三維地層模型的意義及方法分析論文

三維地層模型的意義及方法分析論文

　　摘要：關于《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)的三維地質模型的自動構建,建立的三維地層模型為地質勘察決策提供有力的輔助工具。

　　關鍵詞：鉆孔數(shù)據(jù)；地層；三維地質建模；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、工程地質剖面圖)的方式來表達地層信息空間分布，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復雜地質現(xiàn)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布效果，更可根據(jù)用戶需要對其進行全方位、動態(tài)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，通過地質勘察鉆孔資料，實現(xiàn)三維地質結構模型的實時動態(tài)構建。突破了用切片方法觀察三維地質體內部結構的局限性，使其更好地掌握地質結構的形態(tài)及分布規(guī)律[1],為城市規(guī)劃及巖土工程勘察等相關領域提供有力的決策依據(jù)。

　　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(huán)境下，將空間信息管理、幾何形態(tài)、拓撲信息(地質對象間的關系)、地質解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并用于地質分析的技術。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(xiàn)象分布變化規(guī)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，對于復雜地質體的三維建模，其關鍵技術有：

　�。�1）離散數(shù)據(jù)的插值與擬合[3]工程地質復雜地質體中的各種地質信息，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)結構的建立空間數(shù)據(jù)模型是建立地質空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎。而地質數(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)結構是空間數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)，是對客觀對象進行可視化表現(xiàn)的基礎。地質體三維空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結構，能夠確保人機交互和查詢的實現(xiàn)。

　�。�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系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數(shù)據(jù)結構。評價地質模型系統(tǒng)的優(yōu)缺點往往取決于描述地質對象所用的拓撲結構。

　　(4)可視化技術工程地質復雜地質體可視化，是利用計算機技術將工程勘測獲得的數(shù)據(jù)，轉換為形象直觀的便于進行交互分析的地下地質結構空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數(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)總體設計在上述研究基礎上，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)，對地質數(shù)據(jù)實行工程項目級的管理，通過地質數(shù)據(jù)自動生成地質體模型。在此基礎上，用戶可以根據(jù)實際地質體分布和地層性狀來進行顏色、材質、紋理的設置。系統(tǒng)采用軟件工程開發(fā)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塊劃分。

　　系統(tǒng)主要組成模塊有：

　　1）地質數(shù)據(jù)錄入模塊該模塊主要實現(xiàn)工程信息，標準地層信息、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）地質數(shù)據(jù)導入模塊系統(tǒng)可將理正工程地質勘察軟件導出的鉆孔文本數(shù)據(jù)導入到該系統(tǒng)，同時也可將理正數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)庫導入，實現(xiàn)與理正的數(shù)據(jù)庫接口。數(shù)據(jù)導出方面，系統(tǒng)可將工程地質鉆孔數(shù)據(jù)導出為文本格式與標準XML格式，同時也可導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)導出功能，并提供了與理正工程地質勘察軟件的數(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行統(tǒng)一處理)及虛擬鉆孔的編輯。

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

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

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

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

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

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

　　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建模方法并結合OpenFlightAPI生成三維地層模型，利用SQL Server建立地質信息數(shù)據(jù)庫，應用實時仿真軟件Vega Prime集成并驅動三維模型，實現(xiàn)虛擬場景的實時漫游、信息查詢等交互控制。

　　2.3三維地質體模型的動態(tài)構建三維地層及鉆孔建模的實現(xiàn)如圖3所示，模型的構建過程：通過查詢地質鉆孔信息SQL Server數(shù)據(jù)庫，根據(jù)標準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合對應的鉆孔平面坐標，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地質建模法構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)構建鉆孔三維模型。最后結合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、紋理和光照的自定義編輯功能。

　　2.4特殊地質結構的處理在上面構建地層界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，為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致其采樣深度的不同，在地層側面包裹時，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用距離反比插值法進行插值處理。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界面及側面包裹面時，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，因此就應采用向上尖滅的方法，即將每個鉆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建出地層的尖滅現(xiàn)象與地層中透鏡體。

　　3系統(tǒng)應用實例

　　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，利用工程地質勘察資料，最終生成了項目地質體三維模型。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(tǒng)運行效果如圖6所示。

　　4結語

　　本文著重研究了利用鉆孔數(shù)據(jù)結合地質建模技術并利用OpenFlight API完成了地下地質體三維模型的構建。并以天津某項目為實例，充分利用工程地質勘察的數(shù)據(jù)資料，建立研究區(qū)的三維地質結構模型，取得了較好效果。由于地質現(xiàn)象的復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(xiàn)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(xiàn)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]朱良峰，潘信，吳信才,三維地質建模及可視化系統(tǒng)的設計與開發(fā),巖土力學，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),MultiGen-Paradigm.Inc.

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

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