CATIA曲面建模技術在三維地質建模中的應用

馬丹璇，韓 旭，蘇小寧，徐明輝

(長江水利委員會長江巖土工程總公司，湖北武漢 430010)

CATIA曲面建模技術在三維地質建模中的應用

馬丹璇，韓 旭，蘇小寧，徐明輝

(長江水利委員會長江巖土工程總公司，湖北武漢 430010)

采用CATIA平臺強大的曲面建模技術，可以快速地創建出覆蓋層、地 (斷)層、褶皺等復雜地質體，任意切制地質剖面，而且模型的地質邊界條件更加直觀、真實。

CATIA;曲面建模技術;三維地質建模

0 引言

三維地質建模就是運用計算機技術，在三維空間里，將空間信息、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，用于地質研究的一門新技術。目前主流的三維地質建模軟件有 GoCAD、CATIA、Petrel、RMS、Solid Works等。其中CATIA是法國Dassault System公司開發的一款高度集成的大型三維協同設計平臺，其源于航天航空業，但其強大的功能得到各行業的認可。針對水利水電相關行業的需要，CATIA從V5R19版本開始增加了地形地質建模功能，使CATIA平臺運用到水利水電工程項目的全過程。相比其他軟件，CATIA擁有更強的曲面造型功能，可以快速的建立三維地質模型，極大地提高了水利水電行業的設計水平與效率。

1 三維地質建模的基本流程

1.1 原始資料的準備與整理

各種原始資料數據是進行建模的基礎，可用于三維地質建模的數據資料主要有以下兩類:(1)地質數據 地質測繪資料、地質剖面圖等;(2)勘探數據 鉆孔、豎井、平硐、坑槽探測資料等;

這些原始數據資料需經過專業地質工程師的整理分析后，作為CATIA地質建模的基礎數據［1］。

1.2 建模基本流程

首先通過等高線點云數據生成地表mesh網格面，再轉換為地表曲面模型，然后根據平面地質圖、剖面圖和鉆孔數據形成地質分界面，與之前建立好的地表曲面模型按照先挖覆蓋層、斷層，再分割地層的順序依次分離，最終形成完整的三維地質模型。

CATIA三維地質建模的基本流程見圖1。

圖1 三維地質建模基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of 3D geological modeling

2 曲面建模的優勢

CATIA平臺在水利水電行業已推廣應用多年，以往在運用CATIA進行三維地質建模過程中多通過mesh三角網格面來實現，最終成果的三維模型也是以網格面模型來展示，由于網格面在進行切割時會重新計算邊緣并生成新的網格面，導致邊緣結合部位存在明顯變形，可視效果較差。對于大范圍、地質條件復雜的地質模型來說，應用網格面建模難度較大，建模過程中碰到的問題也較多。相比網格面建模，曲面建模主要有以下幾點優勢:

(1)使用光滑曲面所建立的地質模型在做覆蓋層剝離、地(斷)層分割時則極大避免了上述問題的產生，實現了快速建模。

(2)分割后的邊界光滑平順，視覺效果更好(圖2)。

圖2 網格面模型與曲面模型效果對比(上為網格面體，下為曲面體)Fig.2 Effect comparison between mesh model and surface model

(3)曲面建模具有網格面建模沒有的錯誤提示功能，對操作過程產生的錯誤部位能夠快速定位，極大方便了對模型的修改。

(4)在做剖面輸出時，若需輸出帶顏色填充的剖面，網格面實體必須轉換成wrl格式才能實現，步驟繁瑣，且對于地質結構復雜或者網格邊長＜10 m的地質體，輸出的剖面效果并不理想。而曲面模型可以在曲面體與封閉曲面體之間自由轉換，極大地提高了剖面輸出的效率。

3 地表曲面模型

由于mesh網格面對細節修改更方便，所以一般先建立地表的mesh網格面，然后再轉換成地表曲面。

3.1 生成地表mesh網格面

將地形數據導入CATIA中，在數字曲面編輯器DSE(Digitized Shape Editor)模塊中對導入的點云進行修飾，刪除錯誤點云，然后通過“Mesh Creating”命令生成地表的mesh三角網格面［2］。由于生成的地表網格面邊緣部分會產生很多的多余網格，可以在生成mesh面時選擇“2D Mesher”模式并輸入合適的“Neighborhood”值，這樣能夠極大地減少多余網格面的數量，對多余的網格面需要手動刪除，否則會影響后續步驟的順利進行。

3.2 mesh網格面轉換曲面

地表網格面修飾完成后進入快速曲面建模QSR(Quick Surface Reconstruction)模塊，利用《Automatic Surface》命令即可生成所需的地表曲面，需要特別注意的是:表面細節(Surface Detail)參數應與原mesh網格面的三角網格數量保持一致，這樣能保證所生成的曲面特征與原地形相吻合，最大限度減少轉換過程中產生的變形誤差［3］。

進入創成式外形設計GSD(Generative Shape Design)模塊，用草圖工具中繪制出所需區域的輪廓線，注意不能超出地表曲面的輪廓范圍。利用凸臺與分割命令對地表曲面進行分割即可得到地表曲面模型(圖3)。

