侯炳紳 徐俊 張必勇

摘要：三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)是水利水電工程勘察BIM工作的重要組成部分，是水利水電工程勘察信息化研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過深圳市羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程的具體實(shí)踐，探討了基于達(dá)索3DE平臺(tái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模及可視化的一般過程，包括覆蓋層下底面插值、實(shí)體模型構(gòu)建、三維展示等，重點(diǎn)研究了覆蓋層、風(fēng)化面等地質(zhì)體的插值算法，為達(dá)索3DE平臺(tái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模提供了有效技術(shù)手段，大大提高了建模效率，增強(qiáng)了項(xiàng)目三維可視化效果。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模； 可視化； 3DE平臺(tái)； 覆蓋層插值算法； 羅鐵項(xiàng)目

中圖法分類號(hào)： TV22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.050

0引 言

19世紀(jì)的制圖技術(shù)運(yùn)用不同顏色和符號(hào)來表達(dá)二維地質(zhì)圖中復(fù)雜的空間與時(shí)間關(guān)系。20世紀(jì)70年代早期，第一代由計(jì)算機(jī)制作的試驗(yàn)性彩色地質(zhì)地圖技術(shù)只能完成相對(duì)簡(jiǎn)單的制圖任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的提高及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、三維技術(shù)的迅猛發(fā)展和日漸成熟，在地學(xué)領(lǐng)域，以二維平面圖和剖面圖為主的傳統(tǒng)的地質(zhì)信息表達(dá)難以滿足現(xiàn)代水利水電工程勘察信息化發(fā)展趨勢(shì)的迫切需要，三維地質(zhì)建模及可視化的研究已受到廣泛重視［1］。所謂三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling），就是指采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在三維環(huán)境下，綜合運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、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［2-3］，來研究地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部物理、化學(xué)屬性等地質(zhì)信息，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。它是地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、圖形圖像和科學(xué)計(jì)算可視化等學(xué)科與技術(shù)交叉形成的一門新興技術(shù)［4］。

目前全球三維設(shè)計(jì)軟件比較流行的高端軟件有法國(guó)達(dá)索公司的3D Experience平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“3DE平臺(tái)”）、美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司的Pro/E，以及Unigraphics Solutions公司的Unigraphics等；中低端三維設(shè)計(jì)軟件有達(dá)索公司的SolidWorks、AutoDesk公司的Revit、Intergraph公司的SolidEdge、Bently公司的MicroStation等。法國(guó)達(dá)索公司的3DE平臺(tái)主要應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、汽車等行業(yè)，具有很強(qiáng)的曲面建模和協(xié)同設(shè)計(jì)功能，能滿足水利水電工程不規(guī)則復(fù)雜地質(zhì)體建模要求。但該平臺(tái)缺乏三維地質(zhì)建模的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于覆蓋層、風(fēng)化面等地質(zhì)體缺乏插值算法，需要進(jìn)行針對(duì)性研發(fā)?；诖?，本文探討了基于達(dá)索3DE平臺(tái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模及可視化的一般過程，以期為3DE平臺(tái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模提供技術(shù)支撐。

13DE平臺(tái)簡(jiǎn)介

法國(guó)達(dá)索公司的3DE平臺(tái)是近年來新推出的一個(gè)功能先進(jìn)而復(fù)雜的集成三維設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理于一體的軟件平臺(tái)，提供了三維建模、分析優(yōu)化、渲染仿真、項(xiàng)目協(xié)同管理等方面的600多個(gè)APP應(yīng)用。基于同一平臺(tái)，不同專業(yè)用戶可以基于同一種數(shù)據(jù)格式，選用不同的APP進(jìn)行三維設(shè)計(jì)工作，避免了不同軟件之間格式的切換和數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出。在三維建模方面，3DE平臺(tái)繼承了CATIA參數(shù)化建模及曲面建模的優(yōu)點(diǎn)，而3DE平臺(tái)采用了胖客戶端/Web客戶端加服務(wù)器的結(jié)構(gòu)形式，用戶啟動(dòng)自己的客戶端通過網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)以庫(kù)/數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存在服務(wù)器中，并有相應(yīng)的權(quán)限/版本信息，便于不同用戶之間的數(shù)據(jù)共享與查看。3DE平臺(tái)包含有CATIA軟件，對(duì)比舊版本CATIA軟件，3DE平臺(tái)為不同角色的使用者提供了協(xié)同的環(huán)境，在設(shè)計(jì)過程中，不同專業(yè)基于同一設(shè)計(jì)站點(diǎn)進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)了解、查看、引用相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)成果，將設(shè)計(jì)模式由串型設(shè)計(jì)模式變?yōu)榱瞬⑿性O(shè)計(jì)模式，解決了以往企業(yè)不同平臺(tái)間相互協(xié)作的問題。3DE平臺(tái)強(qiáng)大的曲面建模功能可滿足水利水電工程不規(guī)則復(fù)雜地質(zhì)體建模需求，但缺乏核心地質(zhì)建模插值算法，需要進(jìn)行二次開發(fā)解決其在三維地質(zhì)建模方面功能欠缺的不足。

