三維地層模型的意義及方法分析論文

摘要：關於《三維地層模型的意義及方法分析》的岩土工程論文資料下載：本文主要研究了基於工程鑽孔數據的三維地層可視化，提出了基於鑽孔數據三維地層建模的總體思路及其實現步驟，其次介紹了模型可視化的實現，介紹了基於鑽孔數據三維地層可視軟件的實現過程。採用VC++平臺、OpenFlightAPI與Vega PrimeAPI實現了基於鑽孔數據的三維地質模型的自動構建,建立的三維地層模型爲地質勘察決策提供有力的輔助工具。

關鍵詞：鑽孔數據；地層；三維地質建模；OpenFlight；API

引言：

離散分佈的鑽孔資訊是工程勘察獲得地層資訊的最直接來源。傳統的工程勘察成果是以二維圖(鑽孔柱狀圖、工程地質剖面圖)的方式來表達地層資訊空間分佈，越來越不能滿足人們對地層認識和空間分析的需求。三維地層模型能夠完整地表達複雜地質現象的邊界條件及地質體內含的各種地質構造，形象生動地展示空間分佈效果，更可根據用戶需要對其進行全方位、動態的分析,從任意角度、實時互動地觀察地質模型。本文結合三維地質建模技術，透過地質勘察鑽孔資料，實現三維地質結構模型的實時動態構建。突破了用切片方法觀察三維地質體內部結構的侷限性，使其更好地掌握地質結構的形態及分佈規律[1],爲城市規劃及岩土工程勘察等相關領域提供有力的決策依據。

1三維地質建模型

所謂三維地質建模(3D Geosciences Modeling)，就是運用計算機技術，在三維環境下，將空間資訊管理、幾何形態、拓撲資訊(地質對象間的關係)、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，並用於地質分析的技術。三維地質建模能夠最大限度的增強地質分析的直觀性和準確性，使之做出符合地質現象分佈變化規律的工程設計與施工方案，從而減少人類對地質問題認識的盲目性以及地下工程設計、施工面臨的風險性[2]。從三維地質建模的難點來看，對於複雜地質體的三維建模，其關鍵技術有：

（1）離散數據的插值與擬合[3]工程地質複雜地質體中的各種地質資訊，包括地表地形、地下水位、地層介面、斷層、侵入體及各種岩土體的物理力學參數或數據的等值面線等，都可以看作是三維空間中的函數，它們的擬合函數要根據實際勘測數據來建立。

（2）空間數據模型與三維數據結構的建立空間數據模型是建立地質空間數據庫的理論基礎。而地質數據庫是整個可視化仿真系統的核心，它的好壞直接影響到整個系統的性能。空間數據結構是空間數據模型的具體實現，是對客觀對象進行可視化表現的基礎。地質體三維空間數據結構是工程地質三維建模和可視化的基礎，這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構，能夠確保人機交互和查詢的實現。

（3）三維拓撲結構分析從地質學角度看，拓撲是地質對象的空間位置關係。拓撲也可視爲允許這些地質關係合理儲存的數據結構。評價地質模型系統的優缺點往往取決於描述地質對象所用的拓撲結構。

(4)可視化技術工程地質複雜地質體可視化，是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據，轉換爲形象直觀的便於進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化。

2基於工程鑽孔數據的三維地層可視化系統研究

2.1系統總體設計在上述研究基礎上，本節着重介紹地層三維可視化系統原型的開發。該系統從工程管理的角度出發，對地質數據實行工程項目級的管理，透過地質數據自動生成地質體模型。在此基礎上，用戶可以根據實際地質體分佈和地層性狀來進行顏色、材質、紋理的設定。系統採用軟件工程開發中的結構化和原型化相結合的方法，自頂而下進行功能解析與模組劃分。

系統主要組成模組有：

1）地質數據錄入模組該模組主要實現工程資訊，標準地層資訊、鑽孔基本資訊與鑽孔分層資訊的錄入，實現對工程資訊的編輯及鑽孔數據的管理，包括數據組織、數據編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人爲原因造成的同一巖性不同名稱進行統一處理)及虛擬鑽孔的編輯。同時該模組還提供了數據錄入錯誤檢驗功能。

2）地質數據匯入模組系統可將理正工程地質勘察軟件匯出的鑽孔文字數據匯入到該系統，同時也可將理正數據庫中的鑽孔數據庫匯入，實現與理正的數據庫接口。數據匯出方面，系統可將工程地質鑽孔數據匯出爲文字格式與標準XML格式，同時也可導爲理正所接收的文字數據格式。此模組提供了方便的數據錄入與數據匯出功能，並提供了與理正工程地質勘察軟件的數據接口，提高了系統數據的重用性。

3）地質數據查詢編輯模組依據特定的查詢條件實現對地質數據的編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人爲原因造成的同一巖性不同名稱進行統一處理)及虛擬鑽孔的編輯。

4）數據庫配置服務器配置模組爲了提高系統的安全性，系統實現了應用程序與地層數據的分離，透過採用C／S模式將工程數據、地質鑽孔數據存放在服務器端，應用程序則在客戶端執行。

