探析水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

■李明明 ■開(kāi)封黃河工程開(kāi)發(fā)有限公司，河南 開(kāi)封 475000

水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)具有多種優(yōu)點(diǎn)，將其合理的運(yùn)用到水利水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析中，可以利于提高工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用性。但目前所應(yīng)用的水利水電工程三維地質(zhì)建模軟件存在地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)與建模系統(tǒng)分離的弱點(diǎn)，影響軟件的有效應(yīng)用。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)從實(shí)現(xiàn)地質(zhì)建模數(shù)據(jù)庫(kù)與建模平臺(tái)一體化的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，對(duì)水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，如此有利于消除系統(tǒng)的弱點(diǎn)，提高三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的應(yīng)用水平。基于以上內(nèi)容的分析，筆者將在下文重點(diǎn)分析如何科學(xué)、合理的進(jìn)行水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。

1 三維地質(zhì)建模及其難點(diǎn)分析

1.1 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模是指在原始的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在相關(guān)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下經(jīng)過(guò)一系列的解譯、修正后，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)實(shí)際地質(zhì)實(shí)體對(duì)象的幾何形態(tài)、拓?fù)湫畔ⅰ⑽镄匀矫娴挠?jì)算機(jī)三維模擬，由此將各種信息綜合形成的一個(gè)復(fù)雜整體三維模型過(guò)程。由S.W.Houlding 提出的三維地質(zhì)建模是在一維、二維地質(zhì)數(shù)據(jù)解釋后建立的，大大超越了一維、二維地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使得其在地質(zhì)勘測(cè)中具有重要應(yīng)用。

三維地質(zhì)建模具有的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為:

(1)功能增多。基于CAD 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成的三維地質(zhì)建模，是經(jīng)驗(yàn)豐富的地質(zhì)人員修正、解釋原始資料得出的，大大提高了三維地質(zhì)建模的應(yīng)用性，使其應(yīng)用更加廣泛。

(2)細(xì)化了處理對(duì)象。以往所應(yīng)用的CAD 軟件，將處理對(duì)象設(shè)置為人工成品。但基于CAD 軟件而開(kāi)發(fā)出來(lái)的三維地質(zhì)建模軟件，不僅具有了更多的功能，還細(xì)化的了處理對(duì)象，即天然地質(zhì)體，使此種軟件的專業(yè)性增強(qiáng)。

(3)建模具體化。三維地質(zhì)建模以建立科學(xué)的、合理的地質(zhì)模型為主，促使其在建模的過(guò)程中大大細(xì)化了建模步驟，地質(zhì)建模更加具體化了［1］。

1.2 三維地質(zhì)建模的難點(diǎn)

因三維地質(zhì)建模軟件具有復(fù)雜化、具體化特點(diǎn)，所以利用三維地質(zhì)建模軟件來(lái)建立一個(gè)完整的、客觀的、準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型具有一定難度。在具體建模中，尤為需要解決難點(diǎn)為:

(1)空間關(guān)系極端復(fù)雜的地下地質(zhì)體。三維建模過(guò)程中，建立幾何結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系及相應(yīng)算法的三維數(shù)據(jù)模型成為首要必要條件。但空間關(guān)系極端復(fù)雜的地下地質(zhì)體的空間層次分布不連續(xù)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)巖性變化大，大大加劇了計(jì)算機(jī)建模中描述地下地質(zhì)體的難度，不利于建立合理的幾何結(jié)構(gòu)、明確拓?fù)潢P(guān)系，大大阻礙了三維數(shù)據(jù)模型的建立。

(2)難以獲得全面的原始地質(zhì)數(shù)據(jù)。因三維地質(zhì)建模軟件的應(yīng)用是基于對(duì)原始地質(zhì)數(shù)據(jù)資料分析來(lái)構(gòu)建地質(zhì)體的三維數(shù)據(jù)模型。但在實(shí)際工程建設(shè)中，工程地質(zhì)勘查容易受到技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、環(huán)境、人為等因素的影響，致使收集的地質(zhì)原始資料數(shù)據(jù)不全或不準(zhǔn)確，這將直接影響三維地質(zhì)模型的建立。

(3)地質(zhì)屬性的未知性和不確定性。影響地質(zhì)體屬性不確定屬性因素有很多，如原始數(shù)據(jù)不足、地質(zhì)體本身的復(fù)雜性等。在利用三維地質(zhì)建模軟進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型建立中，不確定地質(zhì)體的屬性，將難以保證地質(zhì)體的客觀性和準(zhǔn)確性，影響三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用［2］。

2 水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)三維地質(zhì)建模的分析，可以確定三維地質(zhì)建模存在一定難度，并且容易受到多種因素影響，致使其建模效果不佳。因此，為了提高水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的應(yīng)用性，科學(xué)、合理的進(jìn)行水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)是非常必要的。

