夏艷華

三維地層信息系統(tǒng)三維地層模型所采用的數(shù)據(jù)模型為基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型特點是：其為體元數(shù)據(jù)模型，在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規(guī)則性和拓撲規(guī)則性。因此，該數(shù)據(jù)模型具有體元數(shù)據(jù)模型以及幾何規(guī)則與拓撲規(guī)則數(shù)據(jù)模型優(yōu)點的同時，不可避免地繼承了這些數(shù)據(jù)模型的缺點和不足，不足之處具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

⒈ 難以表達復雜地質(zhì)現(xiàn)象

三維地層信息系統(tǒng)地層數(shù)據(jù)模型能方便、有效地表達空間連續(xù)無間斷的簡單地層，但是，對于復雜地質(zhì)現(xiàn)象，如地層尖滅、透鏡體、礦體、斷層等，該數(shù)據(jù)模型則難以準確有效地表達其邊界，而且在表達復雜形狀的礦體和斷層時常常會失效。由于該數(shù)據(jù)模型人為地將地質(zhì)體分為上、下兩個界面，因而無法表達形狀復雜，不能將其邊界面人為分割為上下界面的礦體。同樣，在斷層的表達上，由于體數(shù)據(jù)模型不能描述二維曲面，因此，當斷層存在自由面，即斷層面或斷層面某部分不是任何一個體的邊界面時，該數(shù)據(jù)模型表達失效。

2.工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫的建立與資料的查詢檢索

鉆孔信息數(shù)據(jù)庫是建立地層模型的主要數(shù)據(jù)源，它包括三個表：鉆孔信息表、地層巖性信息表、地層巖性物理力學參數(shù)表。

該模塊可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢，包括關(guān)鍵字查詢和模糊查詢。該模塊提供了數(shù)據(jù)庫的輸入模塊，用于對數(shù)據(jù)庫進行管理，可以方便的對數(shù)據(jù)庫進行增加、追加、插入、刪除等數(shù)據(jù)庫維護操作。

2.1地層分層分析處理與網(wǎng)格生成

利用鉆孔及地質(zhì)剖面圖（虛擬鉆孔）等資料建立的地層間邏輯關(guān)系并將地層數(shù)據(jù)進行分層分析處理，采用式（2-1）所示曲面函數(shù)進行地層面網(wǎng)格插值，形成多層DEM地層界面，最后通過交叉判斷生成復雜地層結(jié)構(gòu)的計算機幾何網(wǎng)格模型。

2.2地層立體模型的顯示與分析

在三維地層模型中，地層面是由鉆孔數(shù)據(jù)插值擬合而成，其上下對應(yīng)的不同層之間則是由規(guī)則格網(wǎng)分解而成的三角網(wǎng)，由于它們在水平面上的投影是相同的，因此，上下對應(yīng)的三角形和豎直方向上互相平行的三條棱構(gòu)成了三棱柱結(jié)構(gòu)。由于地層模型是以三棱柱為基本體元，為了能在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上對地層模型的“切割”或“挖掘”進行表達，要求基本體元能夠進行分解，且分解后仍由基本體元構(gòu)成，以形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一致性。其中，三棱柱體元的分割一共存在5種不同的構(gòu)形。這5種切割組成了對三棱柱的基本切割方式，而且能保持數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的互補對稱性和旋轉(zhuǎn)對稱性。在切割時，規(guī)定每條邊與切割面最多只能有一個交點，這樣將三棱柱體元一分為二，并形成兩個多面體，這兩個多面體若不是基本體元，還可以再次進行剖分，以形成一個或多個三棱柱體。

利用建立的工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫與生成的地層結(jié)構(gòu)計算機幾何網(wǎng)格模型形成立體的地層模型并顯示于屏幕，可以從各個角度直觀地了解地下土層、巖層情況。軟件提供地層模型的轉(zhuǎn)動、縮放、切割任意剖面的功能以及制作三維模型圖、二維剖面圖等圖形?？梢宰屖褂谜叻奖愕氐玫街付ǖ貙拥木唧w信息。

