《1 引言》
1 引言
工程地质条件是进行大型工程设计的重要条件, 地质信息的数字化及可视化是进行工程计算机辅助设计的重要基础, 它有助于提高工程的设计效率与设计质量。但是传统的工程地质资料分析和解释一般局限于二维、静态的表达方式, 它描述空间地质构造起伏变化的直观性差, 往往不能充分揭示其空间变化规律, 难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况, 所以越来越不能满足工程设计人员进行空间分析的需求。GIS技术及可视化技术 (ViSC) 的发展为利用地质勘探资料, 用计算机进行重建地下三维地质数字模型创造了条件
《2 基于GIS的工程地质信息数字化》
2 基于GIS的工程地质信息数字化
《2.1 工程地质信息数字化建模过程》
2.1 工程地质信息数字化建模过程
工程地质信息数字化指的是把原始的地质勘测数据, 经一系列的解译、修正后, 构成能在计算机中操作及显示的三维模型, 包括地质构造几何形体与物性信息 (如厚度、孔隙率、渗透率、构造倾斜、走向等) 的数字化建模过程 (见图1) 。地质构造的几何特征与物性信息之间的一一对应关系的建立是实现空间信息查询与管理, 以及地质信息可视化分析的基础。利用GIS的数据组织形式, 可为这种对应关系的建立提供便利。在地质数字化建模过程中, 对模型的检验是不可忽略的。作者通过事先定义几个检验剖面 (不参与建模) , 与从所建地质模型得到的相应剖面做比较, 若吻合不好, 则需要对模型做相应的修正。并且, 随着地质勘测资料的不断更新, 模型还需要适时进行修改。
《2.2 地质构造趋势面分析与改进》
2.2 地质构造趋势面分析与改进
传统的地质趋势面分析一般采用多项式回归统计方法, 尽管在一定程度上该方法能较好地描述地质构造的趋势性, 但对于有空间突变的情况, 其拟合精度较低;此外, 它人为地假定了一个连续光滑的拟合函数, 而这种关系并不一定能真实反映地质数据的空间变化规律。事实上, 对于一个复杂的工程地质系统, 其往往具有非线性、非均衡性、突变性、自组织性和随机性等特点, 因此, 采用该方法来做地质构造信息的插值有一定的弊端。近年来迅速发展的非线性自适应智能方法, 为地质构造趋势面分析提供了新的途径。作者采用人工神经网络 (包括BP网络和径向基网络) 方法、混合进化规划方法 (遗传规划和遗传算法结合) 与三次多项式回归法做比较, 发现无论在拟合精度还是插值精度上, 前两种方法明显优于传统的多项式回归法
《2.3 地质构造三维数字模型》
2.3 地质构造三维数字模型
地质三维数字模型实质上是地质信息在计算机中的数据表达方式, 包括数据存储的结构和可进行的操作, 它是研制地质三维可视化软件的基础和核心。近年来, 对于构造三维数字地质模型的数据模型;国内外已有不少研究与探索, 比较典型的有三维栅格模型、TIN模型、八叉树体元模型以及混合模型等。针对工程具体情况, 可采用混合数据模型, 即TIN模型和三维栅格模型相结合, 来建立地质的三维数字模型。由于TIN能细腻、真实地描述空间起伏特征, 因此, 对于地质构造形体的可视化采用TIN型;而为减少运算量, 提高计算速度, 在满足精度的条件下, 地质构造物性的可视化采用三维栅格模型。同时, 这两种模型之间能进行相互转化。此外, 由于地质构造一般表现为实体的形式, 因此用TIN模型表示地质构造时需要考虑多个TIN之间的封闭及吻合。特别是对地层翻卷的情况, 可采用多个TIN的组合来描述。
《3 地质构造的三维可视化》
3 地质构造的三维可视化
较为常见的地质构造一般有地层、断层、裂隙以及特殊地质体等, 但它们均可用体或面来表示。在地质数字建模中, 对于裂隙及特殊地质体的处理比较复杂, 由于裂隙特征 (走向、大小、长度) 在空间分布上的随机性较大, 而且众多, 因此在实际建模中只考虑把较大的裂隙数字化, 并用面来表示, 而对于较小的裂隙只表示其相应物性信息, 没有形体建模;对于特殊地质体, 可把它看作是嵌入地层的岩体, 用不规则曲面围成的体来表示。下面以地层及断层为例来说明地质构造的三维可视化方法。
《3.1 地层三维可视化》
3.1 地层三维可视化
地层在空间上的表现应该是体的形状, 对于这一体的表现, 可采用地层层面、层底以及前后左右地层边界面的缝合来实现。因此, 地层三维可视化的实现需要两个主要环节, 即地层层面的三维可视化及地层层面的缝合。
3.1.1 地层层面的三维可视化
地层层面的三维可视化有以下几个步骤:
1) 控制点确定及插值。
根据地质钻孔数据及地质剖面图中的相应地层剖线, 采用趋势面分析法, 来对其进行空间插值, 形成符合一定精度的地层离散数据点阵。
2) 地层层面边界确定。
