侯清波, 齐菊梅, 裴丽娜, 刘 灏

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

三维地质建模在水利水电工程中的应用

侯清波, 齐菊梅, 裴丽娜, 刘 灏

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

简要介绍ItasCAD三维地质建模软件的特点,总结从数据搜集、整理、导入到三维地质建模以及三维地质模型在生产实践中应用的整个技术实现路径,并提出三维地质几何模型和属性模型创建与应用过程中遇到的问题。

三维地质建模;几何模型;属性模型;不连续光滑插值

20世纪80年代以来,三维地质建模技术在国外开始广泛应用。用于三维地质建模的软件有许多,相对成熟且应用广泛的有法国Nancy大学研发的GoCAD,加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件Micr,斯伦贝谢公司推出的三维可视化建模软件Petrel,英国Midiandvalley勘探公司推出的模拟构造运动的3DMove等[1]。中国的三维地质建模研究相对较晚,随着计算机软硬件技术的高速发展,相继涌现出各种杰出的技术平台和应用手段,三维地质建模也逐渐成为发展趋势,同时为BIM技术的应用奠定了坚实的基础。经过多方调研,笔者公司选择了依泰斯卡(武汉)公司推出的ItasCAD作为三维地质建模平台,该软件主要应用于水电行业地质领域的三维建模和可视化,具有以下特点[2]:强大的三维建模、可视化、地质分析评价功能;实现了真三维化;内置地质专业数据库;二维出图功能强大;数据接口丰富,利于模型共享等。

利用ItasCAD先后在泾河东庄水利枢纽、黑河黄藏寺水利枢纽、青海蓄积峡水利枢纽、山西古贤水利枢纽、黄河黑山峡大柳树水利枢纽、厄瓜多尔CCS水电站、马来西亚巴勒水电站、刚果金布桑加水电站等十多项工程中进行了应用,所建的三维地质模型与水工建筑物模型进行了融合,实现了与设计等专业间的协同;依据三维地质模型,可批量切制地质专业各种剖面图、平切图,取得了较好的效果,提高了生产效率;结合工作实践,总结出了一套可推广应用的建模流程,形成了基础数据整理标准,实现了建模工作的流程化、规范化。

1 三维地质建模流程

1.1 数据搜集

能够用于三维地质建模的数据有多种:①地形图测绘数据,包括AutoCAD格式的地形图、DLG数字线划图、DEM数字高程模型等;②地质测绘数据,包括在地形图基础之上的各类地质接触界线、地质现象(如断层,软弱夹层等)等在地表的出露位置;③勘探数据,包括为揭露地质体在三维空间中的展布而布置的勘探工作,有钻孔、探硐、探坑、竖井等;④试验数据,包括岩土取样室内试验以及在现场进行的各类原位试验;⑤物探数据,包括在地表布置的各种物探剖面,钻孔中进行的综合测井、跨孔物探剖面,探硐内布置的波速测试等内容;⑥已有的图件,搜集到的前期工作成果,包括剖面图、平切图等。这些数据都可以用来建立地质体的三维几何模型以及相应的属性模型。

1.2 数据整理

实际生产中搜集到的数据有多种来源、多种格式,需要对这些数据进行分类整理,使之满足参与建模的条件,数据整理过程中还需要对收集到的数据进行检查,对于错误的、不合理的数据要识别剔除,互相矛盾的数据要进行处理。

(1) 地形数据。对于地形数据来说主要来源于CAD格式的地形图等高线,测量的三维点(x,y,z),数字线划图(DLG),数字高程模型(DEM)等[3],还有剖面、平切图中的地面线,钻孔孔口、平硐硐口坐标,地质点坐标等。按照逻辑可以处理成带高程的CAD格式的平面图和D(x,y,z)格式的文本。需要将相应的地表面数据提取出来单独存放为一个图层,并核实其正确性与合理性,以线对象(curve)直接导入建模平台;数据文件以文本格式保存,也可直接导入为点集参与建模。

(2) 地质数据。地质要素主要以其空间产出边界描述来控制建模,需要从搜集到的数据中提取出来,主要是描述地质要素的空间产出位置,确定其三维坐标。针对每一个地质要素从平面图、剖面图、平切图、物探解译剖面等中提取出其空间产出边界,以CAD格式的平面图或者空间三维点集来表达。勘探(钻孔、平硐等)揭露数据可从数据库中提取,导入建模平台参与建模。

(3) 试验和物探数据。试验数据主要以数据库或者文本文件方式来处理,描述具体空间位置的地质要素的专业属性,数据格式为(x,y,z,a1,a2……an),其中x,y,z是其空间三维坐标,a1,a2……an是坐标位置的若干属性值。导入三维地质建模平台,形成带有若干属性值的三维点云,点云中的每一个点都可带有若干个地质专业的自定义属性及其属性值。物探数据中可抽象为空间位置加物理属性的部分,也可以用此方式处理,导入模型参与建模。

1.3 三维地质模型建立

三维地质模型包括几何模型和属性模型,几何模型主要描述地质要素的空间产出状态和相互关系,而属性模型主要描述地质要素的地质属性。一般地说几何建模属于基本应用,包括地质界面和地质体的建模,地质界面建模主要是地表面和各类地质界面的模型构建,地质体模型的构建主要是通过表面封围或实体法描述地质体,主要用于模型展示或力学分析,而属性模型是基于几何模型基础之上的高级分析应用。本文着重讨论三维几何面模型的构建。

