三維建模技術在區域工程地質勘查中的應用研究

陳 超 ,陳廣峰

(1.中國地質大學地球科學與資源學院, 北京 100083;2.北京市地質礦產勘查開發局,北京 100195)

0 引言

近幾年來,隨著北京地區11個規劃新城勘查工作大規模的開展,合理的整合和利用大量的勘查數據,包括鉆孔資料、巖土力學數據、物探數據、地表建筑資料等對區域地質勘查工作提出了一個新的挑戰.加之新城所處地區地質條件具有很大的隱蔽性、復雜性及多樣性,傳統的二維剖面、表格數據等工作平臺在數據表達的直觀性、精確性及信息的完備性上都已無法滿足新城勘查的要求.因此,迫切需要一個從前期龐雜數據中提取有用信息、還原地下情況的有效工具,幫助直觀掌握地下空間地質情況及變化規律.三維地質建模系統具有強大的空間信息管理、地質信息解釋、空間分析和預測功能,已經在采礦工程、水利工程和邊坡工程得到了廣泛的應用[1～4],這些突出的特點也使三維地質建模系統成為解決區域勘查問題的重要手段之一.

1 三維建模技術的研究現狀及應用現狀

三維地質建模技術是借助計算機的可視化功能,將地質資料、信息在三維環境下展示出來,并可進行空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析的地質分析技術.它是由地質勘探、數學地質、地球物理、礦山測量、礦井地質、GIS、圖形圖像和科學計算可視化等學科交叉而形成的一門新興學科.隨著第一代三維地質建模軟件的問世,其強大的可視化功能及空間分析功能使之成為礦山工程、區域調查、巖土工程和環境工程等領域不可缺少的輔助工具,越來越多的專家和學者將研究的目光投向了這一蓬勃發展的領域.目前,主要的研究集中在三維數據模型、三維地質建模方法及軟件的研發與應用三個方面.

1.1 三維數據模型

三維數據模型用來反映空間世界中實體的相互關系,是三維建模的基礎和前提條件.不同的數據結構應用于不同的空間情況.目前,主要的數據結構模型分為三類:基于面表示的數據結構,基于體表示的數據結構以及混合數據結構.其中,基于表面表示的數據結構有格網結構(Grid)、形狀結構(Shape Model)、面片結構(Face Model)和邊界表示(Boundary Representation)等;基于體表示的數據結構包括三維柵格結構(3DArray)、針狀結構(Needle Model)、八叉樹結構(Octree)、結構實體幾何法(Constructive Solid Geometry,CSG)和不規則四面體結構(Tetrahedral Erregular Network,TEN)等[5];混合模型主要是集合以上兩種模型的優點,采用兩個或多個模型加以綜合,根據混合方式的不同分為互補式混合、轉換式混合、鏈接式混合及集成式混合等[6].

1.2 三維建模方法

自20世紀80年代以來,國外眾多學者們提出了多種構建三維地質模型的方法,用來模擬復雜的地質結構.主要的建模方法分為三種:塊體構模方法、實體構模方法及四面體構模方法[7].

(1)Block模型被稱為塊體模型.根據數據存儲方式,又可分為三維柵格模型 ( 3D Grid Model) 和八叉樹模型 (OctreeModel).三維柵格模型是未經壓縮的標準體元,基本體元可以是長方體、正六面體等,但是最簡單并且最常用的是等邊長的正方體體元.八叉樹模型是對三維柵格模型改進.八叉樹也被稱為實體空間分解枚舉類型,是用層次式三維空間子區域劃分來代替三維柵格.

(2)實體模型 ( SolidModel).實體模型的提出很好地解決了 B lock模型對邊界表達的不精確的問題."實體建模"的概念是Bak和 Mill等人最先提出來得[7].該模型指用面集合來表達實體外部的表面,這些面通常是四邊形或者三角形,因此屬于邊界表達模型 (B-rep Model),也被稱為元件構模技術 (ComponentModel).

(3)四面體模型 (TEN) 將任意一個三維空間對象剖分成一系列相鄰但不交叉的不規則四面體網絡,TEN模型對于復雜三維實體具有很強的表達能力.四面體建模方法可以分為基于八叉樹的四面體生成和基于 Delaunay的四面體生成.前者主要應用于規則數據的實體剖分; Delaunay四面體生成來源于離散數據,四面體相比八叉樹來說描述更精確,數據量少,適合地質礦體的實際情況.三維 Delaunay四面體化,簡稱為 3DDT.