地层在区域上的分布不一定是连续的, 有时是分区分布的, 这就需要确定地层的分区边界。为确保上下相邻地层有唯一分界面, 在地层边界确定时需增加两个限制条件:a. 在地层分区边界上, 地层层面高程等于上一地层层底高程, 且厚度为零;b. 在该地层分布区域内, 下层地层的层面高程强制限定为该地层层底高程。当边界确定后, 需沿边界按一定精度进行插值。
3) 地层层面TIN模型建立。
根据生成的地层离散数据点阵, 就可采用不规则三角形网 (TIN) 来生成地层三维曲面。模型生成采用Delaunay三角剖分法
3.1.2 地层层面的缝合
在建立所有地层层面的基础上, 可构造由各地层层面和边界面封闭而成的不规则地层三维实体。对于每一个地层体, 它是由上下前后左右的界面围成。上下界面分别是地层的层面和层底面, 前后左右界面为地层层面与层底缝合而成的边界面 (或边界线) 。而事实上, 某地层的层底面往往是相邻下一地层的层面。上地层 (由①表示) 层底与下地层层面 (由②、③表示) 的关系一般可表示成图2所示的四种关系, 其中 (d) 图是 (c) 图的特例, 它表示上地层层底被多个下地层层面相交。 (b) 图, 由地层边界唯一性的限制条件, 已经从理论上保证了两者相交处的吻合, 此时地层①的上下层面吻合为一条边界线。地层层底与层面的缝合是指 (a) 图这种情况。 (c) 、 (d) 图则是 (a) 与 (b) 的混合情况, 即既有线的边界, 又有缝合面的边界。
地层面缝合的基本思路是:依序上下连接该地层上下层面边界的三角网格节点, 来完成层面间三角片曲面的重构, 从而在地层上下层面间建立三角形网构成的环状曲面。在建立三角形环状曲面时, 如果地层上下层面边界上的节点数不一致, 则需要在节点相对较少的层面多边形边界上进行插值, 使上下地层面边界多边形上的节点数相同, 且尽量使节点均匀分布, 从而可避免狭长三角形的产生。这样, 把上下边界多边形上的节点依次相连, 就可以构建地层实体边界的环状三角网。
《3.2 断层三维可视化》
3.2 断层三维可视化
同样, 对断层进行三维可视化前, 首先需确定其控制点阵, 然后根据确定的断层边界, 用Delaunay三角形来构建断层面的TIN模型。当断层厚度不大时, 可将其作为一个空间曲面来处理;如果断层的厚度不可忽略, 则需把其作为一个实体来构造。对于后一种情况, 与地层处理类似, 在建立断层上下层面的基础上, 把所有构成面缝合起来即可。当然, 无论哪种方法都必须考虑断层所影响的地层, 并确定断层与断层间、断层与地层间的边界吻合。此外, 由于断层描述的特殊性, 当对断层的表现不要求太高精度及细度时, 可以通过对其产状 (倾角和走向) 的描述来实现, 即用一次趋势面来拟合
式中x, y是大地坐标,
《3.3 断层与地层的相交处理》
3.3 断层与地层的相交处理
尽管在构建地层与断层的TIN模型时考虑了两者的边界关系, 但实际上, 由于误差和精度的影响, 往往会发现两者在边界上并不一定完全吻合。因此, 为反映两者间的真实情况, 应该使两者在边界上相交, 且吻合起来, 具体可采用如下方法:
首先, 按断层面原有的趋势及走向, 适当地外推延伸断层的空间分布范围, 使断层面能足够与需吻合的地层层面在空间上相交。接着, 可对断层面与地层层面进行求交, 由于断层面和地层面都是由TIN构建的, 两者的求交实质上表现为两个三角形网中的三角形相互求交的问题。两者的交线求得后, 再沿着交线, 从断层面TIN模型中切去多余部分的三角形, 从而生成新的断层面TIN, 这个新的TIN保证了断层面与地层面的无缝吻合。
如果断层的描述是体的形式, 由于它是由两个断层面封闭围成的, 所以在处理断层体与地层层面的吻合问题时, 可采用两个断层面分别与地层层面进行吻合来解决。
《3.4 地质模型的可视化表现》
3.4 地质模型的可视化表现
为能达到逼真的显示效果, 可在地质数字模型上贴合相应影像图。但实际工作中, 为了方便及节省工作量, 对地质模型采用的是人造纹理, 即使用系统所提供的调色板生成仿真的纹理, 然后再对模型进行光照等渲染。实例应用表明, 该方法具有较好的显示效果, 而且还可以方便地实现地质体的透明设置。经渲染后的三维地质模型可进行多种方式的显示, 以满足工程人员直观、多方位的观察与分析需要。
1) 动态显示。
根据观察者需求, 可通过Camera (ObservPoint, TargetPoint, ViewAngle, RollAngle) 函数, 对地质三维数字模型进行平移、缩放、视点转移、观察方向改变等交互操作, 从而实现不同角度、不同方位、不同距离的观察, 以及按任意线路的穿越或漫游。函数中的参数反映了观察者位置、被观察对象中心、观察者视角范围和被观察物体在二维投影面的旋转角度等。
2) 单层显示。
由于在地质三维数字模型中, 各地质构造体的图层是分别组织、分层管理的, 所以, 如果想要详尽地了解某一地质构造体的情况, 可以方便地关闭其他图层, 而只显示所关心的对应图层。
