优化M icrostation中地质M esh界面的方法

王国岗，田新星，赵文超，孙 斌

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

随着BIM技术的日益推广应用，水利水电行业三维地质模型作为水工三维协同设计的基础，提供了详实直观的地质信息，发挥的作用越来越大［1-2］。地质界面的模拟，是三维地质建模流程中的一项核心工作，模拟结果的准确性与精度直接影响着整个三维地质模型的质量。

MicroStation是一个可互操作的、强大的CAD平台，提供了集二维绘图，三维建模和工程可视化于一体的完整的解决方案，为模型的设计和修改提供了极大方便，可显著提高设计效率和质量［3］。但MicroStation作为三维协同设计软件，在构建三维地质界面方面功能较弱，无法快速方便生成地质界面网格。

GOCAD软件是应用于地质领域的三维可视化建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发、水利工程中有广泛的应用［4］。离散平滑插值方法（Discrete Smooth Interpolation，简称 DSI）是 GOCAD地质建模软件的核心技术。DSI算法具有插值后的网格平滑、模型修改简便、插值拟合度高等优点［5］。本文提出了利用GOCAD软件的离散光滑插值（DSI）技术预处理地质界面数据点，生成栅格网（2D-Grid），并将这些栅格网节点通过MDL程序导入MicroStation中，可快速生成网格，很好的解决了MicroStation“地形模型”模块在构建地质界面的不足。

1 M icroStation地质界面优化流程

GOCAD可将导入的等高线、地质剖面及钻孔等数据，经过离散光滑插值后，生成间距规则的格网（2D-Grid）。导出的网格节点数据格式与 MicroStation中MDL函数mdlMesh_newGrid（）的要求一致，通过编写相应的MDL程序，可直接在MicroStation生成栅格网。

1.1 DSI算法概述

离散光滑插值（DSI）方法［4-6］的基本内容是，在离散化的节点间建立互相联络的网格，通过满足一定约束条件的已知节，求取未知网格节点的值。如图1所示，在网格S上，设Ω是S上所有网格结点的集合，G是S上所有网格单元的集合，φ（k）为定义在所有网格结点k∈Ω上的函数。

图1 网格拓扑关系图

假设φ（k）在Ω的子集L上是已知的：L为节点 l∈Ω的集合 φ（l）＝（φ1（l），…，φn（l））已知；I节点 i∈ Ω的集合，φ（i）＝（φ1（i），…，φn（i））未知，I＝Ω-L。定义在Ω上的函数φ（k）通过已知点的插值结果是无穷的。DSI的解决方法是建立计算网格结点上φ最优解的目标函数R*（φ）＝R（φ）+ρ（φ），其中R（φ）为全局粗糙度函数，ρ（φ）为线性约束违反度数。

定义局部粗糙度函数：

定义在结点α上关于φ的第i个线性约束可以表示为：

则线性约束上的违反度函数表达式为：

将局部粗糙度函数变形并将R*（φ）展开后，可得如下表达式：

定义在网格结点上的φ的函数值包括已知与未知两部分，则Φ ＝[ΦIΦL]T，前者为未知，后者为已知。根据矩阵Φ的模式导出矩阵W*和Q的相似分解式：

从上可知，DSI问题的解，就是导出线性系统的二次目标函数R*（φ）最小化。

1.2 GOCAD中地质界面的生成

将勘测数据导入GOCAD中，经过DSI插值计算后，可生成光滑度较好的栅格网，这些格网通过Export→2D Grid→FastEdit可直接转化为节点数据的文本文件（文件后缀为*.txt），此时*.txt包含了地质界面规则网格节点的三维坐标点信息，格式为：

式中，n—某一地质界面网格节点总数。

1.3 M icroStation中地质界面的实现

MDL（MicroStation Development Library）是 MicroStation的二次开发工具之一，亦被称为Native-Code MDL。它基于C++来做相关功能的程序开发，可采用面向对象的编程方式来写代码 （使用VS等工具的集成开发界面），也可直接调用任何VC++中可以调用的功能。因此，大多数新的MicroStation开发功能 （如XAttribute、点云、i-model等）都采用类的形式提供，这些新的功能也要求我们必须使用 NativeCode MDL来开发应用［7-9］。

利用MDL中的mdlMesh_newGrid（）函数可将GOCAD插值后生成的规则网格节点在microstation中生成同样的栅格网，具体流程如图2所示。

图2 M icroStation地质界面网格生成流程

2 实现过程

三维地质建模中地质界面以地形面与地层界面为主，地形面一般利用等高线生成，地形界面一般由钻孔数据或地质剖面界限生成。为说明本文所说方法的普遍适用性，分别阐述三种情况：①利用待建模区域完整等高线，如图3所示，生成地形Mesh面，由于有足够的地形数据点，可保证建立的地形网格的精度；②利用待建模区域不完整等高线，如图4所示，生成地形Mesh面。

图3 待建模区域等高线完整

图4 待建模区域等高线不完整

2.1 利用完整等高线生成地形面

图3 为某工程1∶500的地形平面图，从图中可看出等高线数据完整。利用等高线生成地形mesh面的过程如下：①打开GOCAD，首先建立一个新的项目，并设置系统单位，打开软件后，设置文件位置；②通过File→import→Cultural Date→DXF将地形等高线以dxf格式导入GOCAD中；③通过PointsSet菜单栏中 New→From PointsSet，Curve or Surface提取等高线上的点并组成点集，如命名为“dgx_point”；④利用点集生成2D-Grid格网。最终在GOCAD中生成的地形栅格上如图5所示，通过MDL程序在MicroStation中生成的栅格网如图6所示，从两图的对比可知，MicroStation中的地形网格与GOCAD中的完全一致。

图5 利用完整等高线在GOCAD中生成的地形网格

图6 利用MDL在M icroStation中生成的地形网格

2.2 利用不完整等高线生成地形面

图4 为某工程区的地形图，其中黑色边框为建模区域，从图中可看出，建模区域内部分等高线缺失。DSI具有良好的插值自由性，对缺少等高线的待建模区域能够较为精准的进行插值计算，保证该区域所建网格具有一定合理性［7］。利用GOCAD的这种插值方法可快速生成如图8所示的地形网格，具体操作过程如下：①将建模区域生成面域，并通过通过Surface菜单栏中的Tools→Split对平分曲面进行切分；②在建模区域设定约束边界及将等高点作为约束点，在进行DSI插值运算，生成如图7所示的三角形网格；③通过2D-Grid菜单栏下New→From Surface将表面三角形网格生成栅格网，如图8所示；④在MicroStation中通过MDL程序将GOCAD提取出来的网格网节点转化为网格，如图9所示。

图7 利用不完整等高线在GOCAD中生成三角形网格

图8 利用GOCAD中的Surface生成的地形网格

图9 M icroStation中生成的网格

3 总结

能较弱，无法快速方便的生成地质界面网格，利用GOCAD对地形等高线等数据进行前处理后，生成规则的栅格网，并通过MDL程序将栅格网节点数据转化到MicroStation中，较好的解决了这一问题，同时分析了在建模区域内利用完整等高线和部分缺失的等高线建模地表网格面时的处理过程。

（2）利用GOCAD中的2D-Grid格网对等高线区域进行重新布点，然后在MicroStation中重新生成网格面。这种做法虽然减少了数据点，生成的网格面存储量大大减少，但可能会因为布点间距过大导致对地形的数字表达不够精确。因此，对精度要求高的工程，应将布点间距适当减少。

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