1.3 三維地質建模軟件的研發與應用

最早的三維地質體建模軟件誕生于70年代初,當時主要應用于礦業領域.如Notley和Wilson開發的CAD系統,該系統基于三維線框模型,主要用于地下礦山的設計建模[8].隨后,出現了大量的表面建模軟件,其中最為著名的是1988年法國Nancy大學的J.L.Mallet教授推出的GoCAD(地質對象計算機輔助設計)軟件,主要是滿足地質、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設計需要.該軟件通過三維空間的點的有限集合來定義表面形成,并通結點間的連接來模擬拓撲關系,最后將物理屬性附加在結點上來實現物性的模擬.GoCAD系統均簡化了可視化和模型創建的功能,在建模和可視化方面取得了很高的成就,尤其適合于表示非常復雜的地質構造,但在表示非均質實體地質體內的地質屬性變化是卻存在局限性[9].除了表面建模方法,體建模的傳統方法是塊段建模,像GEMCOM (1993),GEOSTAT (1994)等軟件均采用的是這種方法[10,11].

我國對三維地學可視化研究起步較晚,但也做了大量有益的探索.早期的地質體三維可視化建模軟件主要是一些礦山CAD系統,像中南工業大學在古德生院士的領導下開發了DM&MCAD系統,可以繪制各種地質平、剖面圖和采礦工程圖[12].天津大學鐘登華教授開發研制了水利水電工程地質建模與分析系統VisualGeo,并將其應用于龍灘、錦屏、溪洛渡、白鶴灘等大型水利水電地質工程及洞室的三維建模與分析中[13];此外,中國地質大學開發的三維可視化地質學信息系統GeoView可實現真三維地學信息管理、計算分析與評價決策支持[14];熊祖強博士開發研制了工程地質建模及可視化基礎平臺-3DGeoModeller系統,該系統實現了區域地質資料管理、三維建模、三維地質信息的可視化,以及基于三維地質模型的基本分析功能[6].

在軟件的應用方面,國內在三維地質建模及可視化應用方面已積累了一定的經驗,如毛善君等對煤田領域的三維地質建模問題進行了深入研究[15];賀懷建在礦山工程中應用了三維地層管理系統[16];王環玲基于三維地質建模技術進行了巖土工程數值模擬應用[3];鐘登華在水利水電工程地質方面應用三維建模方法進行巖體質量的分級研究[17].此外,還有許多學者在巖體結構、石油地質、城市地質等方面開展了三維建模及可視化研究及應用.

總的來看,國外三維建模軟件已比較成熟,像GoCAD等軟件已經完全商業化,并在石油礦山等部門得到了廣泛的應用.但是,這些國外三維地學軟件價格昂貴、使用繁瑣且對硬件環境要求較高,操作習慣也不符合我國實際情況.相比而言,國內開發的軟件還只是局限于科研使用,雖然有部分商業化,也沒有達到完整成熟的地步;在應用方面,目前國內三維地質建模主要應用于石油和礦山系統,而在區域地質調查中僅僅是通過剖面進行三維模型的推演,而未達到根據鉆孔數據直接建立地質模型的程度,基于這一點,北京市地勘局在北京新城勘查中利用Creatar建模系統基于鉆孔數據對各個新城的地層模型進行了精細描述,也為三維建模軟件在區域地質勘查中的應用提供了一些借鑒.

2 Creatar建模軟件特點及操作流程

2.1 軟件介紹

Creatar三維建模及展示系統是主要應根據已知的巖土工程數據(如地層、地下水、地質構造及與這些巖土工程條件相關的物理、力學數據)、地理數據(如地形地貌信息等)、建構筑物數據(如建筑基礎--天然地基、樁基、復雜地基、隧道及地下建筑、基坑等)以及工程分析數據在區域范圍或單一的建構筑物范圍內,實現多維數據的高效管理、三維地質建模和三維海量多源數據的一體化表達以及三維空間幾何分析功能.它基于現場勘察數據,實現了從數據導入至三維模型生成展示的全流程.其地質建模模塊提供精確高效的三維地質模型建立方法,提供了經由各種鉆孔、剖面圖、平面圖、等值線圖等的自動或半自動構建三維地質體表面模型的功能,可表達如地層、斷層、褶皺、侵入體、透鏡體等復雜三維地質現象,并可進行任意空間剖面切割、部分實體切割,動態切割等.其附帶的構建筑物建模模塊實現了對二維數據進行平移、復制、縮放、旋轉以及三維坐標配準等數據校準功能,支持基于法向拉伸、比例拉伸、軌跡線拉伸、輪廓線連接、特殊結構連接等多種建模方式,支持較規則模型的參數化構建,支持三維模型沿軌跡線復制、矩陣復制等方式,快速建立模型群.