3) 掀盖层显示。
它是第二种方式的推广, 即观察者可以从上到下依次关闭掉相关图层, 就可不断地掀开上面覆盖的地层, 而观察到下面的地质情况。
4) 透视方式。
由于地质构造体的纹理是用系统调色板生成的颜色填充的, 只需把某一地质构造体的填充色设置成一定的透明度, 即可方便地使该地质构造体具有一定透明性, 从而能穿透三维模型外面包裹的地质体, 直接观察到地质内部细节。
5) 切面方式。
通过空间剖切及剖切图绘制算法, 可以生成任意方向剖切后的地质三维数字模型及相应的地质剖切图, 并且可以用一组平行切片来表达地质的内部结构。这样使工程人员能更充分直观地了解地质构造的内部情况及相互的空间展布关系。
《4 工程地质信息三维可视化分析》
4 工程地质信息三维可视化分析
《4.1 地质信息三维可视化查询》
4.1 地质信息三维可视化查询
由于在建模中把地质构造的空间几何形体与其物性信息一一对应起来, 因此在地质三维数字模型上, 可方便地进行地质构造信息的三维可视化查询。这些查询包括双向查询、条件查询与热连接等。所谓双向查询就是用鼠标点击屏幕上任意一点, 则可弹出与该点对应的属性信息;或者拾取属性数据库中的某一条记录, 即可查询到模型中对应的地质构造几何形体, 并且被查询到的图形颜色变得鲜亮, 以示突出。由于屏幕像点与三维地质模型在屏幕上的投影点之间并不一定是唯一对应的, 为确保查询结果的唯一性, 须根据可视点的判别方法
《4.2 空间剖切算法与剖面图绘制》
4.2 空间剖切算法与剖面图绘制
由于地质三维数字模型中的地质构造体是由不规则三角网表示的空间曲面所围成的封闭实体, 所以, 当剖切面的空间几何拓扑关系确定后, 对地质数字模型的三维剖切就反映为三维剖切平面与TIN所表示的各地质体 (地层、断层等) 所构成曲面进行空间求交的问题, 其实质是三角形空间平面与剖切面求交线的问题。然后, 可根据TIN中三角形网的拓扑关系, 依次对各三角形的交线相连成一条曲线, 就得到了一系列各地质构造与剖切面的交线。再沿交线, 对各地质构造的TIN进行修改, 即切去多余的三角形, 并进行缝合, 从而得到剖切后的地质三维模型。同时, 把空间剖切交线投影到剖切平面所确定的坐标系, 然后按一定的比例尺, 可绘制出地质剖面图。在开发的系统中, 分别用下列函数来实现空间剖切和剖面图绘制:
(RemainObjects, Sect3DLines) =
Do3DSection (SectObjects, Sect3DPlane,
RemainDirec, BooleanDiff) Sect2Dplane=
DrawSectionPlane (Sect3DPlane,
Sect3DLines, Projection2D, Rational)
其中, 参数RemainObjects和Sect3DLines分别表示剖切后的三维地质模型和三维剖切交线, SectObjects和Sect3DPlane分别表示所要进行剖切操作的对象和三维剖切面, RemainDirec用来定义剖切后应保留的部分, BooleanDiff表示进行布尔查运算 (包括相交判断) ;Sect2DPlane是得到的平面剖面图, Projection2D表示定义的平面坐标系, Rational为绘制的比例尺。
《4.3 结合水工建筑物的工程地质分析》
4.3 结合水工建筑物的工程地质分析
通过建立工程地质信息三维可视化模型, 可以更好地为水电工程建筑物设计与施工提供直观、科学的分析手段。如结合大坝或地下洞室结构等进行地质剖切分析, 或是根据地下建筑物形体布置, 直接从整体地质模型中掏挖出相应部分, 从而可以直观清晰地展示建筑物所处位置的地质条件、建筑物与地质体的相互关系等, 为大坝基础处理及地下洞室施工等提供指导。同时, 可在地质模型上对所关心的位置进行模拟钻孔 (或开挖平硐) , 来辅助建筑物设计分析。当然, 这样的模拟只能是忠实于现有的勘测资料。
《5 工程实例》
5 工程实例
黄河上游某水电工程坝址处主要地质构造包含中生代印支期花岗岩 (γ5) 、第四系崩积层 (Q
Fig.5 3D section view of geoinformation along No.5 axes with engineering structures
《6 结语》
6 结语
作者提出了水电工程地质信息的三维数字建模及其可视化方法, 实现了地质任意空间剖切、信息查询以及结合水工建筑物的工程地质可视化分析, 并通过一个具体工程的应用, 验证了笔者的方法的有效性, 同时为快捷、交互地进行工程地质设计提供了新的途径与手段。地质三维建模及其可视化是一项复杂而又艰巨的工作, 笔者的研究可能只是一个开端, 有许多难题 (如三维实体建模技术) 还需做进一步的研究。
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