馬丹璇，韓 旭，蘇小寧，徐明輝

(長江水利委員會長江巖土工程總公司，湖北武漢 430010)

CATIA曲面建模技術(shù)在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

馬丹璇，韓 旭，蘇小寧，徐明輝

(長江水利委員會長江巖土工程總公司，湖北武漢 430010)

采用CATIA平臺強(qiáng)大的曲面建模技術(shù)，可以快速地創(chuàng)建出覆蓋層、地 (斷)層、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)體，任意切制地質(zhì)剖面，而且模型的地質(zhì)邊界條件更加直觀、真實(shí)。

CATIA;曲面建模技術(shù);三維地質(zhì)建模

0 引言

三維地質(zhì)建模就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維空間里，將空間信息、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究的一門新技術(shù)。目前主流的三維地質(zhì)建模軟件有 GoCAD、CATIA、Petrel、RMS、Solid Works等。其中CATIA是法國Dassault System公司開發(fā)的一款高度集成的大型三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，其源于航天航空業(yè)，但其強(qiáng)大的功能得到各行業(yè)的認(rèn)可。針對水利水電相關(guān)行業(yè)的需要，CATIA從V5R19版本開始增加了地形地質(zhì)建模功能，使CATIA平臺運(yùn)用到水利水電工程項(xiàng)目的全過程。相比其他軟件，CATIA擁有更強(qiáng)的曲面造型功能，可以快速的建立三維地質(zhì)模型，極大地提高了水利水電行業(yè)的設(shè)計(jì)水平與效率。

1 三維地質(zhì)建模的基本流程

1.1 原始資料的準(zhǔn)備與整理

各種原始資料數(shù)據(jù)是進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，可用于三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)資料主要有以下兩類:(1)地質(zhì)數(shù)據(jù) 地質(zhì)測繪資料、地質(zhì)剖面圖等;(2)勘探數(shù)據(jù) 鉆孔、豎井、平硐、坑槽探測資料等;

這些原始數(shù)據(jù)資料需經(jīng)過專業(yè)地質(zhì)工程師的整理分析后，作為CATIA地質(zhì)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1］。

1.2 建模基本流程

首先通過等高線點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地表mesh網(wǎng)格面，再轉(zhuǎn)換為地表曲面模型，然后根據(jù)平面地質(zhì)圖、剖面圖和鉆孔數(shù)據(jù)形成地質(zhì)分界面，與之前建立好的地表曲面模型按照先挖覆蓋層、斷層，再分割地層的順序依次分離，最終形成完整的三維地質(zhì)模型。

CATIA三維地質(zhì)建模的基本流程見圖1。

圖1 三維地質(zhì)建?；玖鞒虉DFig.1 Basic flow chart of 3D geological modeling

2 曲面建模的優(yōu)勢

CATIA平臺在水利水電行業(yè)已推廣應(yīng)用多年，以往在運(yùn)用CATIA進(jìn)行三維地質(zhì)建模過程中多通過mesh三角網(wǎng)格面來實(shí)現(xiàn)，最終成果的三維模型也是以網(wǎng)格面模型來展示，由于網(wǎng)格面在進(jìn)行切割時(shí)會重新計(jì)算邊緣并生成新的網(wǎng)格面，導(dǎo)致邊緣結(jié)合部位存在明顯變形，可視效果較差。對于大范圍、地質(zhì)條件復(fù)雜的地質(zhì)模型來說，應(yīng)用網(wǎng)格面建模難度較大，建模過程中碰到的問題也較多。相比網(wǎng)格面建模，曲面建模主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:

(1)使用光滑曲面所建立的地質(zhì)模型在做覆蓋層剝離、地(斷)層分割時(shí)則極大避免了上述問題的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了快速建模。

(2)分割后的邊界光滑平順，視覺效果更好(圖2)。

圖2 網(wǎng)格面模型與曲面模型效果對比(上為網(wǎng)格面體，下為曲面體)Fig.2 Effect comparison between mesh model and surface model

