吳永忠

(貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學院，貴州 貴陽 551416)

1 概述

目前，地形地質(zhì)圖的三維建模在石油、礦山、水利、市政道路等行業(yè)都有應用[1]，并且涌現(xiàn)出gocad、surfer、ITsCAD、autoCAD 3dcivil等許多優(yōu)秀的3D地質(zhì)建模軟件。隨著工程建設的發(fā)展，三維地質(zhì)建模由于其空間任意方向觀察的可視化，能夠幫助地質(zhì)工作者解決許多復雜的地質(zhì)構(gòu)造問題，也能夠與地質(zhì)平面圖件制圖相結(jié)合，快速地把立體模型轉(zhuǎn)化成平面圖件，所以三維地質(zhì)建模被廣大地質(zhì)工作者越來越多的認可與使用[2]。

目前三維地質(zhì)建模需要大量數(shù)據(jù)支撐，需要設置很多邊界條件，操作復雜，地質(zhì)界面也多是根據(jù)數(shù)據(jù)擬合推斷，使得建立地質(zhì)模型既費時費力，又不能隨時按照地質(zhì)工作要求隨時修改分析[3]。簡易與快速制作三維地質(zhì)模型就非常必要[4]。廣大地質(zhì)工作者也迫切希望能夠有一種方法創(chuàng)建地質(zhì)三維模型，像使用CAD繪圖軟件一樣簡單易用。

3dsmax是一款非常優(yōu)秀的三維建模軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，其功能非常強大，應用廣泛。同時其操作簡單，經(jīng)過渲染的三維模型效果非常逼真。該軟件常常用于室內(nèi)設計、三維動畫的制作等等。在地質(zhì)上，由于地表地形地貌的復雜性和不規(guī)則性，用3dsmax直接建模非常困難，所以該軟件幾乎沒有被應用于地質(zhì)建模方面?；?dsmax軟件的使用的廣泛性和穩(wěn)定性，本文就基于3dsmax的三維地質(zhì)建模進行初步探討。

2 基本思路

地形地質(zhì)圖的三維建模，主要從兩個方面進行，首先是地表地形地貌的建模，這是地質(zhì)建模的最重要的部分即地表建模部分。用3dsmax進行地表地形地貌的建模是非常困難的事情，其繪制地形等高線的速度精度遠不及CAD軟件，所以這也是這個軟件在地質(zhì)上應用不廣的原因。這部分工作，我們可以利用CAD繪圖軟件完成，然后導入3dsmax之中即可。其次是地下地質(zhì)構(gòu)造的建模。地下地質(zhì)構(gòu)造多為面和體，用3dsmax創(chuàng)建非常方便。以前地質(zhì)建模多數(shù)是根據(jù)鉆孔資料或多個地質(zhì)剖面，推延地下[5]。本文另辟蹊徑，從地表地質(zhì)構(gòu)造與地下地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性，以地表的地形地質(zhì)圖為基礎，推延至地下獲得地下地質(zhì)構(gòu)造，再通過地下地質(zhì)構(gòu)造的合理性，反推地表，來解釋地表地質(zhì)構(gòu)造的可行性，這樣就可以很好地解決平面圖和立體空間的相互矛盾問題，使地質(zhì)成果更加合理。以下以某地形地質(zhì)圖為例，詳述3dsmax建模的方法和過程。

3 三維地形地質(zhì)圖建模的方法

3.1 用CAD對光柵地形地質(zhì)圖進行矢量化

矢量化地形地質(zhì)圖是三維建模的基礎，用CAD軟件對地形地質(zhì)圖光柵圖紙進行矢量化，對等高線賦值。矢量化地形圖，要考慮水平與垂直地形圖的比例尺的協(xié)調(diào)性，避免在轉(zhuǎn)化成三維圖形時，地形失真。

地形地質(zhì)圖在矢量化過程中，要建立不同的圖層。特別是地形等高線要單獨構(gòu)建圖層。地層界線、斷層等其他地質(zhì)要素都要單獨構(gòu)建圖層，這樣在導入3dsmax中時可以根據(jù)需要分層導入，也就是只導入地形地貌數(shù)據(jù)(圖1)，其他數(shù)據(jù)就不用考慮。

圖1 導入矢量化地形圖Fig.1 Importing the vectorized topographic map

3.2 用3dsmax創(chuàng)建三維地形模型

三維地形建模是三維地質(zhì)建模的主要部分，在3dsmax中，通過“導入”，鏈接AutoCAD文件，選擇等高線圖層，附加該文件，就把地形等高線在3dsmax中打開了，此時等高線已經(jīng)按照不同高程顯示了。在3dsmax選中等高線，打開“創(chuàng)建”“復合對象”，找到里面的“地形”按鍵，即可把CAD地形圖轉(zhuǎn)化為三維地形圖，3dsmax會將等高線間填充覆蓋形成高低起伏的地形面(圖2)。

圖2 將等高線覆蓋成地形曲面Fig.2 Covering the contour lines with terrain surface

3.3 在三維地形上將地形地質(zhì)圖的平面圖貼圖

將平面地形地質(zhì)圖轉(zhuǎn)成光柵圖片，按圖區(qū)修剪另存。打開3dsmax材質(zhì)編輯器，選中一個材質(zhì)球，點擊漫反射-位圖-選中要插入的光柵圖，然后打開修改按鈕，選中要貼圖的地形模型，再找到修改按鈕下UVW貼圖，點擊選中。然后返回材質(zhì)編輯器，點擊將材質(zhì)指定給選定對象，再點擊在視口中顯示明暗處理材質(zhì)，地形地質(zhì)圖就被貼在三維地形模型上了(圖3)，此時地表地質(zhì)構(gòu)造特征也表現(xiàn)在三維地形模型的起伏曲面上了。

