工程地質三維空間建模技術及其應用研究

■童紀偉

（廣東省地質災害應急搶險技術中心廣東廣州510425）

工程地質三維空間建模技術及其應用研究

■童紀偉

（廣東省地質災害應急搶險技術中心廣東廣州510425）

本文主要論述了工程地質三維空間建模技術，并探討了工程地質三維空間建模技術如何具體的開展，論述了應用過程中需要應對的問題和具體的注意事項。

工程地質三維空間建模技術應用

1　前言

三維空間數據模型是當前研究的熱門課題之一，對于地質比較特別的一些工程，必須要進行科學建模，應用工程地質三維空間建模技術，可以提升建模的科學性，可以用于解決專題問題。

2　三維建模的基本方法

總得來說，模擬的方法主要有面模型、體模型和混合模型等。

面模型主要是通過對地質界面的模擬，然后組合成體的辦法。如表面（Surface）構模法、邊界表示（B-rep）構模法、線框（Wire-Frame）構模法、多層DEM構模法、斷面（Section）構模法；面模型可以較方便地實現地層可視化和模型更新，但其不是真三維的，也不描述三維拓撲關系。

體模型主要是直接構造體的辦法。如結構實體幾何（CSG）構模法、八叉樹（Octree）構模法、四面體格網（TEN）構模法、塊段（Block）構模法、實體（Solid）構模法；體模型模擬是真三維的，但也幾乎描述三維拓撲關系，模型更新也比較困難。

混合模型是由兩個或多個構模方法相結合來進行構模。如TIN-CSG混合構模法、TIN-Octree混合構模法、WireFrame-Block混合構模，體模型綜合面模型和體模型的優點，相互取長補短，但其在技術實現上相對比較困難。

3　三維地質建模技術的關鍵

3.1建立三維構造地質模型的技術關鍵

構造模型的建立主要由斷層模擬、三維網格化、建立地層格架三部分組成，它是三維地質建模的基礎，其精度直接影響到最終的模擬結果。在建模流程中，Petrel軟件定義斷層的方法很多，根據斷層polygon、地層解釋層面、輸入的構造圖、faultstick、斷點都能生成斷層。薩北開發區斷層主要由測井解釋對比得到的斷點信息確定的，因此采用斷點信息來構建斷層。利用斷點信息，通過makesurface形成斷層面，斷面轉換成模擬斷面形狀的線，線轉換成模型中定義斷層形狀的KeyPillar。

斷層模型建好后，利用已建立的斷層和設置的邊界經過Pillar網格化、makehorizon、makezone三個步驟建立骨架模型。垂向上則利用地層對比結果，建立地層格架。

由于斜井只有地面坐標和地下坐標，斷點深度是測量深度，在二維上進行斷點組合難度大且準確率低，所以在建立構造模型時，應用petrel軟件內置的斜井軌跡校正程序，輸入斜井的井斜角、方位角數據，建立斜井軌跡模型。對斜井的層面海拔深度進行校正，將測井解釋層面深度回送到斜井井軌跡上，輸出斜井軌跡數據，將對應層面點坐標及垂深進行校正。校正后使斷點與斜井軌跡吻合，能準確反映出斷點空間的真實位置，降低組合難度。

3.2建立三維相控屬性地質模型的技術關鍵

利用scaleupwelllog流程，對加載的單井孔隙度、滲透率、飽和度屬性曲線數據進行離散化時采用最大值法，生成離散化屬性模型。這樣可保證井所在網格值與單井單層屬性曲線保持一致。

選擇要模擬的沉積單元生成一張變差圖，反映該沉積單元在平面上的變異性，由此確定主變程方向。

4　三維可視化模型設計

三維可視化模型是為了在計算機上虛擬三維場景，重現地質構造的三維地層分布形態，為工程技術人員提供準確、直觀的地質構造模型，用于分析、量算工作而設計。本文提出的混合模型產生的復雜構造體，采用了高效的矢量邊界模型完成可視化表達工作，形成的是單一的矢量圖形系統。關于矢量邊界模型（B_Reps）的可視化實現，文獻中描述較多，筆者不再贅述。但需強調兩點內容。

（1）合理的數據結構及存儲策略是模型實現的基礎，是影響運算效率的重要因素。工程地質三維要素是典型的空間對象，且呈樹狀分布，存在包容、繼承的特性，適合采用面向對象的方法構造不同的空間對象類，并設計各自的屬性和方法，為空間分析和空間操作提供必要的手段。同時可以利用商用數據庫系統的空間數據管理能力進行數據存儲管理，提高存取效率。

（2）空間分析及空間操作需要建立復雜體所含各類空間元素之間的拓撲關系，B_Reps模型要素分類清晰，要素間的關系明確，易于建立拓撲關系。三維矢量模型各要素間拓撲關系的分類方法很多，主要取決于應用需求，工程地質針對三維剖面體的分析與操作存在拓撲分析需求，需要建立點與線、線與環、環與面、面與曲面、線與面、曲面與體、體與復雜體七類。

5　應用分析

工程地質條件評價以及地下工程設計需要針對地質構造進行多種分析和操作，如全方向切割、地層分離、動態顯示、開挖及隧道的地質構造狀態仿真顯示等。這些分析操作的目的不同，但在某些領域則是必要的。如橫向切割地質剖面體，形成不同埋深的區域橫切特征面，分析區域內不同范圍的地層屬性及巖土力學特性，用于建筑物基礎的選型。地層的分離顯示可以直觀地從整體上觀察特定地層的構造形態。切割還可以發現特異地質構造情況（孔、洞）等。本文提出的混合模型構造產生地質剖面體，具有以下特點。

（1）模型采用精確的空間坐標系（取決于鉆孔的孔口坐標（X，Y，Z）的精度），構造產生的結果支持空間位置關系量算。

（2）嚴格依照工程地質規范推理產生的結果形成封閉的多面體，反映地質構造的真實情況，可以進行體積量算和質量計算。

（3）支持采用幾何算法，實現多面體與切面求交，形成的切面將多面體一分為二，完成切割操作。

（4）由于地層由一個或多個不規則形體相鄰或分散組成，采用面向對象方法可定義為統一的對象，設計對象自身的顯示方法，支持對任意地層的縮放和平移，因此實現了地層的分離顯示和動態瀏覽。

通過對模型特點的分析可知，該模型可以解決實際應用操作與分析問題，適用于工程地質領域，且可操作性強，數據組織嚴密，推理過程規范明了，易于編程實現，可用于工程地質領域3DGIS系統的空間建模。

6　結束語

綜上所述，筆者在實際工作中，將工程地質三維空間建模技術應用在復雜的工程地質研究中，不僅提升了施工的效果，還進一步推廣了工程地質三維空間建模技術，為行業帶來了更多的借鑒。

［1］吳有信，王長云，魏勇.基于三維地震資料的精細地質解釋技術 ［J］.煤礦安全.2015 （07）：34.

［2］明鏡.基于鉆孔的三維地質模型快速構建及更新 ［J］.地理與地理信息科學.201（05）：81.

F407.1［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-332-1