水電工程地質信息三維可視化研究及應用

張春峰，周小娟，賈新會，魯 博，李 浩

(1.中國電建西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065;2.湖北省地質調查院，湖北武漢 430034;3.依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司，湖北 武漢 430205)

目前，國內水利水電工程建設突飛猛進，工程地質勘察廣泛開展，隨著現代測量、信息獲取和信息處理等技術不斷進步，使得獲取各種高精度數據成為可能，傳統的地質信息管理及二維、靜態的表達方式已不能滿足繁重的設計任務［1－4］，因此，如何利用地質勘探和空間分析獲取的一系列空間離散數據來描述地質構造的空間展布情況，已成為當前地質學及計算機科學研究的重要課題。伴隨科學計算可視化技術和地質信息計算機模擬技術的發展，為建立基于可計算信息的三維地質模型提供了有效的方法，并在此基礎上實現人機可視化的交互分析與操作等。空間地質信息管理及三維可視化已經成為計算機在該領域應用的一個必然趨勢［3，5］，不僅可以實現地質信息的規范存儲、有效管理和高效應用，而且能夠直觀描述地下復雜的地質構造情況，形象地表達各構造要素的形態特征及空間關系，使人們直接、完整、準確地理解和感受地下的地質情況，為可視化分析和工程設計提供有效的支持［6］，同時使得處理繁重或相似性問題時的效率得到明顯提高。

對于地質信息三維可視化技術國外開展研究比較早，相應的理論和軟件較為成熟，并在市場上得到開發應用［7］，國際上有一些公認的比較成熟的地質建模分析軟件如 GOCAD，EarthVision，Vulan，Landmark，Supac，Microlynx，GeoSec等。這些軟件在油田勘探、石油開采和露天礦開采等領域得到了頗有成效的應用［8］，但其費用和硬件要求高，并且已有商業三維建模軟件，或因“普適性”而不符合中國水利水電工程地質實際情況，或因較強的行業專屬性，對地質的分析思維不同，致使工程地質分析存在一定差異，在水利水電行業難以得到推廣使用［9－10］。國內總體技術水平相對較為落后，一些學者結合實際工程對地質信息三維可視化與分析也開展了一些應用研究，這些工作雖然取得了一定的成果，但對于更大區域、更復雜的地質構造和更高的地質分析需求，以及地質信息規范存儲、管理和高效應用等方面存在一定的局限性。

本文在總結前人工作的基礎上，針對國際上地質體可視化技術的發展歷程和應用現狀，結合中國大型水利水電工程地質實際需求，采用國際先進的地質體模擬核心算法DSI和數據庫技術研發了水利水電工程地質三維可視化系統(ItasCAD)。該系統由三個模塊組成(圖1)，這三個模塊可以獨立運行，分別滿足地質信息管理、三維地質建模、三維模型應用三個方面的需要。

1 地質信息管理

圖1 三維可視化系統模塊設計圖Fig.1 Design of 3D visualization models

地質信息管理系統數據庫結構和功能設計以工程地質工作實際需要為出發點，采用水平分類和垂直分級共同組成樹形層次結構來組織地質數據，既體現了工程需要，也考慮了實際工作流程的應用方便。地質數據庫是管理地質信息和實現三維可視化的基礎，包括工程資源管理模塊和文件管理模塊，涵蓋地質、勘探、物探和試驗等資料，為全功能工程地質數據庫管理系統。在數據庫中可以對不同工程、不同階段、不同工程部位的對象進行查詢和統計，有效地實現數據管理和維護。系統功能設計思路及應用流程如圖2所示。

圖2 地質信息管理系統設計思路及應用流程Fig.2 Flow path of geologic information management system design

1.1 模塊設計

地質信息管理系統由數據庫、錄入、成果輸出、系統、程序等5個區塊組成，每個區塊內包含數量不等的圖標命令(圖3)，采用樹形層次結構組織管理地質數據，實現所需要的操作。數據庫具體功能設計上既服從現實工作流程的分工習慣，也打破了專業分工的制約。

1.2 功能和特點

地質信息管理系統不僅具備傳統數據庫的數據存儲、管理、查詢統計等功能，而且具有生成鉆孔柱狀圖和節理玫瑰花圖的功能，并可以為地質三維建模和分析輸出數據格式，實現了數據一次性輸入，多次應用，大大提高日常工作效率。此系統開發過程中考慮了地質人員的工作性質，實現了離線和在線兩種工作模式進行入庫和管理，實現了數據庫的分布式訪問，其中離線操作方式方便野外地質人員在沒有網絡的情況下對工程現場調查和勘探數據及時入庫，可以正常使用數據庫查詢、統計和成果輸出等基本功能，有效地對地質信息數據進行管理;在線模式下管理員通過用戶管理和角色管理賦予相應的工程和數據庫操作權限來操作，有效地保證了數據的正確性和完整性，滿足前方現場新采集數據向后方服務器數據庫的更新。

圖3 工程地質數據管理信息系統界面Fig.3 interface of engineering geology database

為方便三維地質建模，該系統可以實現勘探資料導入ItasCAD建模軟件，具有很好的數據管理和入庫檢驗的功能。地質人員登錄地質信息管理系統建立工程并設置工程參數包括地層、巖性、結構面編號、結構面類型及填充類型等，根據數據庫格式要求和三維地質建模需要錄入不同階段不同部位的鉆孔、平硐以及試驗數據等基本信息建立地質數據庫。將鉆孔和平硐勘探數據入庫之后，利用“導入至ItasCAD”功能，實現鉆孔和平硐的三維可視化顯示和勘探數據的入庫檢驗并運用到三維地質建模過程中。

