侯清波, 齊菊梅, 裴麗娜, 劉 灝

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

三維地質建模在水利水電工程中的應用

侯清波, 齊菊梅, 裴麗娜, 劉 灝

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

簡要介紹ItasCAD三維地質建模軟件的特點,總結從數(shù)據(jù)搜集、整理、導入到三維地質建模以及三維地質模型在生產(chǎn)實踐中應用的整個技術實現(xiàn)路徑,并提出三維地質幾何模型和屬性模型創(chuàng)建與應用過程中遇到的問題。

三維地質建模;幾何模型;屬性模型;不連續(xù)光滑插值

20世紀80年代以來,三維地質建模技術在國外開始廣泛應用。用于三維地質建模的軟件有許多,相對成熟且應用廣泛的有法國Nancy大學研發(fā)的GoCAD,加拿大阿波羅科技集團公司推出的三維建模與分析軟件Micr,斯倫貝謝公司推出的三維可視化建模軟件Petrel,英國Midiandvalley勘探公司推出的模擬構造運動的3DMove等[1]。中國的三維地質建模研究相對較晚,隨著計算機軟硬件技術的高速發(fā)展,相繼涌現(xiàn)出各種杰出的技術平臺和應用手段,三維地質建模也逐漸成為發(fā)展趨勢,同時為BIM技術的應用奠定了堅實的基礎。經(jīng)過多方調研,筆者公司選擇了依泰斯卡(武漢)公司推出的ItasCAD作為三維地質建模平臺,該軟件主要應用于水電行業(yè)地質領域的三維建模和可視化,具有以下特點[2]:強大的三維建模、可視化、地質分析評價功能;實現(xiàn)了真三維化;內(nèi)置地質專業(yè)數(shù)據(jù)庫;二維出圖功能強大;數(shù)據(jù)接口豐富,利于模型共享等。

利用ItasCAD先后在涇河東莊水利樞紐、黑河黃藏寺水利樞紐、青海蓄積峽水利樞紐、山西古賢水利樞紐、黃河黑山峽大柳樹水利樞紐、厄瓜多爾CCS水電站、馬來西亞巴勒水電站、剛果金布桑加水電站等十多項工程中進行了應用,所建的三維地質模型與水工建筑物模型進行了融合,實現(xiàn)了與設計等專業(yè)間的協(xié)同;依據(jù)三維地質模型,可批量切制地質專業(yè)各種剖面圖、平切圖,取得了較好的效果,提高了生產(chǎn)效率;結合工作實踐,總結出了一套可推廣應用的建模流程,形成了基礎數(shù)據(jù)整理標準,實現(xiàn)了建模工作的流程化、規(guī)范化。

1 三維地質建模流程

1.1 數(shù)據(jù)搜集

能夠用于三維地質建模的數(shù)據(jù)有多種:①地形圖測繪數(shù)據(jù),包括AutoCAD格式的地形圖、DLG數(shù)字線劃圖、DEM數(shù)字高程模型等;②地質測繪數(shù)據(jù),包括在地形圖基礎之上的各類地質接觸界線、地質現(xiàn)象(如斷層,軟弱夾層等)等在地表的出露位置;③勘探數(shù)據(jù),包括為揭露地質體在三維空間中的展布而布置的勘探工作,有鉆孔、探硐、探坑、豎井等;④試驗數(shù)據(jù),包括巖土取樣室內(nèi)試驗以及在現(xiàn)場進行的各類原位試驗;⑤物探數(shù)據(jù),包括在地表布置的各種物探剖面,鉆孔中進行的綜合測井、跨孔物探剖面,探硐內(nèi)布置的波速測試等內(nèi)容;⑥已有的圖件,搜集到的前期工作成果,包括剖面圖、平切圖等。這些數(shù)據(jù)都可以用來建立地質體的三維幾何模型以及相應的屬性模型。

1.2 數(shù)據(jù)整理

實際生產(chǎn)中搜集到的數(shù)據(jù)有多種來源、多種格式,需要對這些數(shù)據(jù)進行分類整理,使之滿足參與建模的條件,數(shù)據(jù)整理過程中還需要對收集到的數(shù)據(jù)進行檢查,對于錯誤的、不合理的數(shù)據(jù)要識別剔除,互相矛盾的數(shù)據(jù)要進行處理。

