)中去分析構造面的連接合理性以及如何延伸和交切處理。建模分析還可以對沒有確定構造連接關系的孤立的構造揭露點進行分析，通過生成單個揭露點的小構造面，然后與其他已確定連接關系的大構造面進行比較，分析小構造面與大構造面歸并的可能性。

構造面利用各自的揭露數據單個生成得到空間曲面，需要再根據地質情況將構造面進行延伸、修邊、剪切等處理，尤其是控制性結構面與被處理構造面之間的關系需要交代清楚。同樣可以賦予各構造面的拓撲屬性編碼，以便后續(xù)構成體模型和進行剪切分析。

5 透鏡體的創(chuàng)建

地質透鏡體可以指那些需要在空間上用于內外分隔差異化巖石的封閉分界面，例如風化透鏡體、巖性透鏡體等。透鏡體建模的一般思路是根據某個鉆孔上透鏡體的厚度按一定的原則在各方向上外推一定的距離后尖滅，這樣不能反映透鏡體的各向異性。文中根據透鏡體的形狀和揭露資料的情況，可以將其建模方法分為單線建模、雙線建模和多線建模3種。

單線建模方法用于已知的透鏡體附著在另一個地質曲面上的情況。通過空間地質剖面得到透鏡體的一條剖面線，如圖3a所示，該剖面線沿著參照曲面旋轉一周得到透鏡體的一個表面，表面的邊界與參照面貼合(圖3b)，那么表面與參照面之間的空間 形成透鏡體。

圖3 透鏡體單線建模圖

雙線建模和多線建模在原理上與單線建模一致，只不過在邊界處理上有些差別。

6 地層單元的創(chuàng)建與表達

根據B-Rep(邊界代替法)建模理論，代表地層單元的“體”是由多個具有相同屬性定義的近封閉的圍合面構成，將兩個地層單元分隔的是地層界面。因此，地層界面除了有自身的地質編號，還擁有兩個地層單元的屬性編號(圖4)。

對于一個地層模型來說，地層單元是由地層單元分界面(圖4b中的屬性定義為“JM1，J2h1，J2h2”的面)和地層單元外側面(圖4b中的屬性定義為“J2h1”和“J2h2”的面)構成，地層單元外側面是將建成的地層界面去裁切基巖體表面得到的。

地層單元屬性定義作為地層建模的一個關鍵過程，需要根據工程需要來確定地層模型的單元劃分和詳細程度。在地質意義上劃分為亞層或小層的地層單元在建模時可能簡化為一個大層就可以，而在某些重要的建筑物部位，即使地質上已經劃分到小層，也可能要再細化為巖性層來建模。地層單元屬性定義要注意的是，某個地層單元作為大層就不能與其包含的亞層或小層同時出現在模型中，否則會造成地層單元建模在空間上的拓撲關系紊亂，也就是地層建模必須對每一個地層單元明確建模的詳細程度。

圖4 地層單元建模圖

7 勘探工程的顯示

在本系統(tǒng)中，勘探工程建模是指勘探線、鉆孔、平硐、探井、探槽、探坑、地質點等在空間上能夠標志地質數據采集位置的圖形對象。系統(tǒng)根據勘探對象在空間上的位置信息以及地質分層信息，將孔洞等繪制成具有顏色、屬性定義的三維線段，方便用戶進行查看和分析。

具體的鉆孔勘探模型，可以根據實際地層，分為大層勘探建模、亞層勘探建模、小層勘探建模和巖性層勘探建模，豐富地質結構的再現，給實際的地質勘探提供了有意義的工程輔助設計，為工程地質的施工還有地下施工硐室的勘探提供了切實可行的幫助。

這個功能的一個有益補充就是三維模型空間內的地質符號的加入，豐富了三維地質模型的多方位展示。

8 地質實體的表達

系統(tǒng)主要采用B-Rep方法建立具有拓撲關系的地質模型，模型的地層單元由多個專門定義屬性的地層界面圍合。B-Rep模型在進行數據存儲、可視化、模型分析和二維出圖等方面都具有優(yōu)勢，但在一些特殊的應用上也有缺點，比如多重堆積的深厚覆蓋層建模，因其空間拓撲關系非常復雜，圍合面數量多且細小，為了管理方便將模型建成實體單元。

地質實體可以創(chuàng)建滿足階段工程分析要求的最小地層或巖性層，二者都是利用地層(或巖性)界面直接分割基巖實體模型得到，還可以用于創(chuàng)建邊坡塊體。實體模型能夠方便地進行交、并、減操作(圖5)，可進行硐室開挖或基礎開挖模擬。復雜的實體模型帶有一個或多個空腔，可以表示巖體里的溶洞或脈體所占的空間。

圖5 地質實體與地下廠房的布爾運算圖

9 結論

介紹了水電工程中地質模型各個要素(地形面、基巖面、巖層界面、構造界面、透鏡體、地層單元、勘探工程以及地質實體)的創(chuàng)建方法、實現思路以及可視化顯示，基本包含了水電工程地質分析所涉及的所有方面。筆者所涉及的方法、思路都在實踐過程中得到檢驗，并被應用到多個水電項目中。各個要素建模后的精度能滿足建設的要求，并且隨著勘探程度的提高，實際建模精度也逐漸提高，實現水電工程實時仿真，指導生產。

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Study on modeling of geological elements in hydropower engineering 3D geological model

TIAN Yi-ping1，LIU Zhi-feng2，ZHAO Pan1，ZHANG Zhi-ting1，LIU Jun-qi1

(1．China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China;2．East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Simulation of 3D geological entities was a key to the analysis of hydropower engineering geology．It could help to solve various problems on engineering geology and to simulate actual construction process with the numerical model of the geological entities．The authors presented creation of methods，realization ideas and visualization of various geological elements in the field of hydropower engineering，such as terrain surface，bedrock surface，stratigraphic and lithologic boundary，structural surface，lens，stratigraphic unit，exploration project and geological entity．The above elements basically covered almost all the elements of hydropower engineering geological analysis．

Hydropower engineering;3D geological model;3D modeling

TP391;TV544

A

1674－3636(2012)03－0320－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．320

2012－05－20;編輯：蔣艷

田宜平(1973— )，男，教授，博士，主要從事地質信息技術、盆地模擬和三維可視化圖形軟件研究與開發(fā)，E-mail：typzl@sina．com