(3)曲面建模具有網(wǎng)格面建模沒有的錯(cuò)誤提示功能，對操作過程產(chǎn)生的錯(cuò)誤部位能夠快速定位，極大方便了對模型的修改。

(4)在做剖面輸出時(shí)，若需輸出帶顏色填充的剖面，網(wǎng)格面實(shí)體必須轉(zhuǎn)換成wrl格式才能實(shí)現(xiàn)，步驟繁瑣，且對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者網(wǎng)格邊長＜10 m的地質(zhì)體，輸出的剖面效果并不理想。而曲面模型可以在曲面體與封閉曲面體之間自由轉(zhuǎn)換，極大地提高了剖面輸出的效率。

3 地表曲面模型

由于mesh網(wǎng)格面對細(xì)節(jié)修改更方便，所以一般先建立地表的mesh網(wǎng)格面，然后再轉(zhuǎn)換成地表曲面。

3.1 生成地表mesh網(wǎng)格面

將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，在數(shù)字曲面編輯器DSE(Digitized Shape Editor)模塊中對導(dǎo)入的點(diǎn)云進(jìn)行修飾，刪除錯(cuò)誤點(diǎn)云，然后通過“Mesh Creating”命令生成地表的mesh三角網(wǎng)格面［2］。由于生成的地表網(wǎng)格面邊緣部分會產(chǎn)生很多的多余網(wǎng)格，可以在生成mesh面時(shí)選擇“2D Mesher”模式并輸入合適的“Neighborhood”值，這樣能夠極大地減少多余網(wǎng)格面的數(shù)量，對多余的網(wǎng)格面需要手動刪除，否則會影響后續(xù)步驟的順利進(jìn)行。

3.2 mesh網(wǎng)格面轉(zhuǎn)換曲面

地表網(wǎng)格面修飾完成后進(jìn)入快速曲面建模QSR(Quick Surface Reconstruction)模塊，利用《Automatic Surface》命令即可生成所需的地表曲面，需要特別注意的是:表面細(xì)節(jié)(Surface Detail)參數(shù)應(yīng)與原mesh網(wǎng)格面的三角網(wǎng)格數(shù)量保持一致，這樣能保證所生成的曲面特征與原地形相吻合，最大限度減少轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的變形誤差［3］。

進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)GSD(Generative Shape Design)模塊，用草圖工具中繪制出所需區(qū)域的輪廓線，注意不能超出地表曲面的輪廓范圍。利用凸臺與分割命令對地表曲面進(jìn)行分割即可得到地表曲面模型(圖3)。

圖3 地表曲面模型Fig.3 Surface curve model

4 覆蓋層實(shí)體的生成

覆蓋層是在地質(zhì)建模中最先被剝離的地質(zhì)體，是地質(zhì)建模過程中關(guān)鍵的一步，直接影響到后續(xù)地質(zhì)體建模的精確度。

4.1 導(dǎo)入地質(zhì)界線

在GSD模塊中利用地質(zhì)工具中的“導(dǎo)入平切圖”命令將CAD中覆蓋層邊界導(dǎo)入到CATIA中，然后用拉伸命令將草圖沿Z軸拉伸成面并穿過地表，再用分割命令切割出覆蓋層的地表投影面作為下一步變形的原始曲面。

4.2 覆蓋層底面生成

覆蓋層底面的生成需通過曲面或者mesh網(wǎng)格面的變形，CATIA 中的 GSD、Shape Sculptor、FreeStyle 模塊提供了強(qiáng)大的曲面及mesh網(wǎng)格面變形功能，結(jié)合二次開發(fā)工具，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的命令去生成所需的曲面。

將切割出的原始曲面轉(zhuǎn)換成mesh網(wǎng)格面，利用導(dǎo)入的鉆孔及剖面數(shù)據(jù)通過“Mesh Morphing”命令生成覆蓋層底面的網(wǎng)格面，然后用 QSR中的“Automatic Surface”命令即可得到所需的覆蓋層底面。

當(dāng)使用“Mesh Morphing”命令，遇到剖面、鉆孔數(shù)據(jù)較多，地形變化較大，且變形區(qū)域不連續(xù)(如河道覆蓋層)時(shí)，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致無法順利變形，可以將自由邊界轉(zhuǎn)換成點(diǎn)之后再做變形就可以解決。

4.3 切割覆蓋層實(shí)體

將生成的覆蓋層底面提取邊界，將邊界沿Z軸方向拉伸成面，將拉伸面與底面接合后再使用“修剪”命令即可得到覆蓋層的實(shí)體模型(圖4)。將所有覆蓋層剝離后的地表曲面可作為地層、斷層、風(fēng)化分界面建模的頂面或參照面。

