三維地質(zhì)建模在水利水電工程中的應(yīng)用

侯清波, 齊菊梅, 裴麗娜, 劉 灝

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

三維地質(zhì)建模在水利水電工程中的應(yīng)用

侯清波, 齊菊梅, 裴麗娜, 劉 灝

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

簡(jiǎn)要介紹ItasCAD三維地質(zhì)建模軟件的特點(diǎn),總結(jié)從數(shù)據(jù)搜集、整理、導(dǎo)入到三維地質(zhì)建模以及三維地質(zhì)模型在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用的整個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑,并提出三維地質(zhì)幾何模型和屬性模型創(chuàng)建與應(yīng)用過程中遇到的問題。

三維地質(zhì)建模;幾何模型;屬性模型;不連續(xù)光滑插值

20世紀(jì)80年代以來,三維地質(zhì)建模技術(shù)在國(guó)外開始廣泛應(yīng)用。用于三維地質(zhì)建模的軟件有許多,相對(duì)成熟且應(yīng)用廣泛的有法國(guó)Nancy大學(xué)研發(fā)的GoCAD,加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司推出的三維建模與分析軟件Micr,斯倫貝謝公司推出的三維可視化建模軟件Petrel,英國(guó)Midiandvalley勘探公司推出的模擬構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的3DMove等[1]。中國(guó)的三維地質(zhì)建模研究相對(duì)較晚,隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展,相繼涌現(xiàn)出各種杰出的技術(shù)平臺(tái)和應(yīng)用手段,三維地質(zhì)建模也逐漸成為發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)為BIM技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過多方調(diào)研,筆者公司選擇了依泰斯卡(武漢)公司推出的ItasCAD作為三維地質(zhì)建模平臺(tái),該軟件主要應(yīng)用于水電行業(yè)地質(zhì)領(lǐng)域的三維建模和可視化,具有以下特點(diǎn)[2]:強(qiáng)大的三維建模、可視化、地質(zhì)分析評(píng)價(jià)功能;實(shí)現(xiàn)了真三維化;內(nèi)置地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù);二維出圖功能強(qiáng)大;數(shù)據(jù)接口豐富,利于模型共享等。

利用ItasCAD先后在涇河?xùn)|莊水利樞紐、黑河黃藏寺水利樞紐、青海蓄積峽水利樞紐、山西古賢水利樞紐、黃河黑山峽大柳樹水利樞紐、厄瓜多爾CCS水電站、馬來西亞巴勒水電站、剛果金布桑加水電站等十多項(xiàng)工程中進(jìn)行了應(yīng)用,所建的三維地質(zhì)模型與水工建筑物模型進(jìn)行了融合,實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)等專業(yè)間的協(xié)同;依據(jù)三維地質(zhì)模型,可批量切制地質(zhì)專業(yè)各種剖面圖、平切圖,取得了較好的效果,提高了生產(chǎn)效率;結(jié)合工作實(shí)踐,總結(jié)出了一套可推廣應(yīng)用的建模流程,形成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了建模工作的流程化、規(guī)范化。

1 三維地質(zhì)建模流程

1.1 數(shù)據(jù)搜集

能夠用于三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)有多種:①地形圖測(cè)繪數(shù)據(jù),包括AutoCAD格式的地形圖、DLG數(shù)字線劃圖、DEM數(shù)字高程模型等;②地質(zhì)測(cè)繪數(shù)據(jù),包括在地形圖基礎(chǔ)之上的各類地質(zhì)接觸界線、地質(zhì)現(xiàn)象(如斷層,軟弱夾層等)等在地表的出露位置;③勘探數(shù)據(jù),包括為揭露地質(zhì)體在三維空間中的展布而布置的勘探工作,有鉆孔、探硐、探坑、豎井等;④試驗(yàn)數(shù)據(jù),包括巖土取樣室內(nèi)試驗(yàn)以及在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的各類原位試驗(yàn);⑤物探數(shù)據(jù),包括在地表布置的各種物探剖面,鉆孔中進(jìn)行的綜合測(cè)井、跨孔物探剖面,探硐內(nèi)布置的波速測(cè)試等內(nèi)容;⑥已有的圖件,搜集到的前期工作成果,包括剖面圖、平切圖等。這些數(shù)據(jù)都可以用來建立地質(zhì)體的三維幾何模型以及相應(yīng)的屬性模型。

