三維地層模型的意義及方法分析論文

　　摘要：關(guān)于《三維地層模型的意義及方法分析》的巖土工程論文資料下載：本文主要研究了基于工程鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層可視化，提出了基于鉆孔數(shù)據(jù)三維地層建模的總體思路及其實現(xiàn)步驟，其次介紹了模型可視化的實現(xiàn)，介紹了基于鉆孔數(shù)據(jù)三維地層可視軟件的實現(xiàn)過程。采用VC++平臺、OpenFlightAPI與Vega PrimeAPI實現(xiàn)了基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型的自動構(gòu)建,建立的三維地層模型為地質(zhì)勘察決策提供有力的輔助工具。

　　關(guān)鍵詞：鉆孔數(shù)據(jù)；地層；三維地質(zhì)建模；OpenFlight；API

　　引言：

　　離散分布的鉆孔信息是工程勘察獲得地層信息的最直接來源。傳統(tǒng)的工程勘察成果是以二維圖(鉆孔柱狀圖、工程地質(zhì)剖面圖)的方式來表達(dá)地層信息空間分布，越來越不能滿足人們對地層認(rèn)識和空間分析的需求。三維地層模型能夠完整地表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象的邊界條件及地質(zhì)體內(nèi)含的各種地質(zhì)構(gòu)造，形象生動地展示空間分布效果，更可根據(jù)用戶需要對其進(jìn)行全方位、動態(tài)的分析,從任意角度、實時互動地觀察地質(zhì)模型。本文結(jié)合三維地質(zhì)建模技術(shù)，通過地質(zhì)勘察鉆孔資料，實現(xiàn)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的實時動態(tài)構(gòu)建。突破了用切片方法觀察三維地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局限性，使其更好地掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)及分布規(guī)律[1],為城市規(guī)劃及巖土工程勘察等相關(guān)領(lǐng)域提供有力的決策依據(jù)。

　　1三維地質(zhì)建模型

　　所謂三維地質(zhì)建模(3D Geosciences Modeling)，就是運用計算機技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、幾何形態(tài)、拓?fù)湫畔?地質(zhì)對象間的關(guān)系)、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。三維地質(zhì)建模能夠最大限度的增強地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，使之做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計與施工方案，從而減少人類對地質(zhì)問題認(rèn)識的盲目性以及地下工程設(shè)計、施工面臨的風(fēng)險性[2]。從三維地質(zhì)建模的難點來看，對于復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模，其關(guān)鍵技術(shù)有：

　　（1）離散數(shù)據(jù)的插值與擬合[3]工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體中的各種地質(zhì)信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、侵入體及各種巖土體的物理力學(xué)參數(shù)或數(shù)據(jù)的等值面線等，都可以看作是三維空間中的函數(shù)，它們的擬合函數(shù)要根據(jù)實際勘測數(shù)據(jù)來建立。

　　（2）空間數(shù)據(jù)模型與三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)模型是建立地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。而地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是整個可視化仿真系統(tǒng)的核心，它的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能�？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是空間數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)，是對客觀對象進(jìn)行可視化表現(xiàn)的基礎(chǔ)。地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是工程地質(zhì)三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求必須具備有效的分層的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠確保人機交互和查詢的實現(xiàn)。

　�。�3）三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析從地質(zhì)學(xué)角度看，拓?fù)涫堑刭|(zhì)對象的空間位置關(guān)系。拓?fù)湟部梢暈樵试S這些地質(zhì)關(guān)系合理儲存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。評價地質(zhì)模型系統(tǒng)的優(yōu)缺點往往取決于描述地質(zhì)對象所用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　(4)可視化技術(shù)工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體可視化，是利用計算機技術(shù)將工程勘測獲得的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為形象直觀的便于進(jìn)行交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形，其基礎(chǔ)是工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化。