圖3 將地形地質(zhì)圖貼圖于地形表面Fig.3 Mapping the topographic-geological map to the terrain surface

3.4 地下地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的建模

地下地質(zhì)構(gòu)造往往與地表地質(zhì)構(gòu)造是相互聯(lián)系的，傾斜的面狀地質(zhì)構(gòu)造在地表的出露界線，在地形地質(zhì)圖上會表現(xiàn)出“V”字型分布特征。我們在確定地下面狀地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)時，就是利用它在地表的表現(xiàn)來繪制其地下地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，再結(jié)合面狀構(gòu)造等的產(chǎn)狀進一步繪制地下的地質(zhì)構(gòu)造(圖4)。

圖4 完成地下地層構(gòu)造的創(chuàng)建Fig.4 Constructing the underground stratigraphic structures

4 三維地質(zhì)模型在地質(zhì)上的應用

三維地質(zhì)模型的建立，可以使平面的地質(zhì)條件表現(xiàn)出立體化，對于我們分析地下各個方向的地質(zhì)構(gòu)造特征，就成為了可能[6]。另外，我們可以選擇任意方向繪制其地質(zhì)剖面圖，避免了平面圖分析可能出現(xiàn)的相互矛盾的問題。

4.1 繪制任意方向的圖切地質(zhì)剖面

地質(zhì)模型構(gòu)建好之后，不光可以觀察地質(zhì)構(gòu)造的相互關(guān)系，還可以在地質(zhì)模型上切制地質(zhì)剖面(圖5)，繪制任意方向的地質(zhì)剖面，解決了地形地質(zhì)圖分析中圖切地質(zhì)剖面圖相互矛盾的問題。地質(zhì)剖面圖是平面圖分析的重要的手段之一，在平面圖繪制過程中，不同方向的地質(zhì)剖面圖往往會存在方向和深度及相互關(guān)系矛盾的問題，用三維模型切制地質(zhì)模型就很好地解決了這方面的問題。

圖5 繪制某一確定方向的地質(zhì)剖面Fig.5 Mapping the geological profile in a given direction

在3dsmax中，找到創(chuàng)建-圖形-截面，選好截面位置，再到修改-截面找到截面，進行命名。截面線就自動生成了。

選擇截面線，另存為3ds文件，旋轉(zhuǎn)調(diào)整好剖面位置，然后導出為CAD文件，就可以在CAD中進一步編輯完善了。

4.2 觀察隱伏地質(zhì)構(gòu)造的合理性

對于地形地質(zhì)圖中，局部出露的地質(zhì)構(gòu)造，在圖區(qū)其他部位地下也有分布，但常規(guī)平面圖分析可能不準確或有困難，通過三維模型的構(gòu)建，就可以在地表以下分析其構(gòu)造的相互關(guān)系，研究其地質(zhì)構(gòu)造的合理性了。

5 結(jié)論

目前，三維建模在工程建設、教育教學過程中得到了越來越多的應用，其技術(shù)也越來越成熟，基于專業(yè)性和技術(shù)性的融合也正在不斷展開。利用常規(guī)熟悉的軟件來開發(fā)三維地質(zhì)模型，讓大多數(shù)工程建設人員也能簡便快捷創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，應用三維地質(zhì)模型，也應是一個重要的方面[7]。

(1)利用3dsmax可以方便的創(chuàng)建地形模型和即時修改完善

3dsmax自帶地形建模工具，能夠方便的對某地區(qū)地形進行建模，其交互性好，可以根據(jù)地形圖中等高線表現(xiàn)的微地貌進行局部地形地貌的調(diào)整。這相較于利用坐標和高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格建模的其他三維軟件，具有很大的方便性。

(2)能方便地創(chuàng)建產(chǎn)狀穩(wěn)定的傾斜巖層和水平巖層

根據(jù)地形地質(zhì)平面圖的地質(zhì)特征，3dsmax可以非常方便的創(chuàng)建傾斜巖層和水平巖層的地下地質(zhì)界面，即直接根據(jù)地表的地質(zhì)界線繪制出地下的地質(zhì)界面，相較其他三維地質(zhì)模型制作軟件利用地下高程數(shù)據(jù)來擬合地質(zhì)界面，更方便更直接更準確。

(3)對曲面地質(zhì)構(gòu)造的創(chuàng)建，3dsmax也能很好地表現(xiàn)出來

根據(jù)地表地質(zhì)構(gòu)造的特征，合理延伸至地下，然后再與地表地質(zhì)界線相擬合，就能把地下的地質(zhì)界面與地表的地質(zhì)界線較好地進行匹配，使地質(zhì)體整體的表現(xiàn)更合理。

3dsmax進行三維地質(zhì)建模，主要用于表現(xiàn)地下淺層的地質(zhì)構(gòu)造的建模，用于鉆孔數(shù)據(jù)較少時的地質(zhì)構(gòu)造建模，同時也可應用在地質(zhì)教學和中小型工程建設之中。這一方法最大的優(yōu)點是簡便快速、直觀、易于操作，同時又能幫助分析許多復雜的地表地質(zhì)現(xiàn)象的地下地質(zhì)構(gòu)造建模，對于解決相應的工程地質(zhì)問題提供有益的幫助[8]。