軟件的界面主要由工具欄、工作空間窗口、圖層窗口和特性窗口組成(圖1),其中工具欄主要包括創建三維模型文件、導入數據、數據解譯、交互式建模等功能,工作空間主要用于模型屬性的查詢及列表顯示,圖層窗口主要實現對三維體的顏色、透明度等地質體的屬性進行修改.

2.2 軟件的主要優勢

通過該系統的建立可在以下幾方面提高工作效率,提升勘察質量.

(1)巖土工程勘察地質數據更精確

利用系統開展三維全局地質解譯標定,可有效避免多個二維剖面之間的不一致性,提高勘察精確度.

(2)巖土工程地質分析模型構建更方便

利用自動建模、手動模型可視化調整、任意剖面直接生成等功能,可大大提高地質分析模型構建的便捷性以及分析成果的直觀展示.

(3)提升巖土工程勘察成果數據展示效果

真三維環境下的可視化表達,可極大提升巖土工程勘察成果數據展示效果,有助于提高勘察報告的水平.

(4)提高巖土工程勘察數據分析效率

與傳統二維分析相比,真三維巖土工程勘察數據分析效率和準確度都有大幅提高.

(5)降低人力成本

基于地質與構建筑物數據的三維一體化建模顯示功能,使得三維勘察及設計成果的一體化有效共享和方便解讀成為可能,在一定程度上可減少可非地質專業人員對地質勘察數據的理解障礙,避免了設計階段可能造成的地質認識不一致.

(6)有利于數據共享和再利用價值挖掘

基于三維平臺的數據可視化功能,可方便實現原始數據和成果數據的整合管理和共享.

2.3 軟件的主要使用流程

系統的使用流程如圖3所示,對于地質體建模導入數據要求為北勘或理正數據格式的鉆孔資料.

3 應用實例-房山新城三維地質模型

3.1 建模范圍及數據源格式

房山新城包括良鄉組團、燕房組團、北京石化新材料基地、竇店新型建材產業用地4部分,新城規劃范圍面積為155km2,新城總人口規?？刂圃?5.7萬人.建模數據源數據來自新城勘查中的鉆孔數據,數據庫格式采用北勘數據格式.

3.2 地層層序及模型

房山新城工作區內地層由沉積巖、侵入巖和變質巖組成,其中沉積巖地層自下而上依次為長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系.

將鉆孔數據庫導入到Creatar軟件中去,采用分層沉降的方法從新到老建立地層模型,建立房山新城地質體模型如圖4所示,三維地質模型的建立使勘察成果清晰明了的凸現出來,與此同時還可以實現對房山新城地區基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、環境地質、地球物理、地球化學等信息的方便有效的管理,并且可以根據地層工程地質屬性等參數對新城勘查地區進行建筑的適宜性進行立體分區,與傳統的平面分區方式相比較,立體分區充分的考慮到地層延深度方向的變化并且更有利于進行地下空間的開發和利用.

3.3 交叉剖面圖

三維地質結構模型的建立除了能直觀地顯示復雜地質結構,增強真實感外 ,最主要的目的是利用三維地質結構模型任意方向切剖面圖,從而達到打虛擬鉆孔的目的,減輕工程地質內業的制圖工作量.在房山新城三維地質模型上切割的交叉地質剖面圖見圖5～7,這3張圖分別反映了房山新城地區對工程開展影響較大的3類土層(液化土、軟土、卵石層)的分布情況.并且通過軟件的分層提取功能單獨提出軟土層進行空間上的延伸展布進行了解和分析,這也為房山新城建筑適宜性分區提供了借鑒,如圖8所示.

