復雜礦區三維地質可視化及數值模型構建

王玉山

（內蒙古赤峰地質礦產勘查開發院，內蒙古 赤峰 024005）

當遇到模擬復雜地質體的工具較為缺乏時，用戶在對復雜地質體進行構建的過程中，就必須對其進行大量的簡化，否者就會出現計算機所設計出來的模型不符合地質體的實際情況。使計算結果的準確性也不可避免地受到了很大的影響。如今在國外，新型的可視化軟件以及三維見建模的相關技術與產品正在不斷的被開發出來，這些產品與技術在石油以及煤礦的開采等領域得到了廣泛的應用。在我國，三維地質可視化技術雖然發展不到二十年，但也發展得十分迅速，已經開發了多種軟件，一些常見的有北京理正研究院研究的三維地質建模軟件等。這些軟件在對地質體進行模擬的過程中，具有一定的優越性。它可以對復雜地質體在三維建模過程中出現的疑難問題進行有效的解決，并且在水利、采礦、地質等巖土領域廣泛應用，給很多工程的施工帶來了極大的便利。

1 Surpac復雜地質體的三維模型

關于 Surpac 復雜地質體的三維模型有兩種不同的方式，分別是線框模型和塊體模型。所謂的線框模型就是指實體表面形態的表現方法，線框模型不僅可以用來對巖層層位面、地形等封閉相對較弱的實體進行表現，而且它還可以對不同的巖性區域以及礦體等封閉較好的實體進行表現。一般情況下，線框模型都是采用不規則三角網（TIN）來對地質實體的表面形態來進行表現的（模擬情況與實際情況無限接近），生成的TIN 的方法通常是利用Delaunay 三角形連法來完成的，這種連接的原理就是：通過隨機分布的數據點連接成三角形，同時每一個三角形的外接圓未覆蓋除構成該三角形3個頂點之外的其他任意點，具體參照圖1.

圖1 Delaunay 三角形連法

塊體模型則是利用八叉樹狀的結構來對三維地質體的模擬空間分布進行表現的，其表現的基本思想就是在模擬的幾何空間中，將地質體的實際分布按照相應的尺寸將其劃分為多個單元快，最后再對這些單元快進行賦值。在模型的選擇方面要慎重。我們可以根據線框模型的特點，將巖體的空間邊界、幾何形態、空間結構完整地描述，并對節理、斷層、空區、礦體、巖層、地表三維結構等進行準確地表達。塊體模型基于線框模型，對其內部應用規則六面體進行解剖，要能夠做到逐層分級，對模型邊界的相關問題進行完善，在對模型進行剖分時，各個單元的類型只能是六面體，且它們之間的大小也必須是倍數關系，這就導致了網格不能進行單元漸變，使得線框模型與塊體模型之間的邊界不能完全重合，這就在一定程度上降低了模型的精度。由此可見，兩種模型相比，線框模型的效果相對好一點，GTS 復雜地質體模型如果有效利用Surpac 三維復雜地質線框模型，這樣做不僅能在軟件進行數據處理前就將其操作方法進行簡化，而且還能在一定程度上提高該模型的精確度。

2 MIDAS／GTS復雜地質體的數值模型

過去的數值計算模型很難正確表現出線框模型的實際形態，一般都被簡化為了規則平面來代替，這樣的處理方法會造成線框模型與地質體實際形態不相符。

2.1 表面模型的構建

一般用來虛擬地形和表面的就是表面模型，它都包含了很多離散的、空間分布不勻的散點，將這些散點進行聯接，就可以組成一個三角網。在Surpac 中建立的地表、巖層和斷層模型都屬于表面模型。一般表面模型都是由許多等密線連接點間三角網組成，線的密集程度可以直接反映出表面模型的精確度，例如在地表模型的建立時，等高線的間距越小，所建的模型就越精確，而同時所占用的計算機內存也相對很大。為了成功將表面模型無縫轉換為GTS 數值模型，可以通過研究Surpac 與GTS對表面模型的各自表達特點，現在就用地表模型作為例子，說明幾種方法：1.在GTS 強地形生成器的幫助下，直接讀取三維DXF 線文件，鎖定建模范圍以及精度，從而生成不規則的復雜地表模型；2.對TGM 建立的地表模型直接讀取，用坐標平移或者轉換等形式生成GTS 地表模型，如圖2 所示。

圖2 GTS 三維地表模型

2.2 實體模型的構建

由于表面模型一般僅能夠表現開放物體的外部信息，而對于封閉物體全部形態的表現，就需要運用實體模型，例如礦體、采空區和巷道模型等。實體模型的建立相對表面模型顯得更加復雜。以采空區為例，實體模型無縫轉換為 GTS數值模型的方式有以下幾種：1.對采空區數據后的處理進行實測，并在Surpac 中建立實測的采空區實體模型，如圖3所示；2.對剖面線進行編輯，輸出后成為三維DXF 線文件；3.通過GTS 接口程序讀取三維DXF 線文件，并將坐標平移或轉換，最終使得采空區模型的實測在軟件中再現。

圖3 Snrpac 線框模塑

3 結束語

由于復雜地質體的三維數值模擬是一種十分復雜，并有不少影響因素的技術，所以我們應基于線框模型和塊體模型的對比，將第一次提出的Surpac 線框模型在復雜礦區地質體三維模型的建立加以利用，就能將無縫轉化為GTS 數值計算模型，這樣可以使數值模擬軟件前處理得到簡化，模擬計算精度也大為提高。還有，要注意表面模型和實體模型的特點各不相同，應充分研究怎樣將其分別轉化為數值計算模型的方法，再將Surpac 和GTS 各自的優點相結合，就能為采礦、水利等巖土工程領域的數值模擬分析方法帶來極大的便利，創造更多的利益空間。

[1]劉曉明,羅周全,楊彪等.復雜礦區三維地質可視化及數值模型構建[J].巖土力學,2010,31（12）：4006-4010,4015.