水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模與可視化

劉睿

摘要：水文地質(zhì)勘察可指導區(qū)域工程建設(shè)，按照地質(zhì)結(jié)構(gòu)布局特點設(shè)定網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘察一體化建設(shè)。通過利用三維建模與可視化技術(shù)，得出三維建模可以更準確地探測和研究水文地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)形態(tài)，極大的提高了當前地質(zhì)研究工作的效率，也為地質(zhì)研究工作提供了可靠的技術(shù)手段和方法保障，其可視化的優(yōu)勢為地質(zhì)勘測工作帶來了巨大的便利，并且能夠更廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域之中，發(fā)揮更大作用。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)結(jié)構(gòu);三維建模;可視化

空間三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模與可視化技術(shù)的研究是計算機在水文地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用的一個必然趨勢，并且己成為工程地質(zhì)學、數(shù)字地質(zhì)學以及計算機科學等多學科交叉研究的前沿和熱點問題。如何由水文地質(zhì)鉆孔通過三維地質(zhì)建模而生成地下水三維體數(shù)據(jù)并以圖形圖象的方式表達出來，對于增強水文地質(zhì)工作者對地學數(shù)據(jù)的理解、深入研究和揭示地下水運動內(nèi)在規(guī)律，具有十分重要意義。

1三維建模與可視化技術(shù)的現(xiàn)狀分析

水文地質(zhì)的三維建模與可視化技術(shù)與眾多學科技術(shù)相聯(lián)系，所涉及計算機科學、物理、水文、地質(zhì)等，發(fā)展歷史短，研發(fā)技術(shù)不成熟、經(jīng)費不到位、學科的支持力度也不足，應(yīng)用也不十分廣泛。但是隨著人們對于立體式的空間維度科技的理解程度逐漸加深，對操作項目的可靠性和高效性的要求越來越高，在實際工作中越來越多項目利用這種技術(shù)建立空間模型，可以準確地概括和表達出地質(zhì)和水文的各種因素條件和具體情況。因此在接下來的工作中需要結(jié)合實際情況對三維建模與可視化技術(shù)不斷加以改進和創(chuàng)新，其發(fā)展前景還是很值得期待的。

當前的水文地質(zhì)空間模型可視化處理所采用的模型技術(shù)包括面模型技術(shù)、體模型技術(shù)、混合模型技術(shù)三類，各有優(yōu)勢。面模型技術(shù)原理簡單，技術(shù)應(yīng)用較廣，但其原理簡單，所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是偽3D的;體模型在復雜的結(jié)構(gòu)中技術(shù)難度較高，非規(guī)則元模型能實現(xiàn)復雜地質(zhì)體的建模要求，但模型更新周期較長;混合模型技術(shù)仍處于技術(shù)測試與研發(fā)階段，應(yīng)用難度較大。

三維建模的過程是將平面數(shù)據(jù)重組成為一個立體模型的過程，水文地質(zhì)模型構(gòu)建及可視化處理要依據(jù)充足的地質(zhì)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)資源依托進行。然而這個重建的過程數(shù)據(jù)繁多，涉及各類圖片、文字、音像等，轉(zhuǎn)換難度巨大;而且數(shù)據(jù)的來源需要一一核實，確保其可靠性，這給數(shù)據(jù)篩選和整理增加了工作難度。水文地質(zhì)三維建模的技術(shù)手段不能適應(yīng)所有建模區(qū)域。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)每個區(qū)域各有不同，大范圍區(qū)域要收集的數(shù)據(jù)繁多，前期的整理階段任務(wù)中，建模難度加大;而收集的數(shù)據(jù)過少，那么建模作業(yè)就不能及時進行。而收集數(shù)據(jù)的方式主要有兩種，即鉆孔數(shù)據(jù)建模和剖面數(shù)據(jù)建模。鉆孔數(shù)據(jù)收集是在相應(yīng)施工地段進行鉆孔作業(yè)從而得出數(shù)據(jù)，隨后依據(jù)所得數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性同比來建立水文地質(zhì)的三維模型。

2三維地質(zhì)建模方法

2.1基于面模型的構(gòu)模

“面模型”是3D平臺直接展示的方式，利用數(shù)字構(gòu)建出符合對象要求的模型平臺，對3D空間進行綜合展示與分析，體現(xiàn)了地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化特點。基于面模型構(gòu)建三維地質(zhì)系統(tǒng)，需要收集表面的原始數(shù)據(jù)，對地形表面、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、區(qū)域構(gòu)造等詳細劃分，利用輪廓與空間結(jié)構(gòu)展開布局，這樣才能更好地發(fā)揮模型作用，實現(xiàn)地質(zhì)區(qū)域模型的綜合化分析。早期，二維模型僅能單一地收集原始數(shù)據(jù)，對原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺少綜合分析，無法掌握具體的地質(zhì)布局情況。3D平臺可以真實地反應(yīng)地質(zhì)環(huán)境，從多個角度展開模型評估與識別，獲得更加可靠的數(shù)據(jù)信息。