1.2 數(shù)據(jù)整理

實(shí)際生產(chǎn)中搜集到的數(shù)據(jù)有多種來源、多種格式,需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理,使之滿足參與建模的條件,數(shù)據(jù)整理過程中還需要對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,對(duì)于錯(cuò)誤的、不合理的數(shù)據(jù)要識(shí)別剔除,互相矛盾的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理。

(1) 地形數(shù)據(jù)。對(duì)于地形數(shù)據(jù)來說主要來源于CAD格式的地形圖等高線,測(cè)量的三維點(diǎn)(x,y,z),數(shù)字線劃圖(DLG),數(shù)字高程模型(DEM)等[3],還有剖面、平切圖中的地面線,鉆孔孔口、平硐硐口坐標(biāo),地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)等。按照邏輯可以處理成帶高程的CAD格式的平面圖和D(x,y,z)格式的文本。需要將相應(yīng)的地表面數(shù)據(jù)提取出來單獨(dú)存放為一個(gè)圖層,并核實(shí)其正確性與合理性,以線對(duì)象(curve)直接導(dǎo)入建模平臺(tái);數(shù)據(jù)文件以文本格式保存,也可直接導(dǎo)入為點(diǎn)集參與建模。

(2) 地質(zhì)數(shù)據(jù)。地質(zhì)要素主要以其空間產(chǎn)出邊界描述來控制建模,需要從搜集到的數(shù)據(jù)中提取出來,主要是描述地質(zhì)要素的空間產(chǎn)出位置,確定其三維坐標(biāo)。針對(duì)每一個(gè)地質(zhì)要素從平面圖、剖面圖、平切圖、物探解譯剖面等中提取出其空間產(chǎn)出邊界,以CAD格式的平面圖或者空間三維點(diǎn)集來表達(dá)。勘探(鉆孔、平硐等)揭露數(shù)據(jù)可從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取,導(dǎo)入建模平臺(tái)參與建模。

(3) 試驗(yàn)和物探數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要以數(shù)據(jù)庫(kù)或者文本文件方式來處理,描述具體空間位置的地質(zhì)要素的專業(yè)屬性,數(shù)據(jù)格式為(x,y,z,a1,a2……an),其中x,y,z是其空間三維坐標(biāo),a1,a2……an是坐標(biāo)位置的若干屬性值。導(dǎo)入三維地質(zhì)建模平臺(tái),形成帶有若干屬性值的三維點(diǎn)云,點(diǎn)云中的每一個(gè)點(diǎn)都可帶有若干個(gè)地質(zhì)專業(yè)的自定義屬性及其屬性值。物探數(shù)據(jù)中可抽象為空間位置加物理屬性的部分,也可以用此方式處理,導(dǎo)入模型參與建模。

1.3 三維地質(zhì)模型建立

三維地質(zhì)模型包括幾何模型和屬性模型,幾何模型主要描述地質(zhì)要素的空間產(chǎn)出狀態(tài)和相互關(guān)系,而屬性模型主要描述地質(zhì)要素的地質(zhì)屬性。一般地說幾何建模屬于基本應(yīng)用,包括地質(zhì)界面和地質(zhì)體的建模,地質(zhì)界面建模主要是地表面和各類地質(zhì)界面的模型構(gòu)建,地質(zhì)體模型的構(gòu)建主要是通過表面封圍或?qū)嶓w法描述地質(zhì)體,主要用于模型展示或力學(xué)分析,而屬性模型是基于幾何模型基礎(chǔ)之上的高級(jí)分析應(yīng)用。本文著重討論三維幾何面模型的構(gòu)建。