圖3 地表曲面模型Fig.3 Surface curve model

4 覆蓋層實體的生成

覆蓋層是在地質建模中最先被剝離的地質體，是地質建模過程中關鍵的一步，直接影響到后續地質體建模的精確度。

4.1 導入地質界線

在GSD模塊中利用地質工具中的“導入平切圖”命令將CAD中覆蓋層邊界導入到CATIA中，然后用拉伸命令將草圖沿Z軸拉伸成面并穿過地表，再用分割命令切割出覆蓋層的地表投影面作為下一步變形的原始曲面。

4.2 覆蓋層底面生成

覆蓋層底面的生成需通過曲面或者mesh網格面的變形，CATIA 中的 GSD、Shape Sculptor、FreeStyle 模塊提供了強大的曲面及mesh網格面變形功能，結合二次開發工具，用戶可根據實際需要選擇合適的命令去生成所需的曲面。

將切割出的原始曲面轉換成mesh網格面，利用導入的鉆孔及剖面數據通過“Mesh Morphing”命令生成覆蓋層底面的網格面，然后用 QSR中的“Automatic Surface”命令即可得到所需的覆蓋層底面。

當使用“Mesh Morphing”命令，遇到剖面、鉆孔數據較多，地形變化較大，且變形區域不連續(如河道覆蓋層)時，容易出現錯誤導致無法順利變形，可以將自由邊界轉換成點之后再做變形就可以解決。

4.3 切割覆蓋層實體

將生成的覆蓋層底面提取邊界，將邊界沿Z軸方向拉伸成面，將拉伸面與底面接合后再使用“修剪”命令即可得到覆蓋層的實體模型(圖4)。將所有覆蓋層剝離后的地表曲面可作為地層、斷層、風化分界面建模的頂面或參照面。

圖4 切割得到的覆蓋層實體Fig.4 Overburden entity

5 地(斷)層實體的生成

做地層實體分割時首先需要建立地層分界面，GSD模塊提供了豐富的曲面編輯命令，可以很方便高效的獲得所需的曲面。

5.1 生成地表地(斷)層分界面

把平面地質圖地(斷)層界線導入CATIA后需要獲取地表地(斷)層界線，一般通過以下三種方式獲得:

(1)利用GSD模塊中的“投影”命令生成。

(2)將導入的平面地質界線拉伸成曲面并穿過地表曲面，再使用GSD中的“相交”命令提取拉伸面與地形面的交線即可得到地表地(斷)層界線。

(3)將導入的邊界線草圖拉伸后對地表曲面進行切割，然后提取邊界即可。

獲得地表地(斷)層界線后，根據原始平(剖)面圖、鉆孔數據等資料加入產狀線，然后使用“多截面曲面”命令就可以生成地層分界面。

對于產狀變化較大的地層，可以采用“多截面曲面”命令分段變形，然后采用“結合”命令即可形成完整的地層分界面(圖5)。

5.2 地(斷)層實體的生成

將得到地層分界面與地質體進行切割即可得到地層實體。生成斷層實體的過程與地層相似。不同是需要根據斷層的寬度創建斷層兩側的分界面。

6 褶皺實體的生成

將褶皺的剖面線導入CATIA，在相鄰剖面線之間建立引導線，在GSD模塊下通過“多截面曲面”命令就可以很快創建出褶皺的地質結構曲面，最后按從上到下的順序分層切割得到褶皺的實體模型(圖6)。

圖5 建立地層分界面Fig.5 Interface of formation

圖6 褶皺的地質結構曲面與實體模型Fig.6 Folded geological structure surface and entity model

7 結語

曲面建模相比網格面建模具有建模更快速、效果更美觀等特點，結合CATIA曲面建模過程互相關聯的特性，能夠更加高效的完成三維地質建模工作。通過曲面建模技術建立的三維地質模型可以形象直觀的反應工程區域的地質條件信息，便于工程設計人員對工程地質情況的了解，可以解決傳統二維地質模型中難以解決的問題，提高水利水電行業工程設計的水平與效率。

［1］ 李斌，宗志堅，郭莉莉.基于CATIA V5R20的水利水電工程三維設計應用教程［M］.鄭州:黃河水利出版社，2011.

［2］ 張兵，李斌，吳偉功.CATIA在水利工程建模中的應用［J］.水利水電技術，2010，41(1):26 －28.

［3］ 何鄭燕，劉洪濤.CATIA V5R20完全自學一本通［M］.北京:電子工業出版社，2011.

(責任編輯:陳文寶)

The Application of Surface Modeling Techniques Based on CATIA in 3D Geological Modeling

MA Danxuan，HAN Xu，SU Xiaoning，XU minghui
(Changjiang Water Resources Commission，Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan，Hubei430010)

CATIA platform has powerful capabilities of surface modeling，adopts the technology of the curved surface modeling.It not only can quickly create a overburden，stratums，fault，folding，such as complex geologic body，but also enable the rendering of model become much real and beautiful.

CATIA;surface modeling;3D geological modeling

TP39;P642

B

1671－1211(2014)02－0200－03

2013－06－19;改回日期:2013－10－25

馬丹璇 (1984－)，男，助理工程師，碩士，計算機科學與技術專業，從事三維地質建模工作。E－mail:38259749@qq.com