夏艷華

摘 要： 三維地層信息系統(tǒng)針對(duì)地層信息的特點(diǎn)，以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土木工程、環(huán)境工程和巖土力學(xué)、土力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，基于三維地理信息系統(tǒng)之上，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、圖形圖像學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能與專家系統(tǒng)等信息技術(shù)的最新成果，實(shí)現(xiàn)地層信息共享，支持科學(xué)決策，是具有自主版權(quán)的集成軟件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 三維地層建模 三維地層信息 連續(xù)性

三維地層模型是建立在以巖性為要素的單一體劃分的基礎(chǔ)之上的。采集到的數(shù)據(jù)樣本主要是各巖層、土層的分界點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)具有有限、離散、稀疏、不規(guī)則等特點(diǎn)。三維地層模型借鑒已有二維空間數(shù)學(xué)建模的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用多層規(guī)則DEM建模，即首先按規(guī)則DEM的方法與思路，對(duì)每個(gè)巖層、土層，根據(jù)這些分界點(diǎn)分別進(jìn)行插值或擬合，然后根據(jù)巖層、土層的屬性，對(duì)多層規(guī)則DEM進(jìn)行交叉劃分處理，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進(jìn)行劃分的三維地層模型的骨架結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，引入地下空間中的特殊地質(zhì)體、人工構(gòu)筑物等點(diǎn)、線、面、體對(duì)象，完成對(duì)三維地下空間的完整描述，形成三維整體地層模型，最后建立局域拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性，地質(zhì)曲面在形態(tài)上極其錯(cuò)綜復(fù)雜，不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，難以用嚴(yán)格的解析方法處理，只能用近似的數(shù)學(xué)曲面逼近擬合地質(zhì)曲面。根據(jù)已知點(diǎn)的實(shí)測(cè)值推求采樣空白區(qū)的元素含量的空間插值運(yùn)算，實(shí)質(zhì)上就是這樣一個(gè)過程，從已知樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，選用特定的數(shù)學(xué)曲面最大限度擬合逼近實(shí)際地學(xué)曲面。根據(jù)擬合的數(shù)學(xué)曲面，可以求得研究區(qū)域中任意一點(diǎn)的值。擬合的曲面函數(shù)可分為單值曲面和多值曲面兩類。單值曲面函數(shù)Z=f（x，y）指平面域上任一點(diǎn)（x，y）只對(duì)應(yīng)一個(gè)曲面高程Z，如地表地形、地下水位、風(fēng)化層厚度等均屬于單值曲面；多值曲面函數(shù)W=f（x，y，z），當(dāng)空間曲面上的坐標(biāo)中任意指定兩個(gè)變量時(shí)，第三變量可能對(duì)應(yīng)一個(gè)以上的值，這種曲面即所謂空間超曲面，如地溫場(chǎng)、巖體孔隙度變化、各種物化探數(shù)據(jù)。當(dāng)參量連續(xù)變化時(shí)，其超曲面相應(yīng)連續(xù)變化。一組地層面可看做多值曲面，只是地層面之間有不同的厚度控制，因此不能連續(xù)變化，而只能做階梯狀變化，且對(duì)地層面采樣有特定的要求，所以將其獨(dú)立作為層面擬合函數(shù)處理。

內(nèi)插是數(shù)字高程模型的核心問題，DEM內(nèi)插是根據(jù)若干相鄰參考點(diǎn)的高程求出待定點(diǎn)上的高程值。任意一種內(nèi)插方法都是基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)有很大的相關(guān)性，才可能由鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插出待定點(diǎn)的高程。按內(nèi)插點(diǎn)的分布范圍，可以將內(nèi)插分為整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插和逐點(diǎn)內(nèi)插三類。借鑒數(shù)字高程模型DEM的方法與思路，將采樣到的各巖層、土層的分界點(diǎn)，分別進(jìn)行空間插值或擬合運(yùn)算，形成每一巖層、土層層面的規(guī)則DEM，即得到不同地層面在三維空間的展布情況。這樣，在空間中形成了多層規(guī)則DEM，這些多層規(guī)則DEM都有完全一致的參照系并能互相準(zhǔn)確地匹配，嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)。也就是說，對(duì)應(yīng)于規(guī)格網(wǎng)中的（x，y）坐標(biāo)，不再是只有一個(gè)值與其對(duì)應(yīng)，而是可以存在多個(gè)高程值。

對(duì)地層面進(jìn)行函數(shù)擬合時(shí)，結(jié)合對(duì)地層的劃分，需要對(duì)各層面由上至下做層序編號(hào)。設(shè)研究域內(nèi)共有L個(gè)地層面，

這時(shí)，假若在理想狀態(tài)下，各個(gè)地層面在空間中都不發(fā)生相交的情況，就可以將各個(gè)相鄰層面上的格網(wǎng)一一聯(lián)接，生成六面體體元，建立拓?fù)潢P(guān)系，形成局域拓?fù)淠Ｐ停↙TM），這樣就由多層規(guī)則DEM構(gòu)成了一個(gè)整體的三維地層模型。但在實(shí)際應(yīng)用中，地層界面之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)交叉拼接等現(xiàn)象，因而一般在形成多層規(guī)則DEM之后，首先需要對(duì)各地層面進(jìn)行相關(guān)判斷，完成地層劃分，然后在此基礎(chǔ)上建立三維地層模型。

由于巖土介質(zhì)空間分布的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性，地層之間相互交叉侵蝕，地質(zhì)實(shí)體之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。在三維地層信息系統(tǒng)中，如何對(duì)地層進(jìn)行交叉劃分，涉及三維地層建模的一個(gè)關(guān)鍵問題。

經(jīng)過多層規(guī)則DEM建模，完成了按照巖土介質(zhì)為要素的有限—互斥—完整體劃分，形成了三維地層模型的基本構(gòu)架。但是地下空間中還存在多種多樣的自然或人工構(gòu)筑物，如硐室、巷道、基坑等，因此還需要將這些特殊的地質(zhì)體引入已基本劃分的地層模型中。這一步驟的主要操作實(shí)際上是將已基本劃分的地層模型中的體元與這些復(fù)雜體對(duì)象進(jìn)行求交拼接，而且注意求交拼接之后的模型應(yīng)當(dāng)保證體元之間的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性。

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