復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建

王玉山

（內(nèi)蒙古赤峰地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005）

當遇到模擬復(fù)雜地質(zhì)體的工具較為缺乏時，用戶在對復(fù)雜地質(zhì)體進行構(gòu)建的過程中，就必須對其進行大量的簡化，否者就會出現(xiàn)計算機所設(shè)計出來的模型不符合地質(zhì)體的實際情況。使計算結(jié)果的準確性也不可避免地受到了很大的影響。如今在國外，新型的可視化軟件以及三維見建模的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品正在不斷的被開發(fā)出來，這些產(chǎn)品與技術(shù)在石油以及煤礦的開采等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在我國，三維地質(zhì)可視化技術(shù)雖然發(fā)展不到二十年，但也發(fā)展得十分迅速，已經(jīng)開發(fā)了多種軟件，一些常見的有北京理正研究院研究的三維地質(zhì)建模軟件等。這些軟件在對地質(zhì)體進行模擬的過程中，具有一定的優(yōu)越性。它可以對復(fù)雜地質(zhì)體在三維建模過程中出現(xiàn)的疑難問題進行有效的解決，并且在水利、采礦、地質(zhì)等巖土領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，給很多工程的施工帶來了極大的便利。

1 Surpac復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型

關(guān)于 Surpac 復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型有兩種不同的方式，分別是線框模型和塊體模型。所謂的線框模型就是指實體表面形態(tài)的表現(xiàn)方法，線框模型不僅可以用來對巖層層位面、地形等封閉相對較弱的實體進行表現(xiàn)，而且它還可以對不同的巖性區(qū)域以及礦體等封閉較好的實體進行表現(xiàn)。一般情況下，線框模型都是采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）來對地質(zhì)實體的表面形態(tài)來進行表現(xiàn)的（模擬情況與實際情況無限接近），生成的TIN 的方法通常是利用Delaunay 三角形連法來完成的，這種連接的原理就是：通過隨機分布的數(shù)據(jù)點連接成三角形，同時每一個三角形的外接圓未覆蓋除構(gòu)成該三角形3個頂點之外的其他任意點，具體參照圖1.

圖1 Delaunay 三角形連法

塊體模型則是利用八叉樹狀的結(jié)構(gòu)來對三維地質(zhì)體的模擬空間分布進行表現(xiàn)的，其表現(xiàn)的基本思想就是在模擬的幾何空間中，將地質(zhì)體的實際分布按照相應(yīng)的尺寸將其劃分為多個單元快，最后再對這些單元快進行賦值。在模型的選擇方面要慎重。我們可以根據(jù)線框模型的特點，將巖體的空間邊界、幾何形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)完整地描述，并對節(jié)理、斷層、空區(qū)、礦體、巖層、地表三維結(jié)構(gòu)等進行準確地表達。塊體模型基于線框模型，對其內(nèi)部應(yīng)用規(guī)則六面體進行解剖，要能夠做到逐層分級，對模型邊界的相關(guān)問題進行完善，在對模型進行剖分時，各個單元的類型只能是六面體，且它們之間的大小也必須是倍數(shù)關(guān)系，這就導(dǎo)致了網(wǎng)格不能進行單元漸變，使得線框模型與塊體模型之間的邊界不能完全重合，這就在一定程度上降低了模型的精度。由此可見，兩種模型相比，線框模型的效果相對好一點，GTS 復(fù)雜地質(zhì)體模型如果有效利用Surpac 三維復(fù)雜地質(zhì)線框模型，這樣做不僅能在軟件進行數(shù)據(jù)處理前就將其操作方法進行簡化，而且還能在一定程度上提高該模型的精確度。

2 MIDAS／GTS復(fù)雜地質(zhì)體的數(shù)值模型

過去的數(shù)值計算模型很難正確表現(xiàn)出線框模型的實際形態(tài)，一般都被簡化為了規(guī)則平面來代替，這樣的處理方法會造成線框模型與地質(zhì)體實際形態(tài)不相符。

2.1 表面模型的構(gòu)建

一般用來虛擬地形和表面的就是表面模型，它都包含了很多離散的、空間分布不勻的散點，將這些散點進行聯(lián)接，就可以組成一個三角網(wǎng)。在Surpac 中建立的地表、巖層和斷層模型都屬于表面模型。一般表面模型都是由許多等密線連接點間三角網(wǎng)組成，線的密集程度可以直接反映出表面模型的精確度，例如在地表模型的建立時，等高線的間距越小，所建的模型就越精確，而同時所占用的計算機內(nèi)存也相對很大。為了成功將表面模型無縫轉(zhuǎn)換為GTS 數(shù)值模型，可以通過研究Surpac 與GTS對表面模型的各自表達特點，現(xiàn)在就用地表模型作為例子，說明幾種方法：1.在GTS 強地形生成器的幫助下，直接讀取三維DXF 線文件，鎖定建模范圍以及精度，從而生成不規(guī)則的復(fù)雜地表模型；2.對TGM 建立的地表模型直接讀取，用坐標平移或者轉(zhuǎn)換等形式生成GTS 地表模型，如圖2 所示。

圖2 GTS 三維地表模型

2.2 實體模型的構(gòu)建

由于表面模型一般僅能夠表現(xiàn)開放物體的外部信息，而對于封閉物體全部形態(tài)的表現(xiàn)，就需要運用實體模型，例如礦體、采空區(qū)和巷道模型等。實體模型的建立相對表面模型顯得更加復(fù)雜。以采空區(qū)為例，實體模型無縫轉(zhuǎn)換為 GTS數(shù)值模型的方式有以下幾種：1.對采空區(qū)數(shù)據(jù)后的處理進行實測，并在Surpac 中建立實測的采空區(qū)實體模型，如圖3所示；2.對剖面線進行編輯，輸出后成為三維DXF 線文件；3.通過GTS 接口程序讀取三維DXF 線文件，并將坐標平移或轉(zhuǎn)換，最終使得采空區(qū)模型的實測在軟件中再現(xiàn)。

圖3 Snrpac 線框模塑

3 結(jié)束語

由于復(fù)雜地質(zhì)體的三維數(shù)值模擬是一種十分復(fù)雜，并有不少影響因素的技術(shù)，所以我們應(yīng)基于線框模型和塊體模型的對比，將第一次提出的Surpac 線框模型在復(fù)雜礦區(qū)地質(zhì)體三維模型的建立加以利用，就能將無縫轉(zhuǎn)化為GTS 數(shù)值計算模型，這樣可以使數(shù)值模擬軟件前處理得到簡化，模擬計算精度也大為提高。還有，要注意表面模型和實體模型的特點各不相同，應(yīng)充分研究怎樣將其分別轉(zhuǎn)化為數(shù)值計算模型的方法，再將Surpac 和GTS 各自的優(yōu)點相結(jié)合，就能為采礦、水利等巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬分析方法帶來極大的便利，創(chuàng)造更多的利益空間。

[1]劉曉明,羅周全,楊彪等.復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建[J].巖土力學(xué),2010,31（12）：4006-4010,4015.