■童紀(jì)偉

（廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險技術(shù)中心廣東廣州510425）

工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及其應(yīng)用研究

■童紀(jì)偉

（廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險技術(shù)中心廣東廣州510425）

本文主要論述了工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)，并探討了工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)如何具體的開展，論述了應(yīng)用過程中需要應(yīng)對的問題和具體的注意事項。

工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)應(yīng)用

1　前言

三維空間數(shù)據(jù)模型是當(dāng)前研究的熱門課題之一，對于地質(zhì)比較特別的一些工程，必須要進(jìn)行科學(xué)建模，應(yīng)用工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)，可以提升建模的科學(xué)性，可以用于解決專題問題。

2　三維建模的基本方法

總得來說，模擬的方法主要有面模型、體模型和混合模型等。

面模型主要是通過對地質(zhì)界面的模擬，然后組合成體的辦法。如表面（Surface）構(gòu)模法、邊界表示（B-rep）構(gòu)模法、線框（Wire-Frame）構(gòu)模法、多層DEM構(gòu)模法、斷面（Section）構(gòu)模法；面模型可以較方便地實現(xiàn)地層可視化和模型更新，但其不是真三維的，也不描述三維拓?fù)潢P(guān)系。

體模型主要是直接構(gòu)造體的辦法。如結(jié)構(gòu)實體幾何（CSG）構(gòu)模法、八叉樹（Octree）構(gòu)模法、四面體格網(wǎng)（TEN）構(gòu)模法、塊段（Block）構(gòu)模法、實體（Solid）構(gòu)模法；體模型模擬是真三維的，但也幾乎描述三維拓?fù)潢P(guān)系，模型更新也比較困難。

混合模型是由兩個或多個構(gòu)模方法相結(jié)合來進(jìn)行構(gòu)模。如TIN-CSG混合構(gòu)模法、TIN-Octree混合構(gòu)模法、WireFrame-Block混合構(gòu)模，體模型綜合面模型和體模型的優(yōu)點，相互取長補短，但其在技術(shù)實現(xiàn)上相對比較困難。

3　三維地質(zhì)建模技術(shù)的關(guān)鍵

3.1建立三維構(gòu)造地質(zhì)模型的技術(shù)關(guān)鍵

構(gòu)造模型的建立主要由斷層模擬、三維網(wǎng)格化、建立地層格架三部分組成，它是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，其精度直接影響到最終的模擬結(jié)果。在建模流程中，Petrel軟件定義斷層的方法很多，根據(jù)斷層polygon、地層解釋層面、輸入的構(gòu)造圖、faultstick、斷點都能生成斷層。薩北開發(fā)區(qū)斷層主要由測井解釋對比得到的斷點信息確定的，因此采用斷點信息來構(gòu)建斷層。利用斷點信息，通過makesurface形成斷層面，斷面轉(zhuǎn)換成模擬斷面形狀的線，線轉(zhuǎn)換成模型中定義斷層形狀的KeyPillar。

斷層模型建好后，利用已建立的斷層和設(shè)置的邊界經(jīng)過Pillar網(wǎng)格化、makehorizon、makezone三個步驟建立骨架模型。垂向上則利用地層對比結(jié)果，建立地層格架。

由于斜井只有地面坐標(biāo)和地下坐標(biāo)，斷點深度是測量深度，在二維上進(jìn)行斷點組合難度大且準(zhǔn)確率低，所以在建立構(gòu)造模型時，應(yīng)用petrel軟件內(nèi)置的斜井軌跡校正程序，輸入斜井的井斜角、方位角數(shù)據(jù)，建立斜井軌跡模型。對斜井的層面海拔深度進(jìn)行校正，將測井解釋層面深度回送到斜井井軌跡上，輸出斜井軌跡數(shù)據(jù)，將對應(yīng)層面點坐標(biāo)及垂深進(jìn)行校正。校正后使斷點與斜井軌跡吻合，能準(zhǔn)確反映出斷點空間的真實位置，降低組合難度。

3.2建立三維相控屬性地質(zhì)模型的技術(shù)關(guān)鍵

利用scaleupwelllog流程，對加載的單井孔隙度、滲透率、飽和度屬性曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化時采用最大值法，生成離散化屬性模型。這樣可保證井所在網(wǎng)格值與單井單層屬性曲線保持一致。

