三維地層信息系統目前實現的主要功能

夏艷華

三維地層信息系統三維地層模型所采用的數據模型為基于多層規則格網DEM三棱柱體元數據模型。該數據模型特點是：其為體元數據模型，在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規則性和拓撲規則性。因此，該數據模型具有體元數據模型以及幾何規則與拓撲規則數據模型優點的同時，不可避免地繼承了這些數據模型的缺點和不足，不足之處具體表現在如下幾個方面：

⒈ 難以表達復雜地質現象

三維地層信息系統地層數據模型能方便、有效地表達空間連續無間斷的簡單地層，但是，對于復雜地質現象，如地層尖滅、透鏡體、礦體、斷層等，該數據模型則難以準確有效地表達其邊界，而且在表達復雜形狀的礦體和斷層時常常會失效。由于該數據模型人為地將地質體分為上、下兩個界面，因而無法表達形狀復雜，不能將其邊界面人為分割為上下界面的礦體。同樣，在斷層的表達上，由于體數據模型不能描述二維曲面，因此，當斷層存在自由面，即斷層面或斷層面某部分不是任何一個體的邊界面時，該數據模型表達失效。

2.工程地質鉆孔數據庫的建立與資料的查詢檢索

鉆孔信息數據庫是建立地層模型的主要數據源，它包括三個表：鉆孔信息表、地層巖性信息表、地層巖性物理力學參數表。

該模塊可實現數據庫的查詢，包括關鍵字查詢和模糊查詢。該模塊提供了數據庫的輸入模塊，用于對數據庫進行管理，可以方便的對數據庫進行增加、追加、插入、刪除等數據庫維護操作。

2.1地層分層分析處理與網格生成

利用鉆孔及地質剖面圖（虛擬鉆孔）等資料建立的地層間邏輯關系并將地層數據進行分層分析處理，采用式（2-1）所示曲面函數進行地層面網格插值，形成多層DEM地層界面，最后通過交叉判斷生成復雜地層結構的計算機幾何網格模型。

2.2地層立體模型的顯示與分析

在三維地層模型中，地層面是由鉆孔數據插值擬合而成，其上下對應的不同層之間則是由規則格網分解而成的三角網，由于它們在水平面上的投影是相同的，因此，上下對應的三角形和豎直方向上互相平行的三條棱構成了三棱柱結構。由于地層模型是以三棱柱為基本體元，為了能在數據結構上對地層模型的“切割”或“挖掘”進行表達，要求基本體元能夠進行分解，且分解后仍由基本體元構成，以形成數據結構上的一致性。其中，三棱柱體元的分割一共存在5種不同的構形。這5種切割組成了對三棱柱的基本切割方式，而且能保持數據結構上的互補對稱性和旋轉對稱性。在切割時，規定每條邊與切割面最多只能有一個交點，這樣將三棱柱體元一分為二，并形成兩個多面體，這兩個多面體若不是基本體元，還可以再次進行剖分，以形成一個或多個三棱柱體。

利用建立的工程地質鉆孔數據庫與生成的地層結構計算機幾何網格模型形成立體的地層模型并顯示于屏幕，可以從各個角度直觀地了解地下土層、巖層情況。軟件提供地層模型的轉動、縮放、切割任意剖面的功能以及制作三維模型圖、二維剖面圖等圖形。可以讓使用者方便地得到指定地層的具體信息。

3.巖土工程評估分析

在3DSIS與數值模擬集成研究方面，王純祥博士與王明華博士以基于多層規則格網DEM三棱柱體元數據結構為基礎，分別對三維地層信息系統與有限元集成以及三維地層信息系統與FLAC3D集成進行了研究。前者提出了基于關鍵點搜索技術集成三維地層信息系統與有限元分析的L-W模型，其基本思路是：通過搜索關鍵點，即三棱柱體元的邊界點得到各地層實體的表面，再對所得表面所圍成的地層實體進行網格剖分形成有限元模型;后者通過對三維地層模型網格幾何形狀及空間關系的概括，將三維地層網格（三棱柱體元）轉換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實現三維地層信息系統與FLAC3D集成。

難以模擬巖土工程活動。三維地層信息系統對諸如地下開挖、地下人工建筑等巖土工程活動進行了深入的研究。為了表達對地層模型的“切割”或“挖掘”，系統將三棱柱體元的分割歸結為5種基本切割方式。盡管如此，系統在表達對地層模型的“切割”或“挖掘”方面仍存在如下困難：①地層在開挖、回填以及地下構筑物修建等施工過程中，其空間交切關系極其復雜，有可能出現開挖面或構筑物侵入三棱柱體元面內或體內的情形，這些情形不能歸結為棱柱體元的基本切割方式之一，而且這些情形具有不確定解，難以進行有效的歸類，這勢必影響系統對地層模型“切割”或“挖掘”表達的完整性和健壯性。②地層模型在開挖、回填以及地下構筑物修建等巖土工程活動中，必然引入新的地質界面（如開挖面等），這些新的地質界面破壞了地層上、下界面規則格網DEM網格點的一一對應關系，使得地層模型空間拓撲關系復雜化而難以表達。③模擬達到一定精度的地質體往往需要大量三棱柱體元，這使得“切割”或“挖掘”過程及其緩慢。

⒋模擬達到一定精度的地質體往往需要大量三棱柱體元，這不僅占用大量計算機內存，同時也無法實現三維地層的實時繪制

三維地層信息系統地層模型所采用的數據模型為基于多層規則格網DEM三棱柱體元數據模型，該數據模型在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分別具有幾何規則性和拓撲規則性。這種數據模型在表達地層的局部細節上存在困難，當地層某一界面局部起伏劇烈時，為了較為精確地表達該局部細節，地層模型網格數據將成倍的增加，產生大量的數據冗余，無法實現三維地層的實時繪制，交互式操作困難。

⒌ 模型網格形式很難滿足數值模擬網格要求，而且其相互轉換困難

三維地層信息系統網格多為細長的三棱柱網格，不滿足數值模擬網格劃分的原則。盡管王純祥博士提出了通過搜索三棱柱體元的邊界點得到各地層實體的表面，再對所得表面所圍成的地層實體進行網格剖分形成有限元模型從而實現與有限元的集成，但是三維地層信息系統地層數據模型難以準確表達復雜地質體的邊界，而且“切割”或“挖掘”常常產生“變態”單元，這使得網格剖分常常無法成功;王明華博士通過對三維地層模型網格幾何形狀及空間關系的概括，將三維地層網格（三棱柱體元）轉換為四面體、五面錐形體、楔形體、六面體等四種FLAC3D初始單元，實現了三維地層信息系統與FLAC3D集成，但是這種處理方法無法消除細長的三棱柱單元，而且在復雜地質體邊界處以及切割”或“挖掘”面處常常生成“變態”FLAC3D初始單元。