圖4 切割得到的覆蓋層實(shí)體Fig.4 Overburden entity

5 地(斷)層實(shí)體的生成

做地層實(shí)體分割時(shí)首先需要建立地層分界面，GSD模塊提供了豐富的曲面編輯命令，可以很方便高效的獲得所需的曲面。

5.1 生成地表地(斷)層分界面

把平面地質(zhì)圖地(斷)層界線導(dǎo)入CATIA后需要獲取地表地(斷)層界線，一般通過以下三種方式獲得:

(1)利用GSD模塊中的“投影”命令生成。

(2)將導(dǎo)入的平面地質(zhì)界線拉伸成曲面并穿過地表曲面，再使用GSD中的“相交”命令提取拉伸面與地形面的交線即可得到地表地(斷)層界線。

(3)將導(dǎo)入的邊界線草圖拉伸后對地表曲面進(jìn)行切割，然后提取邊界即可。

獲得地表地(斷)層界線后，根據(jù)原始平(剖)面圖、鉆孔數(shù)據(jù)等資料加入產(chǎn)狀線，然后使用“多截面曲面”命令就可以生成地層分界面。

對于產(chǎn)狀變化較大的地層，可以采用“多截面曲面”命令分段變形，然后采用“結(jié)合”命令即可形成完整的地層分界面(圖5)。

5.2 地(斷)層實(shí)體的生成

將得到地層分界面與地質(zhì)體進(jìn)行切割即可得到地層實(shí)體。生成斷層實(shí)體的過程與地層相似。不同是需要根據(jù)斷層的寬度創(chuàng)建斷層兩側(cè)的分界面。

6 褶皺實(shí)體的生成

將褶皺的剖面線導(dǎo)入CATIA，在相鄰剖面線之間建立引導(dǎo)線，在GSD模塊下通過“多截面曲面”命令就可以很快創(chuàng)建出褶皺的地質(zhì)結(jié)構(gòu)曲面，最后按從上到下的順序分層切割得到褶皺的實(shí)體模型(圖6)。

圖5 建立地層分界面Fig.5 Interface of formation

圖6 褶皺的地質(zhì)結(jié)構(gòu)曲面與實(shí)體模型Fig.6 Folded geological structure surface and entity model

7 結(jié)語

曲面建模相比網(wǎng)格面建模具有建模更快速、效果更美觀等特點(diǎn)，結(jié)合CATIA曲面建模過程互相關(guān)聯(lián)的特性，能夠更加高效的完成三維地質(zhì)建模工作。通過曲面建模技術(shù)建立的三維地質(zhì)模型可以形象直觀的反應(yīng)工程區(qū)域的地質(zhì)條件信息，便于工程設(shè)計(jì)人員對工程地質(zhì)情況的了解，可以解決傳統(tǒng)二維地質(zhì)模型中難以解決的問題，提高水利水電行業(yè)工程設(shè)計(jì)的水平與效率。

［1］ 李斌，宗志堅(jiān)，郭莉莉.基于CATIA V5R20的水利水電工程三維設(shè)計(jì)應(yīng)用教程［M］.鄭州:黃河水利出版社，2011.

［2］ 張兵，李斌，吳偉功.CATIA在水利工程建模中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2010，41(1):26 －28.

［3］ 何鄭燕，劉洪濤.CATIA V5R20完全自學(xué)一本通［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

The Application of Surface Modeling Techniques Based on CATIA in 3D Geological Modeling

MA Danxuan，HAN Xu，SU Xiaoning，XU minghui
(Changjiang Water Resources Commission，Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan，Hubei430010)

CATIA platform has powerful capabilities of surface modeling，adopts the technology of the curved surface modeling.It not only can quickly create a overburden，stratums，fault，folding，such as complex geologic body，but also enable the rendering of model become much real and beautiful.

CATIA;surface modeling;3D geological modeling

TP39;P642

B

1671－1211(2014)02－0200－03

2013－06－19;改回日期:2013－10－25

馬丹璇 (1984－)，男，助理工程師，碩士，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從事三維地質(zhì)建模工作。E－mail:38259749@qq.com