基于3DE平臺的三維地質建模及可視化研究

侯炳紳 徐俊 張必勇

摘要：三維地質建模及可視化技術是水利水電工程勘察BIM工作的重要組成部分，是水利水電工程勘察信息化研究的重點和難點。通過深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程的具體實踐，探討了基于達索3DE平臺進行三維地質建模及可視化的一般過程，包括覆蓋層下底面插值、實體模型構建、三維展示等，重點研究了覆蓋層、風化面等地質體的插值算法，為達索3DE平臺進行三維地質建模提供了有效技術手段，大大提高了建模效率，增強了項目三維可視化效果。

關鍵詞：三維地質建模； 可視化； 3DE平臺； 覆蓋層插值算法； 羅鐵項目

中圖法分類號： TV22

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.050

0引 言

19世紀的制圖技術運用不同顏色和符號來表達二維地質圖中復雜的空間與時間關系。20世紀70年代早期，第一代由計算機制作的試驗性彩色地質地圖技術只能完成相對簡單的制圖任務。隨著計算機硬件性能的提高及計算機圖形學技術、三維技術的迅猛發展和日漸成熟，在地學領域，以二維平面圖和剖面圖為主的傳統的地質信息表達難以滿足現代水利水電工程勘察信息化發展趨勢的迫切需要，三維地質建模及可視化的研究已受到廣泛重視［1］。所謂三維地質建模（3D Geosciences Modeling），就是指采用適當的數據結構，在三維環境下，綜合運用現代空間信息理論和計算機技術，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來［2-3］，來研究地質體幾何結構及其內部物理、化學屬性等地質信息，并用于地質分析的技術。它是地質勘探、數學地質、地球物理、圖形圖像和科學計算可視化等學科與技術交叉形成的一門新興技術［4］。

目前全球三維設計軟件比較流行的高端軟件有法國達索公司的3D Experience平臺（以下簡稱“3DE平臺”）、美國參數技術公司的Pro/E，以及Unigraphics Solutions公司的Unigraphics等；中低端三維設計軟件有達索公司的SolidWorks、AutoDesk公司的Revit、Intergraph公司的SolidEdge、Bently公司的MicroStation等。法國達索公司的3DE平臺主要應用于機械、航空航天、汽車等行業，具有很強的曲面建模和協同設計功能，能滿足水利水電工程不規則復雜地質體建模要求。但該平臺缺乏三維地質建模的應用場景，對于覆蓋層、風化面等地質體缺乏插值算法，需要進行針對性研發。基于此，本文探討了基于達索3DE平臺進行三維地質建模及可視化的一般過程，以期為3DE平臺進行三維地質建模提供技術支撐。

13DE平臺簡介

法國達索公司的3DE平臺是近年來新推出的一個功能先進而復雜的集成三維設計、工藝、制造、管理于一體的軟件平臺，提供了三維建模、分析優化、渲染仿真、項目協同管理等方面的600多個APP應用。基于同一平臺，不同專業用戶可以基于同一種數據格式，選用不同的APP進行三維設計工作，避免了不同軟件之間格式的切換和數據的導入、導出。在三維建模方面，3DE平臺繼承了CATIA參數化建模及曲面建模的優點，而3DE平臺采用了胖客戶端/Web客戶端加服務器的結構形式，用戶啟動自己的客戶端通過網絡連接服務器獲取數據，所有數據以庫/數據庫形式保存在服務器中，并有相應的權限/版本信息，便于不同用戶之間的數據共享與查看。3DE平臺包含有CATIA軟件，對比舊版本CATIA軟件，3DE平臺為不同角色的使用者提供了協同的環境，在設計過程中，不同專業基于同一設計站點進行同步設計，可實時了解、查看、引用相關專業的設計成果，將設計模式由串型設計模式變為了并行設計模式，解決了以往企業不同平臺間相互協作的問題。3DE平臺強大的曲面建模功能可滿足水利水電工程不規則復雜地質體建模需求，但缺乏核心地質建模插值算法，需要進行二次開發解決其在三維地質建模方面功能欠缺的不足。

2覆蓋層下底面插值算法

在水利水電工程勘察中，可以獲得且與覆蓋層有關的數據有：覆蓋層上表面、邊界（含地質點）、鉆孔數據（覆蓋層厚度）和剖面線，其相互關系如圖1所示。其中邊界處覆蓋層厚度為0 m，鉆孔處厚度已知，剖面線可以通過取樣轉換為點（圖2）。以上點的高程和厚度均已知，統稱為已知點。相對于整個覆蓋層范圍而言，已知點的數量往往相當有限，需要編寫插值算法對已知點之外的未知區域進行合理的推測計算，以獲得連續完整的區域性數據，進而通過曲面轉換獲得覆蓋層下底面模型。覆蓋層下底面建模的核心在于根據已知點對未知區域進行插值，因此可靠、快速的插值算法是建立覆蓋層下底面模型的關鍵。

自然成因的覆蓋層常見的形式有殘積、坡積、沖積、洪積、滑坡堆積等，不同成因的覆蓋層按其厚度與地形的相互關系可以劃分為風化殘積型與侵蝕堆積型兩類。

對于風化殘積型覆蓋層，巖石風化與原巖抗風化特性、區域地殼運動及氣候條件等有關，其厚度受地面地形的影響較大，與地形坡度有較大聯系。一般地形平緩處較厚，斜坡處較薄，當坡度大于45°時一般極薄，陡坡處厚度幾乎為0 m。因而其下底面一般隨地表地形的起伏而波動。當存在已知點時，其厚度控制范圍一般為30～50 m，局部可能會存在突變，距離越近影響越明顯，但同一方向上只受到最近已知點的直接影響。如圖3所示，在同一方向上點3處的厚度只受點1的影響，點2的影響可以忽略。該類型覆蓋層可以概括為厚度控制型。