3.4 工程體模型與地質體模型聯合展示

除了直觀的對地層進行展示和分析外,對于將來的地下空間開發和地面建筑規劃,三維地質體建模軟件也可實現輔助設計,對于房山新城某段進行了地表建筑、地鐵的模擬建設,并與建好的地質體模型進行整合,如圖9所示,三維建模系統不但能完成對地面建筑外觀的精細描述,而且三維的表現形式更加直觀,能全方位的將建筑物的高低錯落的空間關系表現出來,并且通過局部的放大、切片和推進功能了解地下建筑物如地鐵、管線、地下商場等穿越的地層性質,針對軟弱地層存在的部位,在施工及設計時能予以注意,避免事故的發生,為將來新城的開發提供借鑒,見圖10.

圖9 組合模型全景圖

圖10 利用推進功能了解沿地鐵線地層變化

3.5 勘察資料的有序管理

由于三維建模軟件是基于三維數據庫進行建模,所以可以通過三維建模軟件對勘察資料進行有序分層次的查詢,如圖11所示,通過系統數據表可以方便的對標貫、土層信息、地下水位等有用信息進行查詢,在房山新城勘察中將勘察資料輸入到三維建模數據庫中,不僅為生成直觀的三維模型打下基礎,而且也便于勘察資料的管理.

圖11 鉆孔資料信息顯示

4 結論與展望

本文采用的三維建模系統Creatar使用國內首創的分層沉降建模方法,根據鉆孔資料能迅速將地質體模型準確建立起來,將以往需要由工作人員做的大量工作交由計算機來實現,不僅大大節約了人力,也使該軟件能滿足實際工程對于建模時間的苛刻要求,并且其切片和推進等分析功能能解決區域勘查工程中對地質體某一重點部位著重觀察的問題.

總之,三維地質建模技術在區域勘查中,具有廣闊的應用前景.利用該建模系統三維地質模型,可以為建筑場地選址、地下空間建設與數據管理提供地質信息支持,提高工作效率,如果能進一步在軟件中引入滲流場、應力場分析功能,則將使三維地質建模技術在區域地質勘查領域擁有更為廣闊的應用前景.

[1] 潘 煒,劉大安,鐘輝亞等.三維地質建模以及在邊坡工程中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(4): 597～602.

[2] 李 舒,李偉波,宋世鵬.三維地質建模的應用研究.科學技術與工程[J].2008,8(24):6584～6587.

[3] 王環玲,徐衛亞.三維地質建模技術在沿途工程數值模擬中的應用[J].長江科學院院報,2008,25(5): 125～129.

[4] 王明華,白 云.三維地質建模研究現狀與發展趨勢[J].土工基礎,2006,20(4):68～70.

[5] 熊祖強.工程地質三維建模及可視化技術研究[D].武漢:中國科學院研究生院,2007.

[6] 龔知凡.三維GIS技術及其發展[J].露天采礦技術.2007,5:17～19.

[7] 潘 懋,方 裕,屈紅剛.三維地質建模若干基本問題探討[J].地理與地理信息科學,2007,23(3):1～5.

[8] GoCAD.http://www.gocad.com/index.html,2005.3.

[9] 曾新平.地質體三維可視化建模系統GeoModel的總體設計與實現技術[D].北京:中國地質大學(北京),2005.

[10] GEMCOM,1993,GEMCOM Software News Letter,Published by GEMCOM Services Inc.

[11] GEOSTAT,GEOSTAT Software NewsLetter,1994,Published by GEOSTAT Systems International Inc.

[12] 陳建宏.可視化集成采礦CAD系統研究[D].湖南:中南大學,2002.

[13] 鐘登華,李明朝.水利水電工程地質三維地質建模與分析理論及實踐[M].水利水電出版社,北京,2006.3.

[14] 劉軍旗,毛小平,孫秀萍.基于GeoView三維地質建模的一般過程[J].工程地質計算機應用,2006,44(4).

[15] 毛善君,熊 偉.煤礦虛擬環境系統總體設計及初步實現[J].煤炭學報.2005,30(5):571～575.

[16] 賀懷建,白世偉.三維地層信息系統在金山店鐵礦中的應用[J].土工基礎.2002,16(3):15～17.

[17] 鐘登華,李明超,王 剛等.基于三維地層模型的巖體質量可視化分級[J].巖土力學.2005,26(1):11～16.