基于3DE平台的三维地质建模及可视化研究

侯炳绅 徐俊 张必勇

摘要：三维地质建模及可视化技术是水利水电工程勘察BIM工作的重要组成部分，是水利水电工程勘察信息化研究的重点和难点。通过深圳市罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程的具体实践，探讨了基于达索3DE平台进行三维地质建模及可视化的一般过程，包括覆盖层下底面插值、实体模型构建、三维展示等，重点研究了覆盖层、风化面等地质体的插值算法，为达索3DE平台进行三维地质建模提供了有效技术手段，大大提高了建模效率，增强了项目三维可视化效果。

关键词：三维地质建模； 可视化； 3DE平台； 覆盖层插值算法； 罗铁项目

中图法分类号： TV22

文献标志码： A

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

0引 言

19世纪的制图技术运用不同颜色和符号来表达二维地质图中复杂的空间与时间关系。20世纪70年代早期，第一代由计算机制作的试验性彩色地质地图技术只能完成相对简单的制图任务。随着计算机硬件性能的提高及计算机图形学技术、三维技术的迅猛发展和日渐成熟，在地学领域，以二维平面图和剖面图为主的传统的地质信息表达难以满足现代水利水电工程勘察信息化发展趋势的迫切需要，三维地质建模及可视化的研究已受到广泛重视［1］。所谓三维地质建模（3D Geosciences Modeling），就是指采用适当的数据结构，在三维环境下，综合运用现代空间信息理论和计算机技术，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来［2-3］，来研究地质体几何结构及其内部物理、化学属性等地质信息，并用于地质分析的技术。它是地质勘探、数学地质、地球物理、图形图像和科学计算可视化等学科与技术交叉形成的一门新兴技术［4］。

目前全球三维设计软件比较流行的高端软件有法国达索公司的3D Experience平台（以下简称“3DE平台”）、美国参数技术公司的Pro/E，以及Unigraphics Solutions公司的Unigraphics等；中低端三维设计软件有达索公司的SolidWorks、AutoDesk公司的Revit、Intergraph公司的SolidEdge、Bently公司的MicroStation等。法国达索公司的3DE平台主要应用于机械、航空航天、汽车等行业，具有很强的曲面建模和协同设计功能，能满足水利水电工程不规则复杂地质体建模要求。但该平台缺乏三维地质建模的应用场景，对于覆盖层、风化面等地质体缺乏插值算法，需要进行针对性研发。基于此，本文探讨了基于达索3DE平台进行三维地质建模及可视化的一般过程，以期为3DE平台进行三维地质建模提供技术支撑。

13DE平台简介

法国达索公司的3DE平台是近年来新推出的一个功能先进而复杂的集成三维设计、工艺、制造、管理于一体的软件平台，提供了三维建模、分析优化、渲染仿真、项目协同管理等方面的600多个APP应用。基于同一平台，不同专业用户可以基于同一种数据格式，选用不同的APP进行三维设计工作，避免了不同软件之间格式的切换和数据的导入、导出。在三维建模方面，3DE平台继承了CATIA参数化建模及曲面建模的优点，而3DE平台采用了胖客户端/Web客户端加服务器的结构形式，用户启动自己的客户端通过网络连接服务器获取数据，所有数据以库/数据库形式保存在服务器中，并有相应的权限/版本信息，便于不同用户之间的数据共享与查看。3DE平台包含有CATIA软件，对比旧版本CATIA软件，3DE平台为不同角色的使用者提供了协同的环境，在设计过程中，不同专业基于同一设计站点进行同步设计，可实时了解、查看、引用相关专业的设计成果，将设计模式由串型设计模式变为了并行设计模式，解决了以往企业不同平台间相互协作的问题。3DE平台强大的曲面建模功能可满足水利水电工程不规则复杂地质体建模需求，但缺乏核心地质建模插值算法，需要进行二次开发解决其在三维地质建模方面功能欠缺的不足。

2覆盖层下底面插值算法

在水利水电工程勘察中，可以获得且与覆盖层有关的数据有：覆盖层上表面、边界（含地质点）、钻孔数据（覆盖层厚度）和剖面线，其相互关系如图1所示。其中边界处覆盖层厚度为0 m，钻孔处厚度已知，剖面线可以通过取样转换为点（图2）。以上点的高程和厚度均已知，统称为已知点。相对于整个覆盖层范围而言，已知点的数量往往相当有限，需要编写插值算法对已知点之外的未知区域进行合理的推测计算，以获得连续完整的区域性数据，进而通过曲面转换获得覆盖层下底面模型。覆盖层下底面建模的核心在于根据已知点对未知区域进行插值，因此可靠、快速的插值算法是建立覆盖层下底面模型的关键。

自然成因的覆盖层常见的形式有残积、坡积、冲积、洪积、滑坡堆积等，不同成因的覆盖层按其厚度与地形的相互关系可以划分为风化残积型与侵蚀堆积型两类。

对于风化残积型覆盖层，岩石风化与原岩抗风化特性、区域地壳运动及气候条件等有关，其厚度受地面地形的影响较大，与地形坡度有较大联系。一般地形平缓处较厚，斜坡处较薄，当坡度大于45°时一般极薄，陡坡处厚度几乎为0 m。因而其下底面一般随地表地形的起伏而波动。当存在已知点时，其厚度控制范围一般为30～50 m，局部可能会存在突变，距离越近影响越明显，但同一方向上只受到最近已知点的直接影响。如图3所示，在同一方向上点3处的厚度只受点1的影响，点2的影响可以忽略。该类型覆盖层可以概括为厚度控制型。