選擇要模擬的沉積單元生成一張變差圖，反映該沉積單元在平面上的變異性，由此確定主變程方向。

4　三維可視化模型設(shè)計

三維可視化模型是為了在計算機(jī)上虛擬三維場景，重現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的三維地層分布形態(tài)，為工程技術(shù)人員提供準(zhǔn)確、直觀的地質(zhì)構(gòu)造模型，用于分析、量算工作而設(shè)計。本文提出的混合模型產(chǎn)生的復(fù)雜構(gòu)造體，采用了高效的矢量邊界模型完成可視化表達(dá)工作，形成的是單一的矢量圖形系統(tǒng)。關(guān)于矢量邊界模型（B_Reps）的可視化實現(xiàn)，文獻(xiàn)中描述較多，筆者不再贅述。但需強調(diào)兩點內(nèi)容。

（1）合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲策略是模型實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是影響運算效率的重要因素。工程地質(zhì)三維要素是典型的空間對象，且呈樹狀分布，存在包容、繼承的特性，適合采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)造不同的空間對象類，并設(shè)計各自的屬性和方法，為空間分析和空間操作提供必要的手段。同時可以利用商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理能力進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理，提高存取效率。

（2）空間分析及空間操作需要建立復(fù)雜體所含各類空間元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，B_Reps模型要素分類清晰，要素間的關(guān)系明確，易于建立拓?fù)潢P(guān)系。三維矢量模型各要素間拓?fù)潢P(guān)系的分類方法很多，主要取決于應(yīng)用需求，工程地質(zhì)針對三維剖面體的分析與操作存在拓?fù)浞治鲂枨?，需要建立點與線、線與環(huán)、環(huán)與面、面與曲面、線與面、曲面與體、體與復(fù)雜體七類。

5　應(yīng)用分析

工程地質(zhì)條件評價以及地下工程設(shè)計需要針對地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行多種分析和操作，如全方向切割、地層分離、動態(tài)顯示、開挖及隧道的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)仿真顯示等。這些分析操作的目的不同，但在某些領(lǐng)域則是必要的。如橫向切割地質(zhì)剖面體，形成不同埋深的區(qū)域橫切特征面，分析區(qū)域內(nèi)不同范圍的地層屬性及巖土力學(xué)特性，用于建筑物基礎(chǔ)的選型。地層的分離顯示可以直觀地從整體上觀察特定地層的構(gòu)造形態(tài)。切割還可以發(fā)現(xiàn)特異地質(zhì)構(gòu)造情況（孔、洞）等。本文提出的混合模型構(gòu)造產(chǎn)生地質(zhì)剖面體，具有以下特點。

（1）模型采用精確的空間坐標(biāo)系（取決于鉆孔的孔口坐標(biāo)（X，Y，Z）的精度），構(gòu)造產(chǎn)生的結(jié)果支持空間位置關(guān)系量算。

（2）嚴(yán)格依照工程地質(zhì)規(guī)范推理產(chǎn)生的結(jié)果形成封閉的多面體，反映地質(zhì)構(gòu)造的真實情況，可以進(jìn)行體積量算和質(zhì)量計算。

（3）支持采用幾何算法，實現(xiàn)多面體與切面求交，形成的切面將多面體一分為二，完成切割操作。

（4）由于地層由一個或多個不規(guī)則形體相鄰或分散組成，采用面向?qū)ο蠓椒啥x為統(tǒng)一的對象，設(shè)計對象自身的顯示方法，支持對任意地層的縮放和平移，因此實現(xiàn)了地層的分離顯示和動態(tài)瀏覽。

通過對模型特點的分析可知，該模型可以解決實際應(yīng)用操作與分析問題，適用于工程地質(zhì)領(lǐng)域，且可操作性強，數(shù)據(jù)組織嚴(yán)密，推理過程規(guī)范明了，易于編程實現(xiàn)，可用于工程地質(zhì)領(lǐng)域3DGIS系統(tǒng)的空間建模。

6　結(jié)束語

綜上所述，筆者在實際工作中，將工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜的工程地質(zhì)研究中，不僅提升了施工的效果，還進(jìn)一步推廣了工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)，為行業(yè)帶來了更多的借鑒。

［1］吳有信，王長云，魏勇.基于三維地震資料的精細(xì)地質(zhì)解釋技術(shù) ［J］.煤礦安全.2015 （07）：34.

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F407.1［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-332-1