2 三維地質建模

2.1 DSI建模技術

離散光滑插值技術(Discrete Smooth Interpolation，以下文中簡稱為DSI)實際上在20世紀20年代就開始得到發展和應用［11－13］。在20世紀90年代法國科學家Mallet［14］提出一個迭代算法并進一步總結形成了一套專門針對地質體建模及分析的理論，并在GOCAD中植入該方法，廣泛應用在采礦、石油等領域進行三維地質建模與分析。DSI作為目前國際領先的三維地質建模技術，它的優勢在于唯有其能夠準確表達復雜地質界面的非連續性和多值性??王小兵、張春峰、賈新會等，DSI技術在工程地質三維建模中的應用，中國水力發電工程學會第五屆地質及勘探專業委員會第二次工程地質學術研討會論文集，2014。，且可以根據各種約束條件實時擬合構建復雜的(褶皺、透鏡體)(圖4)、非連續性(斷層、覆蓋層)(圖5)的具有二元結構的地質模型，并且能根據地質勘探資料的變化進行實時修改和局部調整而不必重新建模。

圖4 透鏡體建模過程Fig.4 The modeling process of lenticle

圖5 采用DSI方法構建非連續性斷層模型Fig.5 DSI generated model of discontinuous fault

2.2 ItasCAD三維建模

ItasCAD是由依泰斯卡(武漢)工程咨詢有限公司開發的、具有獨立自主知識產權的三維地質建模與分析軟件，為國內首款利用DSI技術作為地質建模內核的軟件，與國際領先的地質建模軟件GOCAD相比，具有操作簡單實用、快速建模的特點。ItasCAD具有多種數據接口，可以與其他軟件(比如AutoCAD、Mircostation、Catia、GOCAD等)進行數據交換，還擁有完全獨立的底層圖形平臺，可以根據用戶需要開發各種三維可視化效果，使用方便，能滿足各行業的需求。

該軟件提供三維非連續和多值性復雜地質模型的快速構建(比如斷層、透鏡體)以及各種約束工具進行地質界面的構建和編輯，針對地質工作特點定制開發了單一層面、覆蓋層、斷層錯斷、透鏡體及二維工作面等5個建模“集成工作流”，以向導方式引導用戶完成模型構建和編輯。這種workfollow的工作方式能利用現有數據方便快捷地建立三維地質模型，而避免了對建模數據準備的盲目性，極大降低了三維建模軟件的應用難度。

三維地質建模時首先將數據庫中相關數據導入ItasCAD，根據實際建模需要選擇相應的集成建模工作流，將數據庫中所定義的地質界面(如地層界面、風化界面等)作為建模約束條件，采用DSI技術對層面進行擬合構建三維地質模型(圖6)。建模過程以地質數據庫為數據來源，隨著勘探工作和地質人員認識的不斷推進，可以實現地質模型的不斷調整和及時更新，保證地質模型的準確性和實時性，能夠體現地質工程師對地質體的認識過程。完成地質三維建模之后在二維工作面中可以實現剖面的局部調整，其結果自動反映在三維空間，即二維驅動三維模型，方便地實現了三維模型的校驗和修改。

圖6 三維地質建模流程圖Fig.6 Flow path of 3D geological modeling

3 二維圖形輸出

水利水電工程地質內業整理的重要任務之一是制作AutoCAD格式的二維地質圖，如平面地質圖、剖面地質圖、平切面圖等，傳統的手工作業不僅效率低下，而且采用二維視角描述三維地質體不可避免地存在一些局限性，導致成果之間可能出現矛盾。采用ItasCAD構建三維地質模型以后，二維圖形輸出模塊可根據不同設計方案中二維剖面線的布置輸入或者導入坐標點數據實現三維地質模型任意剖切，批量輸出符合地質出圖規范的二維地質圖包括地質剖面圖、平切面圖、平面圖以及等值線圖等不同類型圖件。二維出圖時可以根據規范要求對每一個對象屬性進行定義或將數據庫中屬性更新至二維剖面，然后導出DXF格式。

經過實際工程的檢驗證明，二維應用模塊可做到各二維圖一次性符合實際生產標準80%以上，自動化應用大幅度地減少了地質工程師內業重復工作量，特別是以格式文本的方式保存和調入，批量輸出圖件極大提高了出圖效率。圖例符號也可實時調用地質信息管理系統中的定義，并與二維輸出圖件自動保持一致。

4 應用實例

目前，該研究成果已在瑪爾擋水電站、巴塘水電站、NN3水電站和鎮安抽蓄水電站等十幾個實際生產項目中應用，成果滿足設計需求，軟件運行穩定。ItasCAD系統在這些工程中的一些典型應用成果如圖7所示。

圖7 工程應用成果Fig.7

5 結語

針對國內水利水電工程地質信息三維可視化的實際情況，采用DSI建模底層技術和二元結構框架，結合數據庫技術研發了地質信息三維可視化系統——Itas-CAD。該系統包含地質信息管理、三維地質建模、二維圖形輸出三個模塊，可進行與工程設計密切相關的三維可視化分析，很好地實現了國際先進建模技術與中國水電工程地質實踐需求的結合。通過工程實踐證明具有以下功能:

(1)可以實現不同工程地質信息的規范存儲、有效管理和高效應用管理，同時為三維可視化提供數據支持;

(2)以“集成工作流”向導建模方式引導用戶完成復雜地質模型的快速構建并可根據各種約束條件對地質界面進行編輯，其建模過程簡單，易操作，便于掌握應用;

(3)模型完成之后可以根據設計需求進行地質開挖和方量計算;

(4)可根據不同需求實現三維地質模型的任意剖切，批量輸出符合地質出圖規范的不同類型的二維地質圖件，極大地提高了二維地質出圖效率。

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