2覆蓋層下底面插值算法

在水利水電工程勘察中，可以獲得且與覆蓋層有關(guān)的數(shù)據(jù)有：覆蓋層上表面、邊界（含地質(zhì)點(diǎn)）、鉆孔數(shù)據(jù)（覆蓋層厚度）和剖面線，其相互關(guān)系如圖1所示。其中邊界處覆蓋層厚度為0 m，鉆孔處厚度已知，剖面線可以通過取樣轉(zhuǎn)換為點(diǎn)（圖2）。以上點(diǎn)的高程和厚度均已知，統(tǒng)稱為已知點(diǎn)。相對(duì)于整個(gè)覆蓋層范圍而言，已知點(diǎn)的數(shù)量往往相當(dāng)有限，需要編寫插值算法對(duì)已知點(diǎn)之外的未知區(qū)域進(jìn)行合理的推測(cè)計(jì)算，以獲得連續(xù)完整的區(qū)域性數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過曲面轉(zhuǎn)換獲得覆蓋層下底面模型。覆蓋層下底面建模的核心在于根據(jù)已知點(diǎn)對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行插值，因此可靠、快速的插值算法是建立覆蓋層下底面模型的關(guān)鍵。

自然成因的覆蓋層常見的形式有殘積、坡積、沖積、洪積、滑坡堆積等，不同成因的覆蓋層按其厚度與地形的相互關(guān)系可以劃分為風(fēng)化殘積型與侵蝕堆積型兩類。

對(duì)于風(fēng)化殘積型覆蓋層，巖石風(fēng)化與原巖抗風(fēng)化特性、區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)及氣候條件等有關(guān)，其厚度受地面地形的影響較大，與地形坡度有較大聯(lián)系。一般地形平緩處較厚，斜坡處較薄，當(dāng)坡度大于45°時(shí)一般極薄，陡坡處厚度幾乎為0 m。因而其下底面一般隨地表地形的起伏而波動(dòng)。當(dāng)存在已知點(diǎn)時(shí)，其厚度控制范圍一般為30～50 m，局部可能會(huì)存在突變，距離越近影響越明顯，但同一方向上只受到最近已知點(diǎn)的直接影響。如圖3所示，在同一方向上點(diǎn)3處的厚度只受點(diǎn)1的影響，點(diǎn)2的影響可以忽略。該類型覆蓋層可以概括為厚度控制型。

對(duì)于侵蝕堆積型覆蓋層，其厚度與地面地形的關(guān)聯(lián)較少，一般較為穩(wěn)定。其下底面平整連續(xù)，呈水平或緩傾狀，表現(xiàn)為侵蝕停止時(shí)的原始特征。其厚度僅在溝槽處出現(xiàn)條狀變薄，在前緣處隨地形變薄，在后緣處自然尖滅。該類型覆蓋層可以概括為下底面高程控制型。

上述兩類覆蓋層共有的變化規(guī)律為：① 邊緣處厚度為0；② 從邊緣往中部逐漸變厚，但存在隨機(jī)性。

針對(duì)覆蓋層厚度分布的上述特點(diǎn)，在進(jìn)行插值算法選擇時(shí)應(yīng)滿足以下要求：覆蓋層邊緣處厚度應(yīng)為0；已知點(diǎn)處厚度值應(yīng)保持不變；與已知點(diǎn)距離越近，受其影響越大，且同一方向上應(yīng)只考慮最近點(diǎn)的直接影響；插值應(yīng)連續(xù)、較光滑，不能出現(xiàn)隨機(jī)性陡坎；新增、刪除、修改已知點(diǎn)時(shí)僅對(duì)修改點(diǎn)附近區(qū)域的計(jì)算產(chǎn)生影響，從而保證算法的穩(wěn)定性；算法應(yīng)簡(jiǎn)潔實(shí)用，利于在工程技術(shù)人員中推廣使用。對(duì)此，可將需插值的區(qū)域劃分為3部分：① 為已知點(diǎn)控制的區(qū)域；③ 為邊界附近漸變的區(qū)域；②為①與③之間的過渡區(qū)域，見圖4。

針對(duì)上述要求，對(duì)三維建模中曲面插值常用的算法進(jìn)行了對(duì)比研究，如反距離加權(quán)法、線性插值法、最小曲率插值法、多元回歸插值法、樣條函數(shù)插值法、克里金法（Kriging）、狄洛尼三角插值法等，以針對(duì)不同的區(qū)域選擇相應(yīng)的算法。