2.1 三維地質(zhì)建模信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化的實(shí)現(xiàn)，要求建立符合系統(tǒng)特點(diǎn)的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。那么，如何設(shè)計(jì)三維地質(zhì)建模信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)?首先，對(duì)水利水電工程項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研，如項(xiàng)目的原始資料、地質(zhì)資料等，明確所建立的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用范圍。其次，借鑒外國(guó)先進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立思想，對(duì)我國(guó)三維地質(zhì)建模軟件的建模過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究，明確建模中數(shù)據(jù)的來(lái)源。最后，結(jié)合三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的特點(diǎn)及三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的目的，利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件及平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，使建成的數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)水利水電工程相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分類、存儲(chǔ)、檢索;可以準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)修改、查詢等操作;可以對(duì)用戶操作權(quán)限進(jìn)行管理。另外，為了保證三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的界面可以清晰、準(zhǔn)確的顯示各種操作功能，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)錄入界面時(shí)，一定要將檢索、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)下載等功能鍵合理、美觀的設(shè)計(jì)在界面中，以便用戶可以更加便捷、有效的操作數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 三維地質(zhì)建模平臺(tái)的設(shè)計(jì)

(1)三維建模平臺(tái)的搭建

為保證三維建模平臺(tái)的應(yīng)用性，通常采用CATIA 軟件來(lái)開(kāi)發(fā)這個(gè)復(fù)雜的三維建模平臺(tái)。CATIA 軟件作為應(yīng)用良好的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，在三維建模平臺(tái)過(guò)程中是根據(jù)平臺(tái)建設(shè)的要求，利用適合的工具來(lái)設(shè)置平臺(tái)的覆蓋層模塊、地質(zhì)層模塊、風(fēng)化層模塊等，并結(jié)合平臺(tái)的應(yīng)用順序，合理安排各個(gè)模塊，以便三維地質(zhì)建模平臺(tái)在接到命令的情況下，可以有序應(yīng)用。

(2)三維地質(zhì)模型曲面的構(gòu)造

因水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中會(huì)采用多種勘測(cè)手段，促使所采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)具有離散性、不規(guī)則的特點(diǎn)，如若直接運(yùn)用這些數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行三維地質(zhì)模型，會(huì)增加模型構(gòu)建時(shí)間，降低模型的準(zhǔn)確性。因此，不可避免的采用一些曲面差值與擬合算法來(lái)集合地質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建地質(zhì)模型的曲面，有利于構(gòu)建準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型。假設(shè)在任意截面上選擇M+1 個(gè)點(diǎn)作為地質(zhì)特征點(diǎn)，并且這些點(diǎn)可以生成地質(zhì)的曲面。基于CATIA 三維曲面造型的原理，可以求得地質(zhì)特征點(diǎn)組成的一個(gè)頂點(diǎn)控制矩陣，即為:

注:m、n 均表示為B 樣條基函數(shù);B 表示為樣條曲面特征網(wǎng)格的定點(diǎn);P(u，w)表示為m × n 次B 樣條曲面。

基于以上矩陣，可以求得3 次均勻B 樣條曲面的矩陣，即為:

由此，可以確定B 樣條曲面與B 樣條曲線均可以修改，所以，三維地質(zhì)模型曲面可以依據(jù)曲線的連續(xù)性來(lái)構(gòu)造［3］。

(3)三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和三維地質(zhì)建模平臺(tái)的設(shè)計(jì)，來(lái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。就以鉆孔數(shù)據(jù)建模為例，在鉆孔數(shù)據(jù)模型一體化設(shè)計(jì)中，首先是進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入，也就是利用CATIA 軟件將鉆孔資料導(dǎo)入到EXCEL 模板中，利用鉆孔導(dǎo)入插件將鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其次是虛擬鉆孔，也就是根據(jù)地質(zhì)剖面圖上地層的走勢(shì)來(lái)分析鉆孔的分布，進(jìn)而分析研究區(qū)域內(nèi)鉆孔，從而構(gòu)建虛擬鉆孔。再將虛擬鉆孔導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，將虛擬鉆孔相關(guān)信息填好，保存。最后是地質(zhì)模型剖切出圖。將鉆孔數(shù)據(jù)及虛擬鉆孔信息導(dǎo)出，利用VB 軟件來(lái)進(jìn)行2 次編程，并在三維地質(zhì)建模平臺(tái)上按自動(dòng)計(jì)算比例生成地質(zhì)模型剖切出圖［4］。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上內(nèi)容的分析，可以確定水利水電工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，可以將三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)與三維地質(zhì)建模平臺(tái)有效結(jié)合，從而生產(chǎn)三維地質(zhì)圖，為分析水利水電工程地質(zhì)問(wèn)題提供幫助。

［1］錢驊，喬世范，孟霞等.水利水電工程3 維地質(zhì)建模系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2014，46(6):101-106.

［2］鄭淞午.基于CATIA 的水利水電工程三維地質(zhì)建模技術(shù)研究［D］.中南大學(xué)，2014.

［3］梁昌玉.水電工程地質(zhì)體三維建模及其可視化研究［D］.蘭州大學(xué)，2010.

［4］王正.水利水電工程三維地質(zhì)建模可視化技術(shù)研究［D］.中南大學(xué)，2013.