工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建中存在的問題

姬永尚

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000）

工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建中存在的問題

姬永尚*

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000）

地質(zhì)三維模型構(gòu)建是當(dāng)前國內(nèi)外地學(xué)界研究的熱點問題之一，它將地質(zhì)成果抽象為地質(zhì)模型，實現(xiàn)計算機的三維可視化分析與管理。工程地質(zhì)三維模型對工程決策、地質(zhì)分析預(yù)測及提高制圖效率有非常重要的意義，但由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性、不確定性、信息不完備等特點，使得工程地質(zhì)領(lǐng)域建立三維模型過程中存在諸多的問題。作者根據(jù)多年的建模經(jīng)驗，列出了建模過程中經(jīng)常遇到的問題，希望對工程地質(zhì)三維建模技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

工程地質(zhì)；三維模型；存在的問題

1 概述

所謂三維地質(zhì)建模(3D Geosciences Model-ing)，就是運用計算機技術(shù)，在三維環(huán)境下，將地質(zhì)解譯、空間信息管理、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)[1]。

工程地質(zhì)中的各種地質(zhì)信息，可以通過野外勘探實測或監(jiān)測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)工作者很難對其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握。各種地質(zhì)信息，包括地形、地下水位、地層界面、斷層、節(jié)理、風(fēng)化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學(xué)、巖土體的物理力學(xué)參數(shù)或數(shù)據(jù)等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，利用各種野外實測資料分別建立相應(yīng)的曲面擬合函數(shù)，進而利用計算機建立三維地質(zhì)模型，達到直觀地表達地質(zhì)信息在工程巖土體中的分布規(guī)律、提高對地質(zhì)規(guī)律的認識、指導(dǎo)地質(zhì)工程項目的勘測施工及監(jiān)測的目的[2]。

地質(zhì)三維模型的應(yīng)用最早是在石油、地礦業(yè)，很多相應(yīng)的軟件也都是基于這些產(chǎn)業(yè)開發(fā)的。國外比較典型的大型專業(yè)軟件有：GOCAD、EafthVjsjon、Vulan、Gemcom、ieroLynx、SurpacVisiont、Landmark、Geo-See3D等，但是它們的應(yīng)用都相對比較簡單，大多只需要繪出目標區(qū)域內(nèi)地層的大體構(gòu)造，相比之下，工程地質(zhì)三維模型則更為復(fù)雜，目標區(qū)域雖小但是對精度的要求非常高，大部分基于石油、礦產(chǎn)等領(lǐng)域研發(fā)的軟件很難在工程地質(zhì)三維建模中有效利用，這就導(dǎo)致建立工程地質(zhì)三維模型過程中經(jīng)常會遇到一些問題，使得建模效率低、模型準確度不高、實用性不強。

2 工程地質(zhì)三維建模中存在的問題

建立一個工程地質(zhì)三維模型，一般需要以下3個步驟：數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理、生成三維表面、構(gòu)建三維實體，也就是由點（或線）到面，由面到體的方法。模型每個地質(zhì)體（覆蓋層、基巖、滑坡、崩塌或是斷裂構(gòu)造等）的構(gòu)建，局部細節(jié)上可能稍有差別，但基本思路都是遵循上述步驟。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理繁瑣

要想建成三維地質(zhì)模型，必須首先對勘測資料進行解譯、分析和預(yù)處理，就目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，這個過程是復(fù)雜、繁瑣的。工程地質(zhì)平面圖一般包括地形線、覆蓋層界線、基巖巖性界線、構(gòu)造線、滑坡和崩塌界線、以及勘探鉆孔、平硐、探坑位置等，大部分建模軟件要求將這些平面圖內(nèi)容分開并單獨保存成DXF格式，方便調(diào)用。鉆孔、平硐、物探、試驗等資料都要求以表格形式輸入，需要進行詳細的編號，要將每種原始資料對應(yīng)的同一種地質(zhì)信息進行統(tǒng)一編號，這不是一件容易的事情。剖面資料的處理是最為復(fù)雜的，不同的軟件要求有所差別，但大部分都需要簡化剖面信息，每個剖面上代表的信息較多，一次性導(dǎo)入軟件往往雜亂無章，難以分清每條線所代表的地質(zhì)信息，所以先將剖面圖按每個信息單獨保存并編號，部分軟件還可能要求對剖面圖平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等幾何變形。

一個較大工程，當(dāng)面對龐大的勘探數(shù)據(jù)，按軟件建模需求去處理數(shù)據(jù)，這可能要對整個原始數(shù)據(jù)進行重新梳理和編繪，是一個復(fù)雜、繁瑣的過程。

2.2 建模過程軟件運行速度緩慢

首先是大部分商業(yè)軟件系統(tǒng)龐大，特別是國外軟件，需要計算機性能很高（工作站環(huán)境），其次真三維地質(zhì)應(yīng)用系統(tǒng)必然涉及海量三維模型數(shù)據(jù)的問題。三維地質(zhì)模型涉及地表遙感數(shù)據(jù)、地表三維模型、地層界面數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、地質(zhì)體數(shù)據(jù)、模型拓撲信息等，其數(shù)據(jù)量將達到GB級[2]。軟件處理海量模型數(shù)據(jù)時內(nèi)存占用量大、CPU負載重、處理效率低甚至根本無法運轉(zhuǎn)。部分國內(nèi)軟件本身系統(tǒng)較小，但是其建模過程緩慢，甚至經(jīng)常死機，這可能是軟件本身在建模過程中產(chǎn)生的一些垃圾碎片所致。