对于侵蚀堆积型覆盖层，其厚度与地面地形的关联较少，一般较为稳定。其下底面平整连续，呈水平或缓倾状，表现为侵蚀停止时的原始特征。其厚度仅在沟槽处出现条状变薄，在前缘处随地形变薄，在后缘处自然尖灭。该类型覆盖层可以概括为下底面高程控制型。

上述两类覆盖层共有的变化规律为：① 边缘处厚度为0；② 从边缘往中部逐渐变厚，但存在随机性。

针对覆盖层厚度分布的上述特点，在进行插值算法选择时应满足以下要求：覆盖层边缘处厚度应为0；已知点处厚度值应保持不变；与已知点距离越近，受其影响越大，且同一方向上应只考虑最近点的直接影响；插值应连续、较光滑，不能出现随机性陡坎；新增、删除、修改已知点时仅对修改点附近区域的计算产生影响，从而保证算法的稳定性；算法应简洁实用，利于在工程技术人员中推广使用。对此，可将需插值的区域划分为3部分：① 为已知点控制的区域；③ 为边界附近渐变的区域；②为①与③之间的过渡区域，见图4。

针对上述要求，对三维建模中曲面插值常用的算法进行了对比研究，如反距离加权法、线性插值法、最小曲率插值法、多元回归插值法、样条函数插值法、克里金法（Kriging）、狄洛尼三角插值法等，以针对不同的区域选择相应的算法。

对于厚度型覆盖层，其插值对象是厚度值。考虑到算法的简洁、高效，本研究针对核心部分（区域①）选择了狄洛尼三角插值法，该方法在计算时选择不在同一方向的对插值点影响最大的3个已知点进行插值计算，符合覆盖层发育的一般规律；对边界附近（区域③），覆盖层一般沿地表地形自然尖灭，可以采用线性插值法；对边界与已知点之间（区域②），为了保证插值数值的连续、光滑，采用反距离加权法过渡。通过以上3种算法的组合运用，能较好满足覆盖层插值计算中的上述需求。获得厚度值后，可以通过原地面高程与插值计算得到的厚度相减，即可得到所需下底面高程值。

对于下底面高程控制型覆盖层，其插值对象是高程值，区域①、②、③合并为一个区域，直接采用狄洛尼三角插值法，计算结果即为覆盖层下底面高程值。

通过综合运用以上插值算法开发出计算机程序，在以上步骤完成后，对得到的下底面模型进行检查可见：① 边界与已知点处均能与给定值保持吻合；② 其余部分插值点均位于上表面之下，无需人工处理；③ 得到的模型整体平顺、连接自然，符合覆盖层的发育规律；④ 算法高效简洁，对于面积为40万m2的覆盖层，计算时间在1 min左右，能满足实际需求。

在实际应用中，在已知点缺乏的区域，当计算成果与地质工程师的判断有出入时，可以在该部位添加虚拟剖面，将工程师的认识通过该剖面表达出来，并转化为点后添加到原数据中重新计算。通过以上步骤的迭代使用，不断优化下底面曲面，最终可获得较为理想的覆盖层地质体模型。

3罗铁项目三维地质建模及模型展示

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程（以下简称“罗铁项目”）是珠江三角洲水资源配置工程深圳境内配套项目之一。工程位于深圳市西北部城区，输水隧洞自宝安区松岗镇东北部罗田水库取水，往南引入铁岗水库和沿途水厂，将西江来水在深圳境内进行合理分配和使用，实现新增境外水优化配置，保障西部片区供水，满足远期宝安区、光明区、南山区（部分）供水要求。该工程总输水规模为260万m3/d，属Ⅰ等大（1）型工程。输水干线主要建筑物均为1级（输水干线、罗田水库进水口及铁岗水库出水口、检修及渗漏排水井、分水井等）；与深圳支线连接隧洞、罗田水厂分水支线、五指耙水厂分水支线、长流陂水厂分水支线、检修交通洞为2级建筑物。利用自主研发的覆盖层下底面算法完成5号工作井覆盖层下底面模型如图5所示，覆盖层下底面与剖面点最大偏差为0.002 m，完全可以满足建模精度要求。图6为覆盖层上表面与下底面位置关系，插值点均位于上表面之下，无需人工处理。该项目地质模型展示如图7所示。

4结 语

随着现代水利水电工程勘探技术的进步，三维地质建模与可视化技术成为地学信息研究的热点。地质体是一个非均质、各向异性的不连续三维实体，工程揭露地质信息有限，基于离散钻孔数据的三维地质建模及可视化系统是一项非常复杂的系统。本文探讨了覆盖层、风化面等地质体插值算法，通过已知控制点对未知区域进行插值，新增剖面迭代计算可获得非常理想的覆盖层下底面模型，无需人工干预，弥补了达索3DE平台进行地质建模缺乏核心插值算法的功能性不足，极大提升了建模效率。

参考文献：

［1］向中林，白万备，王妍，等.基于Surpac的矿山三维地质建模及可视化过程研究［J］. 河南理工大学学报（自然科学版），2009，28（3）：307-311，320.

［2］李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现［J］.地质通报，2005，24（5）：470-475.

［3］曾钱帮，何小萍.三维地质建模的数学模型与显示方法［J］.工程地质计算机应用，2006（3）：1-8.

［4］左义投，白云.三维地质建模研究现状与发展趋势［J］，河北地质，2006（2）：27-29.

（编辑：黄文晋）