姬永尚

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建中存在的問(wèn)題

姬永尚*

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

地質(zhì)三維模型構(gòu)建是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外地學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，它將地質(zhì)成果抽象為地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的三維可視化分析與管理。工程地質(zhì)三維模型對(duì)工程決策、地質(zhì)分析預(yù)測(cè)及提高制圖效率有非常重要的意義，但由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性、不確定性、信息不完備等特點(diǎn)，使得工程地質(zhì)領(lǐng)域建立三維模型過(guò)程中存在諸多的問(wèn)題。作者根據(jù)多年的建模經(jīng)驗(yàn)，列出了建模過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，希望對(duì)工程地質(zhì)三維建模技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

工程地質(zhì)；三維模型；存在的問(wèn)題

1 概述

所謂三維地質(zhì)建模(3D Geosciences Model-ing)，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將地質(zhì)解譯、空間信息管理、空間分析和預(yù)測(cè)、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(lái)，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)[1]。

工程地質(zhì)中的各種地質(zhì)信息，可以通過(guò)野外勘探實(shí)測(cè)或監(jiān)測(cè)儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)工作者很難對(duì)其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個(gè)整體和直觀的把握。各種地質(zhì)信息，包括地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風(fēng)化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學(xué)、巖土體的物理力學(xué)參數(shù)或數(shù)據(jù)等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實(shí)測(cè)資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)建立三維地質(zhì)模型，達(dá)到直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對(duì)地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)地質(zhì)工程項(xiàng)目的勘測(cè)施工及監(jiān)測(cè)的目的[2]。

地質(zhì)三維模型的應(yīng)用最早是在石油、地礦業(yè)，很多相應(yīng)的軟件也都是基于這些產(chǎn)業(yè)開發(fā)的。國(guó)外比較典型的大型專業(yè)軟件有：GOCAD、EafthVjsjon、Vulan、Gemcom、ieroLynx、SurpacVisiont、Landmark、Geo-See3D等，但是它們的應(yīng)用都相對(duì)比較簡(jiǎn)單，大多只需要繪出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地層的大體構(gòu)造，相比之下，工程地質(zhì)三維模型則更為復(fù)雜，目標(biāo)區(qū)域雖小但是對(duì)精度的要求非常高，大部分基于石油、礦產(chǎn)等領(lǐng)域研發(fā)的軟件很難在工程地質(zhì)三維建模中有效利用，這就導(dǎo)致建立工程地質(zhì)三維模型過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，使得建模效率低、模型準(zhǔn)確度不高、實(shí)用性不強(qiáng)。

2 工程地質(zhì)三維建模中存在的問(wèn)題

建立一個(gè)工程地質(zhì)三維模型，一般需要以下3個(gè)步驟：數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理、生成三維表面、構(gòu)建三維實(shí)體，也就是由點(diǎn)（或線）到面，由面到體的方法。模型每個(gè)地質(zhì)體（覆蓋層、基巖、滑坡、崩塌或是斷裂構(gòu)造等）的構(gòu)建，局部細(xì)節(jié)上可能稍有差別，但基本思路都是遵循上述步驟。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理繁瑣

要想建成三維地質(zhì)模型，必須首先對(duì)勘測(cè)資料進(jìn)行解譯、分析和預(yù)處理，就目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，這個(gè)過(guò)程是復(fù)雜、繁瑣的。工程地質(zhì)平面圖一般包括地形線、覆蓋層界線、基巖巖性界線、構(gòu)造線、滑坡和崩塌界線、以及勘探鉆孔、平硐、探坑位置等，大部分建模軟件要求將這些平面圖內(nèi)容分開并單獨(dú)保存成DXF格式，方便調(diào)用。鉆孔、平硐、物探、試驗(yàn)等資料都要求以表格形式輸入，需要進(jìn)行詳細(xì)的編號(hào)，要將每種原始資料對(duì)應(yīng)的同一種地質(zhì)信息進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，這不是一件容易的事情。剖面資料的處理是最為復(fù)雜的，不同的軟件要求有所差別，但大部分都需要簡(jiǎn)化剖面信息，每個(gè)剖面上代表的信息較多，一次性導(dǎo)入軟件往往雜亂無(wú)章，難以分清每條線所代表的地質(zhì)信息，所以先將剖面圖按每個(gè)信息單獨(dú)保存并編號(hào)，部分軟件還可能要求對(duì)剖面圖平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等幾何變形。

一個(gè)較大工程，當(dāng)面對(duì)龐大的勘探數(shù)據(jù)，按軟件建模需求去處理數(shù)據(jù)，這可能要對(duì)整個(gè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新梳理和編繪，是一個(gè)復(fù)雜、繁瑣的過(guò)程。

2.2 建模過(guò)程軟件運(yùn)行速度緩慢

首先是大部分商業(yè)軟件系統(tǒng)龐大，特別是國(guó)外軟件，需要計(jì)算機(jī)性能很高（工作站環(huán)境），其次真三維地質(zhì)應(yīng)用系統(tǒng)必然涉及海量三維模型數(shù)據(jù)的問(wèn)題。三維地質(zhì)模型涉及地表遙感數(shù)據(jù)、地表三維模型、地層界面數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、地質(zhì)體數(shù)據(jù)、模型拓?fù)湫畔⒌?，其?shù)據(jù)量將達(dá)到GB級(jí)[2]。軟件處理海量模型數(shù)據(jù)時(shí)內(nèi)存占用量大、CPU負(fù)載重、處理效率低甚至根本無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。部分國(guó)內(nèi)軟件本身系統(tǒng)較小，但是其建模過(guò)程緩慢，甚至經(jīng)常死機(jī)，這可能是軟件本身在建模過(guò)程中產(chǎn)生的一些垃圾碎片所致。