　　2基于工程鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層可視化系統(tǒng)研究

　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計在上述研究基礎(chǔ)上，本節(jié)著重介紹地層三維可視化系統(tǒng)原型的開發(fā)。該系統(tǒng)從工程管理的角度出發(fā)，對地質(zhì)數(shù)據(jù)實行工程項目級的管理，通過地質(zhì)數(shù)據(jù)自動生成地質(zhì)體模型。在此基礎(chǔ)上，用戶可以根據(jù)實際地質(zhì)體分布和地層性狀來進(jìn)行顏色、材質(zhì)、紋理的設(shè)置。系統(tǒng)采用軟件工程開發(fā)中的結(jié)構(gòu)化和原型化相結(jié)合的方法，自頂而下進(jìn)行功能解析與模塊劃分。

　　系統(tǒng)主要組成模塊有：

　　1）地質(zhì)數(shù)據(jù)錄入模塊該模塊主要實現(xiàn)工程信息，標(biāo)準(zhǔn)地層信息、鉆孔基本信息與鉆孔分層信息的錄入，實現(xiàn)對工程信息的編輯及鉆孔數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人為原因造成的同一巖性不同名稱進(jìn)行統(tǒng)一處理)及虛擬鉆孔的編輯。同時該模塊還提供了數(shù)據(jù)錄入錯誤檢驗功能。

　　2）地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊系統(tǒng)可將理正工程地質(zhì)勘察軟件導(dǎo)出的鉆孔文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該系統(tǒng)，同時也可將理正數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入，實現(xiàn)與理正的數(shù)據(jù)庫接口。數(shù)據(jù)導(dǎo)出方面，系統(tǒng)可將工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本格式與標(biāo)準(zhǔn)XML格式，同時也可導(dǎo)為理正所接收的文本數(shù)據(jù)格式。此模塊提供了方便的數(shù)據(jù)錄入與數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，并提供了與理正工程地質(zhì)勘察軟件的數(shù)據(jù)接口，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重用性。

　　3）地質(zhì)數(shù)據(jù)查詢編輯模塊依據(jù)特定的查詢條件實現(xiàn)對地質(zhì)數(shù)據(jù)的編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人為原因造成的同一巖性不同名稱進(jìn)行統(tǒng)一處理)及虛擬鉆孔的編輯。

　　4）數(shù)據(jù)庫配置服務(wù)器配置模塊為了提高系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)實現(xiàn)了應(yīng)用程序與地層數(shù)據(jù)的分離，通過采用C／S模式將工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端，應(yīng)用程序則在客戶端運行。

　　5）數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)模塊用戶可以利用此模塊方便及時的將整個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份與還原。

　　6）地質(zhì)數(shù)據(jù)建模模塊該模塊根據(jù)用戶當(dāng)前激活工程，檢索數(shù)據(jù)庫中該工程的相關(guān)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)生成不含紋理、材質(zhì)、光照及顏色的地質(zhì)體初始模型文件（.flt文件）。

　　7）模型動態(tài)編輯模塊在漫游環(huán)境下實現(xiàn)對地質(zhì)體模型的顏色、紋理與材質(zhì)設(shè)置，從而使得模型更具真實感。

　　8）三維漫游模塊對生成的地質(zhì)體模型進(jìn)行實時互動的三維漫游，并可實現(xiàn)三維與二維平面導(dǎo)航圖的聯(lián)動。

　　9）空間信息查詢模塊通過對三維地質(zhì)模型、三維鉆孔模型的拾取，進(jìn)行地層信息、鉆孔信息的相關(guān)查詢。

　　2.2系統(tǒng)開發(fā)流程系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示，利用鉆孔數(shù)據(jù)采用基于TIN的多層DEM建模方法并結(jié)合OpenFlightAPI生成三維地層模型，利用SQL Server建立地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用實時仿真軟件Vega Prime集成并驅(qū)動三維模型，實現(xiàn)虛擬場景的實時漫游、信息查詢等交互控制。