(1) 地表面建模:地表的數(shù)據(jù)主要有等高線和DEM,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以處理成點(diǎn)集pset(point|point(x,y,z))格式,處理過程主要有:①將DEM柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維離散點(diǎn),取柵格中心坐標(biāo)作為離散點(diǎn)的(x,y),取柵格屬性為三維離散點(diǎn)的z坐標(biāo);dxf格式的等高線數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入三維建模平臺(tái);②將坐標(biāo)文件導(dǎo)入建模平臺(tái)形成點(diǎn)云,將dxf格式的等高線導(dǎo)入形成線集;③通過點(diǎn)集或線集來創(chuàng)建地表面,有兩種途徑:其一是通過離散點(diǎn)直接生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),這種辦法的優(yōu)點(diǎn)是嚴(yán)格地控制了地表面的形狀從而可以精確地描述地形表面,缺點(diǎn)是地面網(wǎng)格與控制點(diǎn)的位置一致,均勻性、美觀性較差;其二是構(gòu)建一個(gè)曲面,用等高線或點(diǎn)云約束曲面,使用DSI方法進(jìn)行插值和網(wǎng)格細(xì)分,經(jīng)過若干次的迭代,最終確定曲面。其優(yōu)點(diǎn)是曲面平滑,缺點(diǎn)是經(jīng)過了平滑處理局部地表面與等高線描繪的稍有出入。

(2) 地質(zhì)要素建模:地質(zhì)要素類主要包括地層、巖性界面,斷裂帶、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面,可以抽象為空間三維曲面的建模。地質(zhì)要素的空間曲面有兩類:一類是需要若干空間控制點(diǎn)來描述其空間位置和形狀的,可以采用類似地表面建模的方式來處理;還有一類可以通過幾何解析法描述的,比如空間三維點(diǎn)加法向量或者地面出露跡線加切向量,這類地質(zhì)要素的建模可分成以下步驟。

首先進(jìn)行地表出露線的建模,從CAD格式的平面圖中提取相應(yīng)要素的地表出露跡線,由于出露跡線各節(jié)點(diǎn)高程不一,在人工勾繪時(shí)很少帶有高程信息,這就需要將其映射到地表面,使其每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有高程信息,還需要控制節(jié)點(diǎn)的密度使其盡量均勻順滑,就得到一條具有高程信息的地質(zhì)要素在地表的出露跡線。其次將三維曲線用其產(chǎn)狀信息拉伸一定的距離得到一個(gè)三維曲面,形成該地質(zhì)要素結(jié)構(gòu)面的宏觀基本形態(tài)。如果有該結(jié)構(gòu)面的鉆孔、平硐等勘探揭露數(shù)據(jù)以及已有剖面或物探解譯成果等,再以這些數(shù)據(jù)(包含空間位置和產(chǎn)狀)約束三維曲面,進(jìn)行插值擬合。如此操作得到的曲面,在宏觀形態(tài)上滿足地表出露線和產(chǎn)狀,在局部滿足勘探揭露位置和產(chǎn)狀的精確約束。

重復(fù)以上過程,對(duì)每個(gè)地層巖性界面、斷層、軟弱夾層等地質(zhì)要素進(jìn)行遍歷,分別建立各自相應(yīng)的曲面幾何模型(如圖1)。

2 地質(zhì)專業(yè)應(yīng)用

2.1 專業(yè)圖件的繪制

工程勘察服務(wù)于工程設(shè)計(jì),工程地質(zhì)專業(yè)在整理勘察成果時(shí)經(jīng)常需要在建筑物位置切剖面(如:壩軸線、導(dǎo)流/發(fā)電/尾水洞軸線等),并且建筑物的位置經(jīng)常會(huì)有變更,隨著勘察階段的深入地質(zhì)對(duì)象的空間展布也經(jīng)常會(huì)作調(diào)整。這些剖面之間經(jīng)常會(huì)有交叉,互相之間需要協(xié)調(diào)一致,校核工作量很大。傳統(tǒng)的做法是在地質(zhì)平面圖的基礎(chǔ)上切制剖面圖,建筑物位置或地質(zhì)平面圖變更之后就要重新切制,并且要重新校核相交剖面。構(gòu)建了三維地質(zhì)模型之后,可以批量生成地質(zhì)剖面圖、平切圖,可以在建模平臺(tái)內(nèi)鼠標(biāo)定位剖面,也可以通過數(shù)據(jù)文件定義剖面空間位置,通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件自動(dòng)批量生成生產(chǎn)中所用的圖件。其中的最大方便之處是:①建筑物位置變動(dòng)或地質(zhì)模型修改之后,重新批量全自動(dòng)切制剖面圖,方便快捷;②不存在交叉剖面的互相矛盾問題,也就不需要技術(shù)人員校核其一致性,顯著提高實(shí)際生產(chǎn)過程中剖面的生成和修改效率。

