三维建模技术在区域工程地质勘查中的应用研究

陈 超 ,陈广峰

(1.中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083;2.北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195)

0 引言

近几年来,随着北京地区11个规划新城勘查工作大规模的开展,合理的整合和利用大量的勘查数据,包括钻孔资料、岩土力学数据、物探数据、地表建筑资料等对区域地质勘查工作提出了一个新的挑战.加之新城所处地区地质条件具有很大的隐蔽性、复杂性及多样性,传统的二维剖面、表格数据等工作平台在数据表达的直观性、精确性及信息的完备性上都已无法满足新城勘查的要求.因此,迫切需要一个从前期庞杂数据中提取有用信息、还原地下情况的有效工具,帮助直观掌握地下空间地质情况及变化规律.三维地质建模系统具有强大的空间信息管理、地质信息解释、空间分析和预测功能,已经在采矿工程、水利工程和边坡工程得到了广泛的应用[1～4],这些突出的特点也使三维地质建模系统成为解决区域勘查问题的重要手段之一.

1 三维建模技术的研究现状及应用现状

三维地质建模技术是借助计算机的可视化功能,将地质资料、信息在三维环境下展示出来,并可进行空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析的地质分析技术.它是由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科.随着第一代三维地质建模软件的问世,其强大的可视化功能及空间分析功能使之成为矿山工程、区域调查、岩土工程和环境工程等领域不可缺少的辅助工具,越来越多的专家和学者将研究的目光投向了这一蓬勃发展的领域.目前,主要的研究集中在三维数据模型、三维地质建模方法及软件的研发与应用三个方面.

1.1 三维数据模型

三维数据模型用来反映空间世界中实体的相互关系,是三维建模的基础和前提条件.不同的数据结构应用于不同的空间情况.目前,主要的数据结构模型分为三类:基于面表示的数据结构,基于体表示的数据结构以及混合数据结构.其中,基于表面表示的数据结构有格网结构(Grid)、形状结构(Shape Model)、面片结构(Face Model)和边界表示(Boundary Representation)等;基于体表示的数据结构包括三维栅格结构(3DArray)、针状结构(Needle Model)、八叉树结构(Octree)、结构实体几何法(Constructive Solid Geometry,CSG)和不规则四面体结构(Tetrahedral Erregular Network,TEN)等[5];混合模型主要是集合以上两种模型的优点,采用两个或多个模型加以综合,根据混合方式的不同分为互补式混合、转换式混合、链接式混合及集成式混合等[6].

1.2 三维建模方法

自20世纪80年代以来,国外众多学者们提出了多种构建三维地质模型的方法,用来模拟复杂的地质结构.主要的建模方法分为三种:块体构模方法、实体构模方法及四面体构模方法[7].

(1)Block模型被称为块体模型.根据数据存储方式,又可分为三维栅格模型 ( 3D Grid Model) 和八叉树模型 (OctreeModel).三维栅格模型是未经压缩的标准体元,基本体元可以是长方体、正六面体等,但是最简单并且最常用的是等边长的正方体体元.八叉树模型是对三维栅格模型改进.八叉树也被称为实体空间分解枚举类型,是用层次式三维空间子区域划分来代替三维栅格.

(2)实体模型 ( SolidModel).实体模型的提出很好地解决了 B lock模型对边界表达的不精确的问题."实体建模"的概念是Bak和 Mill等人最先提出来得[7].该模型指用面集合来表达实体外部的表面,这些面通常是四边形或者三角形,因此属于边界表达模型 (B-rep Model),也被称为元件构模技术 (ComponentModel).

(3)四面体模型 (TEN) 将任意一个三维空间对象剖分成一系列相邻但不交叉的不规则四面体网络,TEN模型对于复杂三维实体具有很强的表达能力.四面体建模方法可以分为基于八叉树的四面体生成和基于 Delaunay的四面体生成.前者主要应用于规则数据的实体剖分; Delaunay四面体生成来源于离散数据,四面体相比八叉树来说描述更精确,数据量少,适合地质矿体的实际情况.三维 Delaunay四面体化,简称为 3DDT.

1.3 三维地质建模软件的研发与应用

最早的三维地质体建模软件诞生于70年代初,当时主要应用于矿业领域.如Notley和Wilson开发的CAD系统,该系统基于三维线框模型,主要用于地下矿山的设计建模[8].随后,出现了大量的表面建模软件,其中最为著名的是1988年法国Nancy大学的J.L.Mallet教授推出的GoCAD(地质对象计算机辅助设计)软件,主要是满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计需要.该软件通过三维空间的点的有限集合来定义表面形成,并通结点间的连接来模拟拓扑关系,最后将物理属性附加在结点上来实现物性的模拟.GoCAD系统均简化了可视化和模型创建的功能,在建模和可视化方面取得了很高的成就,尤其适合于表示非常复杂的地质构造,但在表示非均质实体地质体内的地质属性变化是却存在局限性[9].除了表面建模方法,体建模的传统方法是块段建模,像GEMCOM (1993),GEOSTAT (1994)等软件均采用的是这种方法[10,11].