大部分軟件建模精度與運(yùn)行速度不能兼得。曾經(jīng)利用一款建模軟件建立面積為3.4km2的某水電站壩址區(qū)的三維地質(zhì)模型，將建模網(wǎng)格間距取1m和1.5m時(shí)，生成的地表曲面在Inter core i7-3740QM CPU 2.7GHz，內(nèi)存8G的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行速度緩慢，基本不能拖動(dòng)或旋轉(zhuǎn)地表曲面，后來(lái)改為2m精度后，才勉強(qiáng)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 建模過(guò)程曲面擬合的異常

工程地質(zhì)地層或構(gòu)造面，不可能在一個(gè)方向上光滑延展，由于受地殼運(yùn)動(dòng)或是地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，地質(zhì)體在空間上隨機(jī)突變性很強(qiáng)，這就導(dǎo)致大部分軟件的曲面擬合法則擬合時(shí)出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為2方面：一是擬合過(guò)程中并不能嚴(yán)格按照勘探線或是勘探點(diǎn)擬合，可能出現(xiàn)懸空線或點(diǎn)的現(xiàn)象；二是在沒(méi)有控制點(diǎn)的位置擬合曲面可能超出地表面，特別是在構(gòu)建覆蓋層底界面、風(fēng)化面及透水面等水平向界面時(shí)最容易出現(xiàn)這種異常，這種異常在大部分軟件中都存在。地質(zhì)體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，地質(zhì)體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層面或地下水位面不應(yīng)超出地表曲面，即超出部分不應(yīng)顯示。同樣的，當(dāng)顯示多層地層時(shí)，下面的每一巖層應(yīng)以其上一巖層為邊界。

2.4 地質(zhì)界面對(duì)地面出露線的依賴

對(duì)于非水平的地層或構(gòu)造，不可能都通過(guò)鉆孔、平硐等來(lái)探測(cè)其空間分布，工程地質(zhì)勘察中地面出露線和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)狀是推測(cè)其地下發(fā)展趨勢(shì)的重要線索。而大部分軟件對(duì)地面出露線過(guò)度依賴，即地面什么形狀，地下什么形狀（圖1）。地層或構(gòu)造在地面由于其產(chǎn)狀的原因，在溝谷及兩側(cè)會(huì)形成“V”字形跡線，但其地下并不是“V”字形，而基本呈平面，這樣通過(guò)軟件建立的地質(zhì)界面將不能真實(shí)的反映地層或構(gòu)造的地下趨勢(shì)，容易造成錯(cuò)位。

圖1 依據(jù)地表出露線和產(chǎn)狀擬合生成的斷層

2.5 生成地質(zhì)實(shí)體過(guò)程復(fù)雜

一個(gè)完整的工程地質(zhì)三維模型，不是指將整個(gè)工程區(qū)建成一個(gè)實(shí)體，而是工程區(qū)所涉及的每一個(gè)地質(zhì)實(shí)體的組合，比如不同的巖層、每一個(gè)滑坡、崩塌、以及斷裂構(gòu)造，都是獨(dú)立的實(shí)體單元，要能真實(shí)地反映實(shí)際工程地質(zhì)情況。

目前，建立每一個(gè)實(shí)體單元的方式無(wú)非2種方式：一是先建立工程區(qū)整體實(shí)體，再生成各種地質(zhì)單元的界面，然后用面去切割實(shí)體，從而生成單個(gè)實(shí)體單元；二是分別建立每個(gè)地質(zhì)單元的圍合面，然后通過(guò)面面圍合生成實(shí)體單元。

上面2種方式，在建立實(shí)體過(guò)程中都不太容易。第一種方式在切割體的過(guò)程中（與體作布爾運(yùn)算），往往會(huì)發(fā)生切不開，甚至死機(jī)現(xiàn)象，越是不規(guī)則的面越難切割。第二種方式建立的圍合面往往不是無(wú)縫接觸，比如三角網(wǎng)格面的邊界可能呈現(xiàn)鋸齒狀，導(dǎo)致這些面在圍合實(shí)體過(guò)程邊界需要大量的手動(dòng)縫補(bǔ)，浪費(fèi)大量的時(shí)間不說(shuō)，有些最終可能無(wú)法合成實(shí)體。

3 結(jié)語(yǔ)

從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，工程地質(zhì)三維建模的理論研究得到了很大的發(fā)展，但大部分建模軟件還不成熟，存在建模過(guò)程數(shù)據(jù)預(yù)處理繁瑣、建模精度與軟件運(yùn)行速度矛盾、建模過(guò)程曲面擬合異常、需要添加大量虛擬數(shù)據(jù)控制、產(chǎn)狀建面對(duì)地面出露線過(guò)度依賴和面生成實(shí)體過(guò)程復(fù)雜、容易出錯(cuò)等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致建模周期太長(zhǎng)、模型精度不夠等，使得建模效率和質(zhì)量得不到保證，無(wú)助于生產(chǎn)效率的提高。

[1]鐘登華，李明超.水利水電工程地質(zhì)三維建模與分析理論及實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]曾錢幫，劉大安，張菊明，等.地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，39（3）：29.

[3]潘懋，方裕，屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問(wèn)題探討[J].地理與地理信息科學(xué)，2007，23（3）：3.

TU454

A

1004-5716(2015)10-0135-03

2014-10-23

2014-10-24

姬永尚（1982-），男（漢族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)技術(shù)工作。