地質工程復雜地質體三維建模與可視化研究

龍江濤+李志偉

摘要：復雜地質體三維可視化地質工程主要為地質工程測量當前最大的問題而提出的，這個問題是地質調查工作，通過大量的數據來衡量的，它涉及的范圍很廣，整體的信息是非常復雜和混亂，這使得它很難直接控制地質勘探對象的總體情況。為了解決這一問題，研究了復雜地質體可視化的發展和應用。本文介紹了當前對當前中國復雜地質體三維可視化的研究現狀，分析了在建立三維模型可視化的關鍵技術問題，并討論了三維地質建模及可視化的開發應用。

關鍵詞：地質工程；三維建模；可視化

引言

建立一個完善的三維空間地質模型并非易事，尤其是地質狀況的復雜性與不規則性更是加大了三維模型建立的難度，因此，研發和建立三維地質模型仍然具有很大發展空間，還需要科研人員不斷的改進與完善其基本性能。

1三維可視化關鍵技術

1.1三維數據結構。工程地質體一般是不規則的形狀，在計算機圖形學中的曲線曲面是由許多微小直線段和微小三角面來模擬地層巖性和巖石表面的邊界，即巖石界面（曲線、曲面、地下水位等地質邊界）和巖石表面有許多微小的直線段和小三角表面的集合。地質體三維空間數據結構是工程地質三維建模與可視化的基礎，需要高效、高效的三維數據結構，保證人機交互和查詢的實現。

1.2曲面求交。地質體中存在大量各種層面，當出現地層不整合、斷層、錯斷巖層、地層尖滅和地下水露于河谷地表等情形時，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表、斷層面和其他地層面的求交問題。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面（平面）與各種地質界面（曲面）求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面（層面）之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。

1.3三維拓撲結構分析。從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切（被斷層切割后地層的拓撲表達）等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。例如，考慮多層地層，上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系，在存儲數據時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個地層曲面，大大減少數據存儲量。評價地質模型系統的優缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構。

1.4可視化技術。工程地質復雜地質體可視化，是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據，轉換為形象直觀的便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數據中構造出地質工程中對于邊破穩定性和地下酮室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數據做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。

2復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發與應用

離散采樣插值和擬合數據是在離散數據連續曲面的加工表面和工程地質復雜地質體三維可視化建模的思路是通過擬合和插值函數在地質層面各種地質勘探數據庫提取巖體和位置信息的物理力學參數（不同表面）三維計算機圖形和地質實體，在研究區地質信息的表達和分布。

2.1地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究。基于離散采樣數據的插值與擬合的思想，即將離散數據轉化為連續曲線曲面，地質工程復雜地質體三維建模與可視化的過程時，從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的物理力學參數，通過不同的擬合與插值函數得到地質層面（曲面）和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區域內的分布規律。生成地質巖層面和地質實體后，實現從任意角度觀察建立的模型，實現根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

2.2初步開發工程勘測空間數據庫管理。工程勘測空間數據庫在收集整理現場勘測數據后錄入各分項數據表，這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，更重要的是提供屬性數據。以地層巖性數據表為例，要求錄入鉆孔編號、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性（地層名稱）、地層代碼（地層年代）、巖層走向、巖層傾向、巖層傾角、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和管理勘測數據。

2.3三維地質立體圖。利用工程勘測數據，建立了壩址區右岸三維立體地質圖。該壩址區自上而下地層巖性組合為：第四系崩坡堆積物，侏羅系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，三疊系上統厚至巨厚層狀細至中粒砂巖，三疊系上統薄至中厚層狀粉細紗巖、粉砂巖，三疊系上統中厚至厚層狀中粗砂巖。通過有限的工程勘測數據得出的立體圖，能夠較好地滿足工程地質的精度。

2.4三維可視化查詢。通過圖形與工程勘測數據庫中的屬性數據的鏈接，實現可視化查詢地層巖性和其他工程地質信息，最終完成向三維地質信息系統的轉變。

3總結

地質工程的復雜性提出了建立地質體可視化體系的需求，但同樣也是由于地質工程的復雜性，制約了地質可視化體系的發展。面對在三維地質模型建立的研發過程中存在的難題，仍需要科研技術人員和地質研究工作者的大力配合與交流，最大程度的解決所有難題，使地質工程復雜地質體的可視化體系盡早實現應用。