地质工程复杂地质体三维建模与可视化研究

龙江涛+李志伟

摘要：复杂地质体三维可视化地质工程主要为地质工程测量当前最大的问题而提出的，这个问题是地质调查工作，通过大量的数据来衡量的，它涉及的范围很广，整体的信息是非常复杂和混乱，这使得它很难直接控制地质勘探对象的总体情况。为了解决这一问题，研究了复杂地质体可视化的发展和应用。本文介绍了当前对当前中国复杂地质体三维可视化的研究现状，分析了在建立三维模型可视化的关键技术问题，并讨论了三维地质建模及可视化的开发应用。

关键词：地质工程；三维建模；可视化

引言

建立一个完善的三维空间地质模型并非易事，尤其是地质状况的复杂性与不规则性更是加大了三维模型建立的难度，因此，研发和建立三维地质模型仍然具有很大发展空间，还需要科研人员不断的改进与完善其基本性能。

1三维可视化关键技术

1.1三维数据结构。工程地质体一般是不规则的形状，在计算机图形学中的曲线曲面是由许多微小直线段和微小三角面来模拟地层岩性和岩石表面的边界，即岩石界面（曲线、曲面、地下水位等地质边界）和岩石表面有许多微小的直线段和小三角表面的集合。地质体三维空间数据结构是工程地质三维建模与可视化的基础，需要高效、高效的三维数据结构，保证人机交互和查询的实现。

1.2曲面求交。地质体中存在大量各种层面，当出现地层不整合、断层、错断岩层、地层尖灭和地下水露于河谷地表等情形时，就自然会遇到曲面间求交的问题；地质体三维模型的上部边界是地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面，即超出部分不应显示。同样的，当显示多层地层时，下面的每一岩层应以其上一岩层为边界。因此，为了可视化地层界面必须要解决地层面与地表、断层面和其他地层面的求交问题。另一方面，在剖面图成图时，地质界线的绘制是通过显示剖面（平面）与各种地质界面（曲面）求交所得出的交线。因此曲面求交包括地质界面（层面）之间的相交，和地质界面与剖面的相交两类问题。

1.3三维拓扑结构分析。从地质学角度看，拓扑是地质对象间关系的表格，拓扑表存储层位间上覆、下伏和交切（被断层切割后地层的拓扑表达）等的地层学关系及地质空间位置关系。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。例如，考虑多层地层，上一个岩层的底面和与其相邻的下一个岩层的顶面是上下岩层这两个实体的公共部分或共享边界，它们之间的拓扑关系就是相邻和同一的关系，在存储数据时只存储上一个岩层的底面或其相邻的下一个岩层的顶面，即相邻岩层的边界曲面可以存为一个地层曲面，大大减少数据存储量。评价地质模型系统的优缺点往往决定于描述地质对象所用的拓扑结构。

1.4可视化技术。工程地质复杂地质体可视化，是利用计算机技术将工程勘测获得的数据，转换为形象直观的便于进行交互分析的地下地质结构空间形态的立体图和剖面图形，其基础是工程数据和测量数据的可视化。利用可视化技术可以从庞大的地质勘测数据中构造出地质工程中对于边破稳定性和地下酮室变形破坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切关系，帮助工程地质人员对原始数据做出正确解释，继而为工程地质分析具体问题提供决策支持。

2复杂地质体三维建模与可视化技术的初步开发与应用

离散采样插值和拟合数据是在离散数据连续曲面的加工表面和工程地质复杂地质体三维可视化建模的思路是通过拟合和插值函数在地质层面各种地质勘探数据库提取岩体和位置信息的物理力学参数（不同表面）三维计算机图形和地质实体，在研究区地质信息的表达和分布。

2.1地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究。基于离散采样数据的插值与拟合的思想，即将离散数据转化为连续曲线曲面，地质工程复杂地质体三维建模与可视化的过程时，从勘探数据库中提取各种地质信息的坐标位置及岩土体的物理力学参数，通过不同的拟合与插值函数得到地质层面（曲面）和地质实体的三维计算机图形显示，表达地质信息在研究区域内的分布规律。生成地质岩层面和地质实体后，实现从任意角度观察建立的模型，实现根据指定的剖面走向、倾向和倾角生成垂直剖面。

2.2初步开发工程勘测空间数据库管理。工程勘测空间数据库在收集整理现场勘测数据后录入各分项数据表，这些数据表不仅包括地质信息的位置数据，更重要的是提供属性数据。以地层岩性数据表为例，要求录入钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性（地层名称）、地层代码（地层年代）、岩层走向、岩层倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据。随着工程勘测的进展，能够方便地修改补充和管理勘测数据。

2.3三维地质立体图。利用工程勘測数据，建立了坝址区右岸三维立体地质图。该坝址区自上而下地层岩性组合为：第四系崩坡堆积物，侏罗系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，三叠系上统厚至巨厚层状细至中粒砂岩，三叠系上统薄至中厚层状粉细纱岩、粉砂岩，三叠系上统中厚至厚层状中粗砂岩。通过有限的工程勘测数据得出的立体图，能够较好地满足工程地质的精度。

2.4三维可视化查询。通过图形与工程勘测数据库中的属性数据的链接，实现可视化查询地层岩性和其他工程地质信息，最终完成向三维地质信息系统的转变。

3总结

地质工程的复杂性提出了建立地质体可视化体系的需求，但同样也是由于地质工程的复杂性，制约了地质可视化体系的发展。面对在三维地质模型建立的研发过程中存在的难题，仍需要科研技术人员和地质研究工作者的大力配合与交流，最大程度的解决所有难题，使地质工程复杂地质体的可视化体系尽早实现应用。

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2019-10-17