(1) 地形數(shù)據(jù)。對于地形數(shù)據(jù)來說主要來源于CAD格式的地形圖等高線,測量的三維點(x,y,z),數(shù)字線劃圖(DLG),數(shù)字高程模型(DEM)等[3],還有剖面、平切圖中的地面線,鉆孔孔口、平硐硐口坐標,地質點坐標等。按照邏輯可以處理成帶高程的CAD格式的平面圖和D(x,y,z)格式的文本。需要將相應的地表面數(shù)據(jù)提取出來單獨存放為一個圖層,并核實其正確性與合理性,以線對象(curve)直接導入建模平臺;數(shù)據(jù)文件以文本格式保存,也可直接導入為點集參與建模。

(2) 地質數(shù)據(jù)。地質要素主要以其空間產(chǎn)出邊界描述來控制建模,需要從搜集到的數(shù)據(jù)中提取出來,主要是描述地質要素的空間產(chǎn)出位置,確定其三維坐標。針對每一個地質要素從平面圖、剖面圖、平切圖、物探解譯剖面等中提取出其空間產(chǎn)出邊界,以CAD格式的平面圖或者空間三維點集來表達。勘探(鉆孔、平硐等)揭露數(shù)據(jù)可從數(shù)據(jù)庫中提取,導入建模平臺參與建模。

(3) 試驗和物探數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)主要以數(shù)據(jù)庫或者文本文件方式來處理,描述具體空間位置的地質要素的專業(yè)屬性,數(shù)據(jù)格式為(x,y,z,a1,a2……an),其中x,y,z是其空間三維坐標,a1,a2……an是坐標位置的若干屬性值。導入三維地質建模平臺,形成帶有若干屬性值的三維點云,點云中的每一個點都可帶有若干個地質專業(yè)的自定義屬性及其屬性值。物探數(shù)據(jù)中可抽象為空間位置加物理屬性的部分,也可以用此方式處理,導入模型參與建模。

1.3 三維地質模型建立

三維地質模型包括幾何模型和屬性模型,幾何模型主要描述地質要素的空間產(chǎn)出狀態(tài)和相互關系,而屬性模型主要描述地質要素的地質屬性。一般地說幾何建模屬于基本應用,包括地質界面和地質體的建模,地質界面建模主要是地表面和各類地質界面的模型構建,地質體模型的構建主要是通過表面封圍或實體法描述地質體,主要用于模型展示或力學分析,而屬性模型是基于幾何模型基礎之上的高級分析應用。本文著重討論三維幾何面模型的構建。

(1) 地表面建模:地表的數(shù)據(jù)主要有等高線和DEM,數(shù)據(jù)結構都可以處理成點集pset(point|point(x,y,z))格式,處理過程主要有:①將DEM柵格數(shù)據(jù)轉換為三維離散點,取柵格中心坐標作為離散點的(x,y),取柵格屬性為三維離散點的z坐標;dxf格式的等高線數(shù)據(jù)直接導入三維建模平臺;②將坐標文件導入建模平臺形成點云,將dxf格式的等高線導入形成線集;③通過點集或線集來創(chuàng)建地表面,有兩種途徑:其一是通過離散點直接生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),這種辦法的優(yōu)點是嚴格地控制了地表面的形狀從而可以精確地描述地形表面,缺點是地面網(wǎng)格與控制點的位置一致,均勻性、美觀性較差;其二是構建一個曲面,用等高線或點云約束曲面,使用DSI方法進行插值和網(wǎng)格細分,經(jīng)過若干次的迭代,最終確定曲面。其優(yōu)點是曲面平滑,缺點是經(jīng)過了平滑處理局部地表面與等高線描繪的稍有出入。

(2) 地質要素建模:地質要素類主要包括地層、巖性界面,斷裂帶、軟弱夾層等結構面,可以抽象為空間三維曲面的建模。地質要素的空間曲面有兩類:一類是需要若干空間控制點來描述其空間位置和形狀的,可以采用類似地表面建模的方式來處理;還有一類可以通過幾何解析法描述的,比如空間三維點加法向量或者地面出露跡線加切向量,這類地質要素的建?？煞殖梢韵虏襟E。

首先進行地表出露線的建模,從CAD格式的平面圖中提取相應要素的地表出露跡線,由于出露跡線各節(jié)點高程不一,在人工勾繪時很少帶有高程信息,這就需要將其映射到地表面,使其每個節(jié)點都具有高程信息,還需要控制節(jié)點的密度使其盡量均勻順滑,就得到一條具有高程信息的地質要素在地表的出露跡線。其次將三維曲線用其產(chǎn)狀信息拉伸一定的距離得到一個三維曲面,形成該地質要素結構面的宏觀基本形態(tài)。如果有該結構面的鉆孔、平硐等勘探揭露數(shù)據(jù)以及已有剖面或物探解譯成果等,再以這些數(shù)據(jù)(包含空間位置和產(chǎn)狀)約束三維曲面,進行插值擬合。如此操作得到的曲面,在宏觀形態(tài)上滿足地表出露線和產(chǎn)狀,在局部滿足勘探揭露位置和產(chǎn)狀的精確約束。