對于侵蝕堆積型覆蓋層，其厚度與地面地形的關聯較少，一般較為穩定。其下底面平整連續，呈水平或緩傾狀，表現為侵蝕停止時的原始特征。其厚度僅在溝槽處出現條狀變薄，在前緣處隨地形變薄，在后緣處自然尖滅。該類型覆蓋層可以概括為下底面高程控制型。

上述兩類覆蓋層共有的變化規律為：① 邊緣處厚度為0；② 從邊緣往中部逐漸變厚，但存在隨機性。

針對覆蓋層厚度分布的上述特點，在進行插值算法選擇時應滿足以下要求：覆蓋層邊緣處厚度應為0；已知點處厚度值應保持不變；與已知點距離越近，受其影響越大，且同一方向上應只考慮最近點的直接影響；插值應連續、較光滑，不能出現隨機性陡坎；新增、刪除、修改已知點時僅對修改點附近區域的計算產生影響，從而保證算法的穩定性；算法應簡潔實用，利于在工程技術人員中推廣使用。對此，可將需插值的區域劃分為3部分：① 為已知點控制的區域；③ 為邊界附近漸變的區域；②為①與③之間的過渡區域，見圖4。

針對上述要求，對三維建模中曲面插值常用的算法進行了對比研究，如反距離加權法、線性插值法、最小曲率插值法、多元回歸插值法、樣條函數插值法、克里金法（Kriging）、狄洛尼三角插值法等，以針對不同的區域選擇相應的算法。

對于厚度型覆蓋層，其插值對象是厚度值。考慮到算法的簡潔、高效，本研究針對核心部分（區域①）選擇了狄洛尼三角插值法，該方法在計算時選擇不在同一方向的對插值點影響最大的3個已知點進行插值計算，符合覆蓋層發育的一般規律；對邊界附近（區域③），覆蓋層一般沿地表地形自然尖滅，可以采用線性插值法；對邊界與已知點之間（區域②），為了保證插值數值的連續、光滑，采用反距離加權法過渡。通過以上3種算法的組合運用，能較好滿足覆蓋層插值計算中的上述需求。獲得厚度值后，可以通過原地面高程與插值計算得到的厚度相減，即可得到所需下底面高程值。

對于下底面高程控制型覆蓋層，其插值對象是高程值，區域①、②、③合并為一個區域，直接采用狄洛尼三角插值法，計算結果即為覆蓋層下底面高程值。

通過綜合運用以上插值算法開發出計算機程序，在以上步驟完成后，對得到的下底面模型進行檢查可見：① 邊界與已知點處均能與給定值保持吻合；② 其余部分插值點均位于上表面之下，無需人工處理；③ 得到的模型整體平順、連接自然，符合覆蓋層的發育規律；④ 算法高效簡潔，對于面積為40萬m2的覆蓋層，計算時間在1 min左右，能滿足實際需求。

在實際應用中，在已知點缺乏的區域，當計算成果與地質工程師的判斷有出入時，可以在該部位添加虛擬剖面，將工程師的認識通過該剖面表達出來，并轉化為點后添加到原數據中重新計算。通過以上步驟的迭代使用，不斷優化下底面曲面，最終可獲得較為理想的覆蓋層地質體模型。

3羅鐵項目三維地質建模及模型展示

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅鐵項目”）是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內配套項目之一。工程位于深圳市西北部城區，輸水隧洞自寶安區松崗鎮東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠，將西江來水在深圳境內進行合理分配和使用，實現新增境外水優化配置，保障西部片區供水，滿足遠期寶安區、光明區、南山區（部分）供水要求。該工程總輸水規模為260萬m3/d，屬Ⅰ等大（1）型工程。輸水干線主要建筑物均為1級（輸水干線、羅田水庫進水口及鐵崗水庫出水口、檢修及滲漏排水井、分水井等）；與深圳支線連接隧洞、羅田水廠分水支線、五指耙水廠分水支線、長流陂水廠分水支線、檢修交通洞為2級建筑物。利用自主研發的覆蓋層下底面算法完成5號工作井覆蓋層下底面模型如圖5所示，覆蓋層下底面與剖面點最大偏差為0.002 m，完全可以滿足建模精度要求。圖6為覆蓋層上表面與下底面位置關系，插值點均位于上表面之下，無需人工處理。該項目地質模型展示如圖7所示。

4結 語

隨著現代水利水電工程勘探技術的進步，三維地質建模與可視化技術成為地學信息研究的熱點。地質體是一個非均質、各向異性的不連續三維實體，工程揭露地質信息有限，基于離散鉆孔數據的三維地質建模及可視化系統是一項非常復雜的系統。本文探討了覆蓋層、風化面等地質體插值算法，通過已知控制點對未知區域進行插值，新增剖面迭代計算可獲得非常理想的覆蓋層下底面模型，無需人工干預，彌補了達索3DE平臺進行地質建模缺乏核心插值算法的功能性不足，極大提升了建模效率。

參考文獻：

［1］向中林，白萬備，王妍，等.基于Surpac的礦山三維地質建模及可視化過程研究［J］. 河南理工大學學報（自然科學版），2009，28（3）：307-311，320.

［2］李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數據地下三維地質建模軟件的實現［J］.地質通報，2005，24（5）：470-475.

［3］曾錢幫，何小萍.三維地質建模的數學模型與顯示方法［J］.工程地質計算機應用，2006（3）：1-8.

［4］左義投，白云.三維地質建模研究現狀與發展趨勢［J］，河北地質，2006（2）：27-29.

（編輯：黃文晉）