地質體三維建模技術研究

山西省煤炭地質115勘查院 景 瑞

0 引言

工程地質原始資料具有來源廣、種類多、數量大的特點。勘察工作人員所采集到的勘察數據復雜多樣，其中包含有地形測量數據、遙感數據、現場踏勘數據、地球物理勘探資料、鉆孔資料、探槽和平硐等。這些數據的存儲類型大多以表格、圖紙、文檔等格式為主[1]。因此，地質工作者在地質勘查過程中所采集到的數據均是離散不連續的。采用這些采集到的勘查數據分析地質體中的各項分布規律時，工作量大，且難度較高。為更加高效便捷的分析出各種信息在勘察區域中的分布規律，地質測繪人員往往會使用圖件的形式來表達。利用計算機來實現地質信息分布規律的顯示是地質勘查工作的必然發展趨勢。

1 地質體三維建模的優點

實現地質體的三維建模與分析，不僅有助于地質勘查工作的進行，且對工程設計和施工管理均有較高的促進作用。

1.1 分析地質信息

地質體的三維建模技術為工程師對整體工程中地質信息的掌控提供了極大便利。可幫助地質工作者預測分析地質信息在勘察區域的空間位置以及相互之間的關系。

1.2 獲取二維地質圖

通過工程勘察三維信息系統的建立，地質工作人員可根據實際需求完成對地質模型的自動剖析，三維建模系統可快速實現三維模型對二維地質圖的轉換。

1.3 優化工程設計

三維地質建模技術有助于地質工作人員對地質模型的數據分析及分類，縮短工程周期，提高工作效率，優化工程設計，提高設計水平。

2 三維數據模型

三維數據模型是進行三維空間數據模型建立的概念和方法，是三維地質建模研究的基礎。通過三維數據模型，可呈現出各空間實體的幾何形態以及實體間的相互關系。

從三維數據幾何特征的角度考慮，三維數據結構類型包含三種：曲面結構、體元結構、混合結構。三維結構的研究從開始至今，經歷了一個漫長的過程，其中以八叉樹結構的研究最為成熟。

3 三維地質建模

3.1 三維地質建模過程

三維地質建模工作是一項極其復雜的工程，其主要是在野外勘探原始數據的基礎上，用合理的數據結構來建立對應的地質信息數據模型，采用三維模擬方法對勘察地質體對象的幾何形態、物理特性等方面進行數據處理，匯集地質實體的各方面信息，匯總各方面信息從而形成一個復雜完整的三維結構模型，其建模過程如圖1所示。該過程需要地質工作專家利用其專業領域知識及多年工作經驗對原始勘查數據進行分析及解譯，對工作人員的專業水平要求較高。

圖1 三維地質建模過程

3.2 三維地質建模技術分析

1)地質數據處理。不同的地質體具有不同的特性，勘探所獲取的地質數據也比較復雜。地質信息來源較廣，有通過地表實地測量獲取的地形資料，也有利用遙感、攝影技術獲取的視頻資料，還有通過鉆孔平硐獲取的地底地質資料等。不同的數據來源，資料存儲方式不同，需要對其進行預處理，結合工程實際需要耦合不同來源的有價值信息，完成對部分較為復雜的地質體的闡釋、定位等工作。再通過數據轉換接口對處理后的地質數據進行數據格式轉換，以響應地質建模的需要。

2)地質對象空間幾何形態的表達。地質體的空間幾何模型是在地質數據處理的基礎上分析數據的空間分布和變化特征建立的。當采集的數據信息較多時，可能造成某些部分的離散點或數據剖面過于密集，處理時應在保證空間曲面曲率的前提下，適當降低數據點的密度，然后再進行曲面的擬合分析。如果數據信息量少，導致離散度稀疏，首先應通過空間曲面擬合插值，調整地層、分界面等不合理的趨勢面，從而使模型趨于合理。

3)地質體三維拓撲模型的建立。三維拓撲模型的建立即為地質對象空間拓關系的生成，主要包含地層與地層間的關系，構造面與構造面間的關系，地層與構造面間的關系。為了確保地質模型中地層面和構造面拓撲關系以及幾何關系的一致性，建立模型時應當遵循空間曲面拓撲關系的確定原則。

4)屬性建模。在三維可視化系統中，為了反映地質體的屬性特征，需要建立屬性數據庫，使其與相應的圖形庫對應。通過屬性關聯的方式，將不同的地質屬性賦予幾何模型中相對應的地質體，包括巖性描述、巖體質量級別、斷層要素等。

5)模型應用。模型應用主要包含地質分析、工程分析、統計與查詢及其他方面的應用等。地質分析的優勢是可以對建立的三維地質模型做任意方向、任意位置和任意深度的地質剖面分析，從而幫助地質工作人員更加直觀、深層次的了解地質體的各方面信息。工程分析的分析對象主要是出于研究階段的工程建筑物，在保證安全性和經濟性的前提下，在工程設計階段進行設計優化和方案對比，從而確定地質條件好、處理工程量少的設計方案。統計與查詢平臺可以有效的組織、管理和利用大量空間地質數據，有助于建立統一、完善的地質模型。

4 結語

工程地質是眾多工程建設的基礎，構建工程地質三維模型，可以使工作人員更加直觀、準確地了解和觀察地質情況，為地質測繪工作提供了極大的便利。

[1]李明超.大型水利水電工程地質信息三維建模與分析研究[D].天津大學,2006.

[2]王友升.城市三維地質空間數據庫設計方案[J].中國地質大學學報,2006(5):678-682.

[3]王小東.基于GIS的地質災害數據庫設計[J].河南理工大學學報2007(9):250-253.