(1) 地表面建模:地表的数据主要有等高线和DEM,数据结构都可以处理成点集pset(point|point(x,y,z))格式,处理过程主要有:①将DEM栅格数据转换为三维离散点,取栅格中心坐标作为离散点的(x,y),取栅格属性为三维离散点的z坐标;dxf格式的等高线数据直接导入三维建模平台;②将坐标文件导入建模平台形成点云,将dxf格式的等高线导入形成线集;③通过点集或线集来创建地表面,有两种途径:其一是通过离散点直接生成不规则三角网(TIN),这种办法的优点是严格地控制了地表面的形状从而可以精确地描述地形表面,缺点是地面网格与控制点的位置一致,均匀性、美观性较差;其二是构建一个曲面,用等高线或点云约束曲面,使用DSI方法进行插值和网格细分,经过若干次的迭代,最终确定曲面。其优点是曲面平滑,缺点是经过了平滑处理局部地表面与等高线描绘的稍有出入。

(2) 地质要素建模:地质要素类主要包括地层、岩性界面,断裂带、软弱夹层等结构面,可以抽象为空间三维曲面的建模。地质要素的空间曲面有两类:一类是需要若干空间控制点来描述其空间位置和形状的,可以采用类似地表面建模的方式来处理;还有一类可以通过几何解析法描述的,比如空间三维点加法向量或者地面出露迹线加切向量,这类地质要素的建模可分成以下步骤。

首先进行地表出露线的建模,从CAD格式的平面图中提取相应要素的地表出露迹线,由于出露迹线各节点高程不一,在人工勾绘时很少带有高程信息,这就需要将其映射到地表面,使其每个节点都具有高程信息,还需要控制节点的密度使其尽量均匀顺滑,就得到一条具有高程信息的地质要素在地表的出露迹线。其次将三维曲线用其产状信息拉伸一定的距离得到一个三维曲面,形成该地质要素结构面的宏观基本形态。如果有该结构面的钻孔、平硐等勘探揭露数据以及已有剖面或物探解译成果等,再以这些数据(包含空间位置和产状)约束三维曲面,进行插值拟合。如此操作得到的曲面,在宏观形态上满足地表出露线和产状,在局部满足勘探揭露位置和产状的精确约束。

重复以上过程,对每个地层岩性界面、断层、软弱夹层等地质要素进行遍历,分别建立各自相应的曲面几何模型(如图1)。

2 地质专业应用

2.1 专业图件的绘制

工程勘察服务于工程设计,工程地质专业在整理勘察成果时经常需要在建筑物位置切剖面(如:坝轴线、导流/发电/尾水洞轴线等),并且建筑物的位置经常会有变更,随着勘察阶段的深入地质对象的空间展布也经常会作调整。这些剖面之间经常会有交叉,互相之间需要协调一致,校核工作量很大。传统的做法是在地质平面图的基础上切制剖面图,建筑物位置或地质平面图变更之后就要重新切制,并且要重新校核相交剖面。构建了三维地质模型之后,可以批量生成地质剖面图、平切图,可以在建模平台内鼠标定位剖面,也可以通过数据文件定义剖面空间位置,通过导入数据文件自动批量生成生产中所用的图件。其中的最大方便之处是:①建筑物位置变动或地质模型修改之后,重新批量全自动切制剖面图,方便快捷;②不存在交叉剖面的互相矛盾问题,也就不需要技术人员校核其一致性,显著提高实际生产过程中剖面的生成和修改效率。

图1 地质要素界面曲面建模Fig.1 Surface modeling of geological elements interface

图2 批量剖面图输出Fig.2 Output of batch profile

2.2 与设计专业协同

工程设计专业经常需要根据地质条件来布置建筑物,如大坝建基面的确定,防渗帷幕的底界的确定等,因此需要将地质模型和水工设计模型融合起来,协同工作。三维地质模型可以通过特定的格式导入设计平台,通过缩放平移操作使得坐标系空间定位一致,从而与水工建筑物模型进行融合(如图3),方便地实现多专业协同设计。

图3 地质模型与水工建筑物模型融合Fig.3 Fusion of geological model and hydraulic structure model

3 结论

在生产项目中总结形成了三维地质建模流程,对数据收集整理、数据库导入、地质要素的几何建模等过程进行了流程化。

通过三维地质建模平台,可完成批量剖面/平切图的切制,相交剖面的校核,岩层界面、结构面等的视倾角校核都自动满足要求,减小了技术人员的工作量。三维地质建模平台可与三维设计平台数据共享,实现地质与水工模型融合,进行协同设计等功能,显著提高生产效率。

三维地质体的建模还需要进一步的探索,在地质模型与计算模型的共享、三维地质体属性建模等方面尚需研究加深应用。

[1] 王明华,白云.3D地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础,2006,20(4):68-70.

[2] 孟小红,王卫民,姚长利,等.地质模型计算机辅助设计原理与应用[M].北京:地质出版社,2001:1-7.

[3] 汤国安,刘学军,闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京:科学出版社,2005.

(责任编辑：陈姣霞)

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HOU Qingbo, QI Jumei, PEI Lina, LIU Hao

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

This paper briefly introduces the characteristics of ItasCAD 3D geological modeling software,and summarizes the whole process from data collection,sorting,importing to 3D geological modeling,and to the application of 3D geological model in production practice,and in the end it proposes some questions of the creation and application of 3D geological geometric model and atribute model.

3D geological modeling;geometric model;attribute model;DSI

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

侯清波(1973-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事三维地质建模技术研究及其应用、工程勘察信息化等方面的工作。E-mail:houqb@163.com

TV222.2

A

1671-1211(2016)03-0328-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.019

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.028.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24