大部分軟件建模精度與運行速度不能兼得。曾經(jīng)利用一款建模軟件建立面積為3.4km2的某水電站壩址區(qū)的三維地質(zhì)模型，將建模網(wǎng)格間距取1m和1.5m時，生成的地表曲面在Inter core i7-3740QM CPU 2.7GHz，內(nèi)存8G的計算機上運行速度緩慢，基本不能拖動或旋轉(zhuǎn)地表曲面，后來改為2m精度后，才勉強可以轉(zhuǎn)動。

2.3 建模過程曲面擬合的異常

工程地質(zhì)地層或構(gòu)造面，不可能在一個方向上光滑延展，由于受地殼運動或是地質(zhì)構(gòu)造活動影響，地質(zhì)體在空間上隨機突變性很強，這就導(dǎo)致大部分軟件的曲面擬合法則擬合時出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為2方面：一是擬合過程中并不能嚴格按照勘探線或是勘探點擬合，可能出現(xiàn)懸空線或點的現(xiàn)象；二是在沒有控制點的位置擬合曲面可能超出地表面，特別是在構(gòu)建覆蓋層底界面、風(fēng)化面及透水面等水平向界面時最容易出現(xiàn)這種異常，這種異常在大部分軟件中都存在。地質(zhì)體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，地質(zhì)體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層面或地下水位面不應(yīng)超出地表曲面，即超出部分不應(yīng)顯示。同樣的，當(dāng)顯示多層地層時，下面的每一巖層應(yīng)以其上一巖層為邊界。

2.4 地質(zhì)界面對地面出露線的依賴

對于非水平的地層或構(gòu)造，不可能都通過鉆孔、平硐等來探測其空間分布，工程地質(zhì)勘察中地面出露線和對應(yīng)的產(chǎn)狀是推測其地下發(fā)展趨勢的重要線索。而大部分軟件對地面出露線過度依賴，即地面什么形狀，地下什么形狀（圖1）。地層或構(gòu)造在地面由于其產(chǎn)狀的原因，在溝谷及兩側(cè)會形成“V”字形跡線，但其地下并不是“V”字形，而基本呈平面，這樣通過軟件建立的地質(zhì)界面將不能真實的反映地層或構(gòu)造的地下趨勢，容易造成錯位。

圖1 依據(jù)地表出露線和產(chǎn)狀擬合生成的斷層

2.5 生成地質(zhì)實體過程復(fù)雜

一個完整的工程地質(zhì)三維模型，不是指將整個工程區(qū)建成一個實體，而是工程區(qū)所涉及的每一個地質(zhì)實體的組合，比如不同的巖層、每一個滑坡、崩塌、以及斷裂構(gòu)造，都是獨立的實體單元，要能真實地反映實際工程地質(zhì)情況。

目前，建立每一個實體單元的方式無非2種方式：一是先建立工程區(qū)整體實體，再生成各種地質(zhì)單元的界面，然后用面去切割實體，從而生成單個實體單元；二是分別建立每個地質(zhì)單元的圍合面，然后通過面面圍合生成實體單元。

上面2種方式，在建立實體過程中都不太容易。第一種方式在切割體的過程中（與體作布爾運算），往往會發(fā)生切不開，甚至死機現(xiàn)象，越是不規(guī)則的面越難切割。第二種方式建立的圍合面往往不是無縫接觸，比如三角網(wǎng)格面的邊界可能呈現(xiàn)鋸齒狀，導(dǎo)致這些面在圍合實體過程邊界需要大量的手動縫補，浪費大量的時間不說，有些最終可能無法合成實體。

3 結(jié)語

從目前的現(xiàn)狀來看，工程地質(zhì)三維建模的理論研究得到了很大的發(fā)展，但大部分建模軟件還不成熟，存在建模過程數(shù)據(jù)預(yù)處理繁瑣、建模精度與軟件運行速度矛盾、建模過程曲面擬合異常、需要添加大量虛擬數(shù)據(jù)控制、產(chǎn)狀建面對地面出露線過度依賴和面生成實體過程復(fù)雜、容易出錯等一系列問題，導(dǎo)致建模周期太長、模型精度不夠等，使得建模效率和質(zhì)量得不到保證，無助于生產(chǎn)效率的提高。

[1]鐘登華，李明超.水利水電工程地質(zhì)三維建模與分析理論及實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]曾錢幫，劉大安，張菊明，等.地質(zhì)工程復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化研究[J].工程地質(zhì)計算機應(yīng)用，2005，39（3）：29.

[3]潘懋，方裕，屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問題探討[J].地理與地理信息科學(xué)，2007，23（3）：3.

TU454

A

1004-5716(2015)10-0135-03

2014-10-23

2014-10-24

姬永尚（1982-），男（漢族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)技術(shù)工作。