　　2.3三維地質(zhì)體模型的動態(tài)構(gòu)建三維地層及鉆孔建模的實現(xiàn)如圖3所示，模型的構(gòu)建過程：通過查詢地質(zhì)鉆孔信息SQL Server數(shù)據(jù)庫，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地層分層記錄檢索出含有該分層的所有鉆孔分層高程并結(jié)合對應(yīng)的鉆孔平面坐標(biāo)，從而提取出各層地層界面空間離散點數(shù)據(jù)。根據(jù)各層地層界面數(shù)據(jù)，通過基于TIN的多層DEM地質(zhì)建模法構(gòu)建出三維地層分層模型，同時根據(jù)研究區(qū)域邊界鉆孔構(gòu)建各分層間的包裹面，并根據(jù)鉆孔及鉆孔分層數(shù)據(jù)構(gòu)建鉆孔三維模型。最后結(jié)合OpenFlight API將以上模型數(shù)據(jù)寫入OpenFlight模型數(shù)據(jù)庫文件（.flt文件）中，構(gòu)建出最終的三維地層初始模型。同時系統(tǒng)通過OpenFlight API提供了用戶對初始地層模型的顏色、材質(zhì)、紋理和光照的自定義編輯功能。

　　2.4特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的處理在上面構(gòu)建地層界面及側(cè)面包裹面的過程中還應(yīng)充分考慮實際中相鄰地層面間的交叉、尖滅與透鏡體等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為精確地表達(dá)以上地質(zhì)結(jié)構(gòu)建立符合真實地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地層模型，必須從建模算法及地層鉆孔數(shù)據(jù)中尋求解決途徑。

　　1）鉆孔分層數(shù)據(jù)的插值由于鉆孔類型的不同從而導(dǎo)致其采樣深度的不同，在地層側(cè)面包裹時，程序會自動處理為不合理的尖滅形成漏洞，因此必須對邊界鉆孔中的缺失地層的淺孔應(yīng)用距離反比插值法進(jìn)行插值處理。對于淺層鉆孔可將其他完全地層的鉆孔作為約束鉆孔通過距離反比插值，估算出其不完全部分地層的厚度，從而可以構(gòu)建出合理的地層側(cè)面模型。

　　2）地層尖滅與透鏡體的生成在構(gòu)建地層界面及側(cè)面包裹面時，由于地層中透鏡體與尖滅現(xiàn)象的存在使得每個鉆孔穿越的地層不盡相同，從而生成的地層界面就有可能出現(xiàn)不完全的現(xiàn)象，因此就應(yīng)采用向上尖滅的方法，即將每個鉆孔的分層由上至下與標(biāo)準(zhǔn)地層序列進(jìn)行比較，當(dāng)某層缺失時令該點的厚度為零，也就是使該點的高程與其上一層的高程一致。這樣就可方便快速的構(gòu)建出地層的尖滅現(xiàn)象與地層中透鏡體。

　　3系統(tǒng)應(yīng)用實例

　　根據(jù)本文建立的地層建模及可視化系統(tǒng)，筆者以天津某項目工程為例，利用工程地質(zhì)勘察資料，最終生成了項目地質(zhì)體三維模型。并實現(xiàn)了虛擬漫游與信息查詢。通過實際工程的應(yīng)用，不僅驗證了理論方法的合理性和可行性，而且更進(jìn)一步豐富基礎(chǔ)理論的研究，使理論和實踐得到了很好的結(jié)合。系統(tǒng)運行效果如圖6所示。

　　4結(jié)語

　　本文著重研究了利用鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)建模技術(shù)并利用OpenFlight API完成了地下地質(zhì)體三維模型的構(gòu)建。并以天津某項目為實例，充分利用工程地質(zhì)勘察的數(shù)據(jù)資料，建立研究區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，取得了較好效果。由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性與理論研究的限制，目前還不能提供完善的基于單純鉆孔數(shù)據(jù)的斷層面、褶皺體等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的建模，此方面尚需進(jìn)一步研究，同時在構(gòu)建三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)逐步實現(xiàn)地下空間模型的三維分析功能，如地質(zhì)體的剖切、不良地質(zhì)體查詢、地質(zhì)體的挖切、工程土方開挖計算、地下空間量測等。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]董春華,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三維地學(xué)模擬研究中的應(yīng)用：[碩士學(xué)位論文]，天津；天津城市建設(shè)學(xué)院，2008

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