重復以上過程,對每個地層巖性界面、斷層、軟弱夾層等地質要素進行遍歷,分別建立各自相應的曲面幾何模型(如圖1)。

2 地質專業(yè)應用

2.1 專業(yè)圖件的繪制

工程勘察服務于工程設計,工程地質專業(yè)在整理勘察成果時經(jīng)常需要在建筑物位置切剖面(如:壩軸線、導流/發(fā)電/尾水洞軸線等),并且建筑物的位置經(jīng)常會有變更,隨著勘察階段的深入地質對象的空間展布也經(jīng)常會作調整。這些剖面之間經(jīng)常會有交叉,互相之間需要協(xié)調一致,校核工作量很大。傳統(tǒng)的做法是在地質平面圖的基礎上切制剖面圖,建筑物位置或地質平面圖變更之后就要重新切制,并且要重新校核相交剖面。構建了三維地質模型之后,可以批量生成地質剖面圖、平切圖,可以在建模平臺內(nèi)鼠標定位剖面,也可以通過數(shù)據(jù)文件定義剖面空間位置,通過導入數(shù)據(jù)文件自動批量生成生產(chǎn)中所用的圖件。其中的最大方便之處是:①建筑物位置變動或地質模型修改之后,重新批量全自動切制剖面圖,方便快捷;②不存在交叉剖面的互相矛盾問題,也就不需要技術人員校核其一致性,顯著提高實際生產(chǎn)過程中剖面的生成和修改效率。

圖1 地質要素界面曲面建模Fig.1 Surface modeling of geological elements interface

圖2 批量剖面圖輸出Fig.2 Output of batch profile

2.2 與設計專業(yè)協(xié)同

工程設計專業(yè)經(jīng)常需要根據(jù)地質條件來布置建筑物,如大壩建基面的確定,防滲帷幕的底界的確定等,因此需要將地質模型和水工設計模型融合起來,協(xié)同工作。三維地質模型可以通過特定的格式導入設計平臺,通過縮放平移操作使得坐標系空間定位一致,從而與水工建筑物模型進行融合(如圖3),方便地實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設計。

圖3 地質模型與水工建筑物模型融合Fig.3 Fusion of geological model and hydraulic structure model

3 結論

在生產(chǎn)項目中總結形成了三維地質建模流程,對數(shù)據(jù)收集整理、數(shù)據(jù)庫導入、地質要素的幾何建模等過程進行了流程化。

通過三維地質建模平臺,可完成批量剖面/平切圖的切制,相交剖面的校核,巖層界面、結構面等的視傾角校核都自動滿足要求,減小了技術人員的工作量。三維地質建模平臺可與三維設計平臺數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)地質與水工模型融合,進行協(xié)同設計等功能,顯著提高生產(chǎn)效率。

三維地質體的建模還需要進一步的探索,在地質模型與計算模型的共享、三維地質體屬性建模等方面尚需研究加深應用。

[1] 王明華,白云.3D地質建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].土工基礎,2006,20(4):68-70.

[2] 孟小紅,王衛(wèi)民,姚長利,等.地質模型計算機輔助設計原理與應用[M].北京:地質出版社,2001:1-7.

[3] 湯國安,劉學軍,閭國年.數(shù)字高程模型及地學分析的原理與方法[M].北京:科學出版社,2005.

(責任編輯：陳姣霞)

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The Application of 3D Geological Modeling in Water Conservancy andHydropower Project

HOU Qingbo, QI Jumei, PEI Lina, LIU Hao

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

This paper briefly introduces the characteristics of ItasCAD 3D geological modeling software,and summarizes the whole process from data collection,sorting,importing to 3D geological modeling,and to the application of 3D geological model in production practice,and in the end it proposes some questions of the creation and application of 3D geological geometric model and atribute model.

3D geological modeling;geometric model;attribute model;DSI

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

侯清波(1973-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業(yè),從事三維地質建模技術研究及其應用、工程勘察信息化等方面的工作。E-mail:houqb@163.com

TV222.2

A

1671-1211(2016)03-0328-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.019

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.028.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24