3.巖土工程評估分析

在3DSIS與數(shù)值模擬集成研究方面，王純祥博士與王明華博士以基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別對三維地層信息系統(tǒng)與有限元集成以及三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成進行了研究。前者提出了基于關(guān)鍵點搜索技術(shù)集成三維地層信息系統(tǒng)與有限元分析的L-W模型，其基本思路是：通過搜索關(guān)鍵點，即三棱柱體元的邊界點得到各地層實體的表面，再對所得表面所圍成的地層實體進行網(wǎng)格剖分形成有限元模型;后者通過對三維地層模型網(wǎng)格幾何形狀及空間關(guān)系的概括，將三維地層網(wǎng)格（三棱柱體元）轉(zhuǎn)換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實現(xiàn)三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成。

難以模擬巖土工程活動。三維地層信息系統(tǒng)對諸如地下開挖、地下人工建筑等巖土工程活動進行了深入的研究。為了表達對地層模型的“切割”或“挖掘”，系統(tǒng)將三棱柱體元的分割歸結(jié)為5種基本切割方式。盡管如此，系統(tǒng)在表達對地層模型的“切割”或“挖掘”方面仍存在如下困難：①地層在開挖、回填以及地下構(gòu)筑物修建等施工過程中，其空間交切關(guān)系極其復雜，有可能出現(xiàn)開挖面或構(gòu)筑物侵入三棱柱體元面內(nèi)或體內(nèi)的情形，這些情形不能歸結(jié)為棱柱體元的基本切割方式之一，而且這些情形具有不確定解，難以進行有效的歸類，這勢必影響系統(tǒng)對地層模型“切割”或“挖掘”表達的完整性和健壯性。②地層模型在開挖、回填以及地下構(gòu)筑物修建等巖土工程活動中，必然引入新的地質(zhì)界面（如開挖面等），這些新的地質(zhì)界面破壞了地層上、下界面規(guī)則格網(wǎng)DEM網(wǎng)格點的一一對應(yīng)關(guān)系，使得地層模型空間拓撲關(guān)系復雜化而難以表達。③模擬達到一定精度的地質(zhì)體往往需要大量三棱柱體元，這使得“切割”或“挖掘”過程及其緩慢。

⒋模擬達到一定精度的地質(zhì)體往往需要大量三棱柱體元，這不僅占用大量計算機內(nèi)存，同時也無法實現(xiàn)三維地層的實時繪制

三維地層信息系統(tǒng)地層模型所采用的數(shù)據(jù)模型為基于多層規(guī)則格網(wǎng)DEM三棱柱體元數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規(guī)則性和拓撲規(guī)則性。這種數(shù)據(jù)模型在表達地層的局部細節(jié)上存在困難，當?shù)貙幽骋唤缑婢植科鸱鼊×視r，為了較為精確地表達該局部細節(jié)，地層模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)將成倍的增加，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，無法實現(xiàn)三維地層的實時繪制，交互式操作困難。

⒌ 模型網(wǎng)格形式很難滿足數(shù)值模擬網(wǎng)格要求，而且其相互轉(zhuǎn)換困難

三維地層信息系統(tǒng)網(wǎng)格多為細長的三棱柱網(wǎng)格，不滿足數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分的原則。盡管王純祥博士提出了通過搜索三棱柱體元的邊界點得到各地層實體的表面，再對所得表面所圍成的地層實體進行網(wǎng)格剖分形成有限元模型從而實現(xiàn)與有限元的集成，但是三維地層信息系統(tǒng)地層數(shù)據(jù)模型難以準確表達復雜地質(zhì)體的邊界，而且“切割”或“挖掘”常常產(chǎn)生“變態(tài)”單元，這使得網(wǎng)格剖分常常無法成功;王明華博士通過對三維地層模型網(wǎng)格幾何形狀及空間關(guān)系的概括，將三維地層網(wǎng)格（三棱柱體元）轉(zhuǎn)換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實現(xiàn)了三維地層信息系統(tǒng)與FLAC3D集成，但是這種處理方法無法消除細長的三棱柱單元，而且在復雜地質(zhì)體邊界處以及切割”或“挖掘”面處常常生成“變態(tài)”FLAC3D初始單元。