2.2基于體模型的構(gòu)模

（1）四面體格網(wǎng)（TEN）構(gòu)模。TEN模型是一個基于點的TEN的三維矢量數(shù)據(jù)模型，主要通過多個互不交接的直線，把空間結(jié)構(gòu)中的散亂點集進行整理，構(gòu)建出三角面片，利用三角面片構(gòu)建成四面體格網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)υ嫉刭|(zhì)數(shù)據(jù)綜合處理，提高了水文地質(zhì)勘察的可視化。TEN雖然可以描述實體的內(nèi)部，但是不能表示三維連續(xù)曲面，而且用TEN來生成三維空間曲面也較為困難，算法設(shè)計比較復雜。

（2）三棱柱（TP）構(gòu)模。由于TP模型的前提是三條棱邊相互平行，因而不能基于實際的偏斜鉆孔來構(gòu)建真3D地質(zhì)，也難以處理復雜地質(zhì)構(gòu)造。“體模型”是建立于面模型基礎(chǔ)之上，利用更加多維度的方式呈現(xiàn)地質(zhì)情況，對區(qū)域三維空間進行總臺展示，為地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布提供多種不規(guī)則的呈現(xiàn)方式。體模型采用多個體元因素，按照地質(zhì)結(jié)構(gòu)布局要求進行動態(tài)展示，把水文地質(zhì)情況進行真實地反饋。

（3）實體 （Solid）構(gòu)模。該法采用多邊形網(wǎng)格來精確描述地質(zhì)和開挖邊界，同時采用傳統(tǒng)的塊體模型來獨立的描述形體內(nèi)部的品味或質(zhì)量的分布，從而既可以保證邊界構(gòu)模的精度，又可以簡化體內(nèi)屬性表達和體積計算。Solid模型對原始數(shù)據(jù)自動篩分，按照傳統(tǒng)模型進行改造與規(guī)劃，從而提高了原始數(shù)據(jù)的一體化應(yīng)用。

3水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模與可視化思路及策略

3.1技術(shù)研發(fā)目標的確立

隨著技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)逐步走向成熟，但水文地質(zhì)建模所處的瓶頸一時難以突破。目前水文地質(zhì)三維模型及可視化處理尚停留在對地下水運移的空間結(jié)構(gòu)描述之中，且空間結(jié)構(gòu)建模描述沒有相應(yīng)可靠、完善的技術(shù)手段作為支撐。在這個過程中，相關(guān)技術(shù)研發(fā)機構(gòu)應(yīng)該明確認識，要看到技術(shù)瓶頸的突破不是一朝一夕能完成的，將技術(shù)的研發(fā)設(shè)定在區(qū)域階段中，制定有限的技術(shù)研發(fā)目標，在目標的分步實現(xiàn)中推動技術(shù)研發(fā)突破瓶頸與困難。

3.2建模工具開發(fā)

就實際情況來看，目前國內(nèi)進行水文地質(zhì)模板的建立所使用的工具數(shù)量和功能有限，水體地質(zhì)三維建模軟件工具從研發(fā)到完善還要經(jīng)歷一個較為長久的過程。在具體的工具研發(fā)中，要把水文地質(zhì)建模要求納入到工具設(shè)計與研發(fā)環(huán)節(jié)當中，軟件開發(fā)可從數(shù)值模擬平臺、可視化模板界面、簡易化操作系統(tǒng)作為研發(fā)的重點。

3.3提升模型的更新能力

地質(zhì)模型只不過是對當前或原有地質(zhì)狀況的可視化表述，而由于水文地質(zhì)的結(jié)構(gòu)和空間時時刻刻都在變動，當數(shù)據(jù)更新后，如果模型不能夠得到及時的更新，對模型的準確性和科學性有較大的影響。

4結(jié)束語

水文地質(zhì)條件三維建模及可視化處理是未來水文勘測領(lǐng)域急需要解決的技術(shù)問題，在思路的構(gòu)建中，要明確認識技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都是一個循序漸進的過程，要在合理的規(guī)劃中逐步實現(xiàn)建模工具的開發(fā)、模型更新能力的增強、地質(zhì)條件標準化體系的構(gòu)建。

參考文獻：

[1]王勇.水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模與可視化[J].科學管理，2017（11）：197.

[2]孫軍強，朱金榮.工程地質(zhì)勘察中需要注意的問題[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2014（6）：88-90.

（作者單位：黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究總院）