對(duì)于厚度型覆蓋層，其插值對(duì)象是厚度值?？紤]到算法的簡(jiǎn)潔、高效，本研究針對(duì)核心部分（區(qū)域①）選擇了狄洛尼三角插值法，該方法在計(jì)算時(shí)選擇不在同一方向的對(duì)插值點(diǎn)影響最大的3個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，符合覆蓋層發(fā)育的一般規(guī)律；對(duì)邊界附近（區(qū)域③），覆蓋層一般沿地表地形自然尖滅，可以采用線性插值法；對(duì)邊界與已知點(diǎn)之間（區(qū)域②），為了保證插值數(shù)值的連續(xù)、光滑，采用反距離加權(quán)法過渡。通過以上3種算法的組合運(yùn)用，能較好滿足覆蓋層插值計(jì)算中的上述需求。獲得厚度值后，可以通過原地面高程與插值計(jì)算得到的厚度相減，即可得到所需下底面高程值。

對(duì)于下底面高程控制型覆蓋層，其插值對(duì)象是高程值，區(qū)域①、②、③合并為一個(gè)區(qū)域，直接采用狄洛尼三角插值法，計(jì)算結(jié)果即為覆蓋層下底面高程值。

通過綜合運(yùn)用以上插值算法開發(fā)出計(jì)算機(jī)程序，在以上步驟完成后，對(duì)得到的下底面模型進(jìn)行檢查可見：① 邊界與已知點(diǎn)處均能與給定值保持吻合；② 其余部分插值點(diǎn)均位于上表面之下，無需人工處理；③ 得到的模型整體平順、連接自然，符合覆蓋層的發(fā)育規(guī)律；④ 算法高效簡(jiǎn)潔，對(duì)于面積為40萬m2的覆蓋層，計(jì)算時(shí)間在1 min左右，能滿足實(shí)際需求。

在實(shí)際應(yīng)用中，在已知點(diǎn)缺乏的區(qū)域，當(dāng)計(jì)算成果與地質(zhì)工程師的判斷有出入時(shí)，可以在該部位添加虛擬剖面，將工程師的認(rèn)識(shí)通過該剖面表達(dá)出來，并轉(zhuǎn)化為點(diǎn)后添加到原數(shù)據(jù)中重新計(jì)算。通過以上步驟的迭代使用，不斷優(yōu)化下底面曲面，最終可獲得較為理想的覆蓋層地質(zhì)體模型。

3羅鐵項(xiàng)目三維地質(zhì)建模及模型展示

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程（以下簡(jiǎn)稱“羅鐵項(xiàng)目”）是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內(nèi)配套項(xiàng)目之一。工程位于深圳市西北部城區(qū)，輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫(kù)取水，往南引入鐵崗水庫(kù)和沿途水廠，將西江來水在深圳境內(nèi)進(jìn)行合理分配和使用，實(shí)現(xiàn)新增境外水優(yōu)化配置，保障西部片區(qū)供水，滿足遠(yuǎn)期寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分）供水要求。該工程總輸水規(guī)模為260萬m3/d，屬Ⅰ等大（1）型工程。輸水干線主要建筑物均為1級(jí)（輸水干線、羅田水庫(kù)進(jìn)水口及鐵崗水庫(kù)出水口、檢修及滲漏排水井、分水井等）；與深圳支線連接隧洞、羅田水廠分水支線、五指耙水廠分水支線、長(zhǎng)流陂水廠分水支線、檢修交通洞為2級(jí)建筑物。利用自主研發(fā)的覆蓋層下底面算法完成5號(hào)工作井覆蓋層下底面模型如圖5所示，覆蓋層下底面與剖面點(diǎn)最大偏差為0.002 m，完全可以滿足建模精度要求。圖6為覆蓋層上表面與下底面位置關(guān)系，插值點(diǎn)均位于上表面之下，無需人工處理。該項(xiàng)目地質(zhì)模型展示如圖7所示。

4結(jié) 語

隨著現(xiàn)代水利水電工程勘探技術(shù)的進(jìn)步，三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)成為地學(xué)信息研究的熱點(diǎn)。地質(zhì)體是一個(gè)非均質(zhì)、各向異性的不連續(xù)三維實(shí)體，工程揭露地質(zhì)信息有限，基于離散鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。本文探討了覆蓋層、風(fēng)化面等地質(zhì)體插值算法，通過已知控制點(diǎn)對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行插值，新增剖面迭代計(jì)算可獲得非常理想的覆蓋層下底面模型，無需人工干預(yù)，彌補(bǔ)了達(dá)索3DE平臺(tái)進(jìn)行地質(zhì)建模缺乏核心插值算法的功能性不足，極大提升了建模效率。

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（編輯：黃文晉）