地质体三维建模技术研究

山西省煤炭地质115勘查院 景 瑞

0 引言

工程地质原始资料具有来源广、种类多、数量大的特点。勘察工作人员所采集到的勘察数据复杂多样，其中包含有地形测量数据、遥感数据、现场踏勘数据、地球物理勘探资料、钻孔资料、探槽和平硐等。这些数据的存储类型大多以表格、图纸、文档等格式为主[1]。因此，地质工作者在地质勘查过程中所采集到的数据均是离散不连续的。采用这些采集到的勘查数据分析地质体中的各项分布规律时，工作量大，且难度较高。为更加高效便捷的分析出各种信息在勘察区域中的分布规律，地质测绘人员往往会使用图件的形式来表达。利用计算机来实现地质信息分布规律的显示是地质勘查工作的必然发展趋势。

1 地质体三维建模的优点

实现地质体的三维建模与分析，不仅有助于地质勘查工作的进行，且对工程设计和施工管理均有较高的促进作用。

1.1 分析地质信息

地质体的三维建模技术为工程师对整体工程中地质信息的掌控提供了极大便利。可帮助地质工作者预测分析地质信息在勘察区域的空间位置以及相互之间的关系。

1.2 获取二维地质图

通过工程勘察三维信息系统的建立，地质工作人员可根据实际需求完成对地质模型的自动剖析，三维建模系统可快速实现三维模型对二维地质图的转换。

1.3 优化工程设计

三维地质建模技术有助于地质工作人员对地质模型的数据分析及分类，缩短工程周期，提高工作效率，优化工程设计，提高设计水平。

2 三维数据模型

三维数据模型是进行三维空间数据模型建立的概念和方法，是三维地质建模研究的基础。通过三维数据模型，可呈现出各空间实体的几何形态以及实体间的相互关系。

从三维数据几何特征的角度考虑，三维数据结构类型包含三种：曲面结构、体元结构、混合结构。三维结构的研究从开始至今，经历了一个漫长的过程，其中以八叉树结构的研究最为成熟。

3 三维地质建模

3.1 三维地质建模过程

三维地质建模工作是一项极其复杂的工程，其主要是在野外勘探原始数据的基础上，用合理的数据结构来建立对应的地质信息数据模型，采用三维模拟方法对勘察地质体对象的几何形态、物理特性等方面进行数据处理，汇集地质实体的各方面信息，汇总各方面信息从而形成一个复杂完整的三维结构模型，其建模过程如图1所示。该过程需要地质工作专家利用其专业领域知识及多年工作经验对原始勘查数据进行分析及解译，对工作人员的专业水平要求较高。

图1 三维地质建模过程

3.2 三维地质建模技术分析

1)地质数据处理。不同的地质体具有不同的特性，勘探所获取的地质数据也比较复杂。地质信息来源较广，有通过地表实地测量获取的地形资料，也有利用遥感、摄影技术获取的视频资料，还有通过钻孔平硐获取的地底地质资料等。不同的数据来源，资料存储方式不同，需要对其进行预处理，结合工程实际需要耦合不同来源的有价值信息，完成对部分较为复杂的地质体的阐释、定位等工作。再通过数据转换接口对处理后的地质数据进行数据格式转换，以响应地质建模的需要。

2)地质对象空间几何形态的表达。地质体的空间几何模型是在地质数据处理的基础上分析数据的空间分布和变化特征建立的。当采集的数据信息较多时，可能造成某些部分的离散点或数据剖面过于密集，处理时应在保证空间曲面曲率的前提下，适当降低数据点的密度，然后再进行曲面的拟合分析。如果数据信息量少，导致离散度稀疏，首先应通过空间曲面拟合插值，调整地层、分界面等不合理的趋势面，从而使模型趋于合理。

3)地质体三维拓扑模型的建立。三维拓扑模型的建立即为地质对象空间拓关系的生成，主要包含地层与地层间的关系，构造面与构造面间的关系，地层与构造面间的关系。为了确保地质模型中地层面和构造面拓扑关系以及几何关系的一致性，建立模型时应当遵循空间曲面拓扑关系的确定原则。

4)属性建模。在三维可视化系统中，为了反映地质体的属性特征，需要建立属性数据库，使其与相应的图形库对应。通过属性关联的方式，将不同的地质属性赋予几何模型中相对应的地质体，包括岩性描述、岩体质量级别、断层要素等。

5)模型应用。模型应用主要包含地质分析、工程分析、统计与查询及其他方面的应用等。地质分析的优势是可以对建立的三维地质模型做任意方向、任意位置和任意深度的地质剖面分析，从而帮助地质工作人员更加直观、深层次的了解地质体的各方面信息。工程分析的分析对象主要是出于研究阶段的工程建筑物，在保证安全性和经济性的前提下，在工程设计阶段进行设计优化和方案对比，从而确定地质条件好、处理工程量少的设计方案。统计与查询平台可以有效的组织、管理和利用大量空间地质数据，有助于建立统一、完善的地质模型。

4 结语

工程地质是众多工程建设的基础，构建工程地质三维模型，可以使工作人员更加直观、准确地了解和观察地质情况，为地质测绘工作提供了极大的便利。

[1]李明超.大型水利水电工程地质信息三维建模与分析研究[D].天津大学,2006.

[2]王友升.城市三维地质空间数据库设计方案[J].中国地质大学学报,2006(5):678-682.

[3]王小东.基于GIS的地质灾害数据库设计[J].河南理工大学学报2007(9):250-253.