我国对三维地学可视化研究起步较晚,但也做了大量有益的探索.早期的地质体三维可视化建模软件主要是一些矿山CAD系统,像中南工业大学在古德生院士的领导下开发了DM&MCAD系统,可以绘制各种地质平、剖面图和采矿工程图[12].天津大学钟登华教授开发研制了水利水电工程地质建模与分析系统VisualGeo,并将其应用于龙滩、锦屏、溪洛渡、白鹤滩等大型水利水电地质工程及洞室的三维建模与分析中[13];此外,中国地质大学开发的三维可视化地质学信息系统GeoView可实现真三维地学信息管理、计算分析与评价决策支持[14];熊祖强博士开发研制了工程地质建模及可视化基础平台-3DGeoModeller系统,该系统实现了区域地质资料管理、三维建模、三维地质信息的可视化,以及基于三维地质模型的基本分析功能[6].

在软件的应用方面,国内在三维地质建模及可视化应用方面已积累了一定的经验,如毛善君等对煤田领域的三维地质建模问题进行了深入研究[15];贺怀建在矿山工程中应用了三维地层管理系统[16];王环玲基于三维地质建模技术进行了岩土工程数值模拟应用[3];钟登华在水利水电工程地质方面应用三维建模方法进行岩体质量的分级研究[17].此外,还有许多学者在岩体结构、石油地质、城市地质等方面开展了三维建模及可视化研究及应用.

总的来看,国外三维建模软件已比较成熟,像GoCAD等软件已经完全商业化,并在石油矿山等部门得到了广泛的应用.但是,这些国外三维地学软件价格昂贵、使用繁琐且对硬件环境要求较高,操作习惯也不符合我国实际情况.相比而言,国内开发的软件还只是局限于科研使用,虽然有部分商业化,也没有达到完整成熟的地步;在应用方面,目前国内三维地质建模主要应用于石油和矿山系统,而在区域地质调查中仅仅是通过剖面进行三维模型的推演,而未达到根据钻孔数据直接建立地质模型的程度,基于这一点,北京市地勘局在北京新城勘查中利用Creatar建模系统基于钻孔数据对各个新城的地层模型进行了精细描述,也为三维建模软件在区域地质勘查中的应用提供了一些借鉴.

2 Creatar建模软件特点及操作流程

2.1 软件介绍

Creatar三维建模及展示系统是主要应根据已知的岩土工程数据(如地层、地下水、地质构造及与这些岩土工程条件相关的物理、力学数据)、地理数据(如地形地貌信息等)、建构筑物数据(如建筑基础--天然地基、桩基、复杂地基、隧道及地下建筑、基坑等)以及工程分析数据在区域范围或单一的建构筑物范围内,实现多维数据的高效管理、三维地质建模和三维海量多源数据的一体化表达以及三维空间几何分析功能.它基于现场勘察数据,实现了从数据导入至三维模型生成展示的全流程.其地质建模模块提供精确高效的三维地质模型建立方法,提供了经由各种钻孔、剖面图、平面图、等值线图等的自动或半自动构建三维地质体表面模型的功能,可表达如地层、断层、褶皱、侵入体、透镜体等复杂三维地质现象,并可进行任意空间剖面切割、部分实体切割,动态切割等.其附带的构建筑物建模模块实现了对二维数据进行平移、复制、缩放、旋转以及三维坐标配准等数据校准功能,支持基于法向拉伸、比例拉伸、轨迹线拉伸、轮廓线连接、特殊结构连接等多种建模方式,支持较规则模型的参数化构建,支持三维模型沿轨迹线复制、矩阵复制等方式,快速建立模型群.

软件的界面主要由工具栏、工作空间窗口、图层窗口和特性窗口组成(图1),其中工具栏主要包括创建三维模型文件、导入数据、数据解译、交互式建模等功能,工作空间主要用于模型属性的查询及列表显示,图层窗口主要实现对三维体的颜色、透明度等地质体的属性进行修改.

2.2 软件的主要优势

通过该系统的建立可在以下几方面提高工作效率,提升勘察质量.

(1)岩土工程勘察地质数据更精确

利用系统开展三维全局地质解译标定,可有效避免多个二维剖面之间的不一致性,提高勘察精确度.

(2)岩土工程地质分析模型构建更方便

利用自动建模、手动模型可视化调整、任意剖面直接生成等功能,可大大提高地质分析模型构建的便捷性以及分析成果的直观展示.