圖1 地質(zhì)要素界面曲面建模Fig.1 Surface modeling of geological elements interface

圖2 批量剖面圖輸出Fig.2 Output of batch profile

2.2 與設(shè)計(jì)專業(yè)協(xié)同

工程設(shè)計(jì)專業(yè)經(jīng)常需要根據(jù)地質(zhì)條件來布置建筑物,如大壩建基面的確定,防滲帷幕的底界的確定等,因此需要將地質(zhì)模型和水工設(shè)計(jì)模型融合起來,協(xié)同工作。三維地質(zhì)模型可以通過特定的格式導(dǎo)入設(shè)計(jì)平臺(tái),通過縮放平移操作使得坐標(biāo)系空間定位一致,從而與水工建筑物模型進(jìn)行融合(如圖3),方便地實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。

圖3 地質(zhì)模型與水工建筑物模型融合Fig.3 Fusion of geological model and hydraulic structure model

3 結(jié)論

在生產(chǎn)項(xiàng)目中總結(jié)形成了三維地質(zhì)建模流程,對(duì)數(shù)據(jù)收集整理、數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入、地質(zhì)要素的幾何建模等過程進(jìn)行了流程化。

通過三維地質(zhì)建模平臺(tái),可完成批量剖面/平切圖的切制,相交剖面的校核,巖層界面、結(jié)構(gòu)面等的視傾角校核都自動(dòng)滿足要求,減小了技術(shù)人員的工作量。三維地質(zhì)建模平臺(tái)可與三維設(shè)計(jì)平臺(tái)數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與水工模型融合,進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)等功能,顯著提高生產(chǎn)效率。

三維地質(zhì)體的建模還需要進(jìn)一步的探索,在地質(zhì)模型與計(jì)算模型的共享、三維地質(zhì)體屬性建模等方面尚需研究加深應(yīng)用。

[1] 王明華,白云.3D地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].土工基礎(chǔ),2006,20(4):68-70.

[2] 孟小紅,王衛(wèi)民,姚長(zhǎng)利,等.地質(zhì)模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,2001:1-7.

[3] 湯國(guó)安,劉學(xué)軍,閭國(guó)年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

下期要目預(yù)告

湖北宣恩縣麻陽(yáng)寨晚奧陶—早志留世龍馬溪組斑脫巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及其地質(zhì)意義

羅 華, 何仁亮, 潘龍克等

神農(nóng)架隆起南緣石槽河組白云巖地球化學(xué)特征及其成因分析

劉 力, 陳小龍, 潘龍克等

大別山地區(qū)木子店巖體的地球化學(xué)特征與成因

李小林, 胡俊良, 陳姣霞等

湖北宜昌“黃陵斷穹”北緣肖家河磷礦基本特征及成礦演化模式

姚 燕, 廖宗明, 胡 明等

湖北省云臺(tái)荒煤田煤系地層特征及控煤因素分析

胡尚軍, 姜志勇, 李江力等

合力攻堅(jiān) 加快實(shí)現(xiàn)湖北頁(yè)巖氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略突破

湖北省政府辦公廳, 省國(guó)土資源廳聯(lián)合調(diào)研組

從來地1井巖心看來鳳早志留世沉積環(huán)境

邱艷生, 楊 星, 魏 巍等

污染土壤中重金屬鉛的鈍化及其機(jī)理

申銳莉, 周 旻, 曾明中等

The Application of 3D Geological Modeling in Water Conservancy andHydropower Project

HOU Qingbo, QI Jumei, PEI Lina, LIU Hao

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

This paper briefly introduces the characteristics of ItasCAD 3D geological modeling software,and summarizes the whole process from data collection,sorting,importing to 3D geological modeling,and to the application of 3D geological model in production practice,and in the end it proposes some questions of the creation and application of 3D geological geometric model and atribute model.

3D geological modeling;geometric model;attribute model;DSI

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

侯清波(1973-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事三維地質(zhì)建模技術(shù)研究及其應(yīng)用、工程勘察信息化等方面的工作。E-mail:houqb@163.com

TV222.2

A

1671-1211(2016)03-0328-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.019

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.028.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24