5）數據庫備份恢復模組用戶可以利用此模組方便及時的將整個數據庫進行備份與還原。

6）地質數據建模模組該模組根據用戶當前激活工程，檢索數據庫中該工程的相關地質鑽孔數據生成不含紋理、材質、光照及顏色的地質體初始模型檔案（檔案）。

7）模型動態編輯模組在漫遊環境下實現對地質體模型的顏色、紋理與材質設定，從而使得模型更具真實感。

8）三維漫遊模組對生成的地質體模型進行實時互動的三維漫遊，並可實現三維與二維平面導航圖的聯動。

9）空間資訊查詢模組透過對三維地質模型、三維鑽孔模型的拾取，進行地層資訊、鑽孔資訊的相關查詢。

2.2系統開發流程系統的開發流程如圖2所示，利用鑽孔數據採用基於TIN的多層DEM建模方法並結合OpenFlightAPI生成三維地層模型，利用SQL Server建立地質資訊數據庫，應用實時仿真軟件Vega Prime集成並驅動三維模型，實現虛擬場景的'實時漫遊、資訊查詢等交互控制。

2.3三維地質體模型的動態構建三維地層及鑽孔建模的實現如圖3所示，模型的構建過程：透過查詢地質鑽孔資訊SQL Server數據庫，根據標準地層分層記錄檢索出含有該分層的所有鑽孔分層高程並結合對應的鑽孔平面座標，從而提取出各層地層介面空間離散點數據。根據各層地層介面數據，透過基於TIN的多層DEM地質建模法構建出三維地層分層模型，同時根據研究區域邊界鑽孔構建各分層間的包裹面，並根據鑽孔及鑽孔分層數據構建鑽孔三維模型。最後結合OpenFlight API將以上模型數據寫入OpenFlight模型數據庫檔案（檔案）中，構建出最終的三維地層初始模型。同時系統透過OpenFlight API提供了用戶對初始地層模型的顏色、材質、紋理和光照的自訂編輯功能。

2.4特殊地質結構的處理在上面構建地層介面及側面包裹面的過程中還應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結構，爲精確地表達以上地質結構建立符合真實地質結構的地層模型，必須從建模算法及地層鑽孔數據中尋求解決途徑。

1）鑽孔分層數據的插值由於鑽孔類型的不同從而導致其採樣深度的不同，在地層側面包裹時，程序會自動處理爲不合理的尖滅形成漏洞，因此必須對邊界鑽孔中的缺失地層的淺孔應用距離反比插值法進行插值處理。對於淺層鑽孔可將其他完全地層的鑽孔作爲約束鑽孔透過距離反比插值，估算出其不完全部分地層的厚度，從而可以構建出合理的地層側面模型。

2）地層尖滅與透鏡體的生成在構建地層介面及側面包裹面時，由於地層中透鏡體與尖滅現象的存在使得每個鑽孔穿越的地層不盡相同，從而生成的地層介面就有可能出現不完全的現象，因此就應採用向上尖滅的方法，即將每個鑽孔的分層由上至下與標準地層序列進行比較，當某層缺失時令該點的厚度爲零，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建出地層的尖滅現象與地層中透鏡體。

3系統應用實例

根據本文建立的地層建模及可視化系統，筆者以天津某項目工程爲例，利用工程地質勘察資料，最終生成了項目地質體三維模型。並實現了虛擬漫遊與資訊查詢。透過實際工程的應用，不僅驗證了理論方法的合理性和可行性，而且更進一步豐富基礎理論的研究，使理論和實踐得到了很好的結合。系統執行效果如圖6所示。

4結語

本文着重研究了利用鑽孔數據結合地質建模技術並利用OpenFlight API完成了地下地質體三維模型的構建。並以天津某項目爲實例，充分利用工程地質勘察的數據資料，建立研究區的三維地質結構模型，取得了較好效果。由於地質現象的複雜性與理論研究的限制，目前還不能提供完善的基於單純鑽孔數據的斷層面、褶皺體等複雜地質結構的建模，此方面尚需進一步研究，同時在構建三維地質模型的基礎上，應逐步實現地下空間模型的三維分析功能，如地質體的剖切、不良地質體查詢、地質體的挖切、工程土方開挖計算、地下空間量測等。

參考文獻

[1]董春華,虛擬現實技術在三維地學模擬研究中的應用：[碩士學位論文]，天津；天津城市建設學院，2008

[2]朱良峯，潘信，吳信才,三維地質建模及可視化系統的設計與開發,岩土力學，2006，27(5)：828~832

[3]曾錢幫,劉大安,張菊明等，淺談工程地質三維建模與可視化，西部探礦工程，2005，3(3)：72~74

[4]卜麗靜，三維礦山地質建模與空間分析的研究：[碩士學位論文]，遼寧；遼寧工程技術大學，2006

[5]OpenFlight API User’Guide(Volume1,2),.

[6]OpenFlight Scene Description Database Specification[Version 15.7.0].2000