(3)提升岩土工程勘察成果数据展示效果

真三维环境下的可视化表达,可极大提升岩土工程勘察成果数据展示效果,有助于提高勘察报告的水平.

(4)提高岩土工程勘察数据分析效率

与传统二维分析相比,真三维岩土工程勘察数据分析效率和准确度都有大幅提高.

(5)降低人力成本

基于地质与构建筑物数据的三维一体化建模显示功能,使得三维勘察及设计成果的一体化有效共享和方便解读成为可能,在一定程度上可减少可非地质专业人员对地质勘察数据的理解障碍,避免了设计阶段可能造成的地质认识不一致.

(6)有利于数据共享和再利用价值挖掘

基于三维平台的数据可视化功能,可方便实现原始数据和成果数据的整合管理和共享.

2.3 软件的主要使用流程

系统的使用流程如图3所示,对于地质体建模导入数据要求为北勘或理正数据格式的钻孔资料.

3 应用实例-房山新城三维地质模型

3.1 建模范围及数据源格式

房山新城包括良乡组团、燕房组团、北京石化新材料基地、窦店新型建材产业用地4部分,新城规划范围面积为155km2,新城总人口规模控制在55.7万人.建模数据源数据来自新城勘查中的钻孔数据,数据库格式采用北勘数据格式.

3.2 地层层序及模型

房山新城工作区内地层由沉积岩、侵入岩和变质岩组成,其中沉积岩地层自下而上依次为长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系.

将钻孔数据库导入到Creatar软件中去,采用分层沉降的方法从新到老建立地层模型,建立房山新城地质体模型如图4所示,三维地质模型的建立使勘察成果清晰明了的凸现出来,与此同时还可以实现对房山新城地区基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、地球物理、地球化学等信息的方便有效的管理,并且可以根据地层工程地质属性等参数对新城勘查地区进行建筑的适宜性进行立体分区,与传统的平面分区方式相比较,立体分区充分的考虑到地层延深度方向的变化并且更有利于进行地下空间的开发和利用.

3.3 交叉剖面图

三维地质结构模型的建立除了能直观地显示复杂地质结构,增强真实感外 ,最主要的目的是利用三维地质结构模型任意方向切剖面图,从而达到打虚拟钻孔的目的,减轻工程地质内业的制图工作量.在房山新城三维地质模型上切割的交叉地质剖面图见图5～7,这3张图分别反映了房山新城地区对工程开展影响较大的3类土层(液化土、软土、卵石层)的分布情况.并且通过软件的分层提取功能单独提出软土层进行空间上的延伸展布进行了解和分析,这也为房山新城建筑适宜性分区提供了借鉴,如图8所示.

3.4 工程体模型与地质体模型联合展示

除了直观的对地层进行展示和分析外,对于将来的地下空间开发和地面建筑规划,三维地质体建模软件也可实现辅助设计,对于房山新城某段进行了地表建筑、地铁的模拟建设,并与建好的地质体模型进行整合,如图9所示,三维建模系统不但能完成对地面建筑外观的精细描述,而且三维的表现形式更加直观,能全方位的将建筑物的高低错落的空间关系表现出来,并且通过局部的放大、切片和推进功能了解地下建筑物如地铁、管线、地下商场等穿越的地层性质,针对软弱地层存在的部位,在施工及设计时能予以注意,避免事故的发生,为将来新城的开发提供借鉴,见图10.

图9 组合模型全景图

图10 利用推进功能了解沿地铁线地层变化

3.5 勘察资料的有序管理

由于三维建模软件是基于三维数据库进行建模,所以可以通过三维建模软件对勘察资料进行有序分层次的查询,如图11所示,通过系统数据表可以方便的对标贯、土层信息、地下水位等有用信息进行查询,在房山新城勘察中将勘察资料输入到三维建模数据库中,不仅为生成直观的三维模型打下基础,而且也便于勘察资料的管理.

图11 钻孔资料信息显示

4 结论与展望

本文采用的三维建模系统Creatar使用国内首创的分层沉降建模方法,根据钻孔资料能迅速将地质体模型准确建立起来,将以往需要由工作人员做的大量工作交由计算机来实现,不仅大大节约了人力,也使该软件能满足实际工程对于建模时间的苛刻要求,并且其切片和推进等分析功能能解决区域勘查工程中对地质体某一重点部位着重观察的问题.

总之,三维地质建模技术在区域勘查中,具有广阔的应用前景.利用该建模系统三维地质模型,可以为建筑场地选址、地下空间建设与数据管理提供地质信息支持,提高工作效率,如果能进一步在软件中引入渗流场、应力场分析功能,则将使三维地质建模技术在区域地质勘查领域拥有更为广阔的应用前景.

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