田宜平，刘志锋，赵 攀，张志庭，刘军旗

(1．中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074;2．东华理工大学，江西 南昌 330013)

水电三维地质模型中各地质要素的建模方法

田宜平1，刘志锋2，赵 攀1，张志庭1，刘军旗1

(1．中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074;2．东华理工大学，江西 南昌 330013)

决定水电工程地质分析成败的主要环节是地质实体的模拟。用三维数值地质实体模型来模拟实际工程施工过程，可以协助解决各种工程地质问题。介绍了水电工程中地质模型的各个要素(地形面、基岩面、岩层界面、构造界面、透镜体、地层单元、勘探工程以及地质实体)的创建方法、实现思路以及可视化显示，基本包含了水电工程地质分析所涉及到的所有方面。

水电工程;三维地质模型;三维建模

0 引言

目前，水利水电的三维地质软件的研究发展迅速，尤其是国外三维地质建模和可视化研究发展较快。法国EDS公司推出的GOCAD软件研发中主要采用离散光滑插值(DSI)技术作为插值引擎(Berlioux，1994);加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件MicroLynx，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型(Kamat et al，2001);加拿大Gemcom Software International Inc．公司开发的Gemcom软件，通过钻孔、点、多边形等数据，利用实用的图形编辑和生成工具，提供了交互操作功能并允许用户根据自己的经验和专家知识勾画地质模型(Caumon et al，2002);美国Kinetix公司开发的3D Studio MAX、Alias/Wavefront公司开发的Maya和微软公司开发的Softimage等大众化三维建模软件，在构建工业和建筑模型与动画制作方面有其独到之处。随着国外工业化技术的进步，越来越多的三维设计软件涌现出来，它们从三维模拟到参数化建模再到协同设计，每一个过程都是巨大的进步。法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件CATIA，美国Bentley System公司的可执行于多种软硬体平台(Multi-Platform)的通用电脑辅助绘图及设计(CAD)软件MicroStation，以及美国Robert McNeel公司的广泛地应用于制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域的PC上强大的专业造型软件Rhino等。国内的有中国地质大学(武汉)坤迪科技有限公司与华东勘测设计院合作的GeoEngine产品，天津大学钟登华等(2003，2005，2008)及刘东海等(2003)开发的水电三维建模系统以及国内其他一些人员的研究成果(杨成杰等，2010;孟宪海等，2010;程朋根等，2004;王秋明等，2005;汪德云等，2008;田宜平等，2000，2010;Wu et al，2005;孙卡等，2011;刘志锋等，2007;李章林等，2011;陈国旭等，2010;吴冲龙等，2011;刘刚等，2011;傅俊鹤等，2011)。上述这些软件有的在几何造型上有特点，有的是针对地质建模的，各有其适应方向。针对水电工程三维地质建模的特点，笔者重点阐述水电工程地质模型中遇到的各个地质要素的建模方法及建模思路。

1 地表地形面的创建与显示

三维地形是三维地质建模和水利枢纽工程布置设计的基础，在每个工程勘察设计阶段工作启动后，首先由测量专业提供符合当前阶段精度要求的地形数据。如果地形数据是以三维线条的形式提交各专业，就需要数字高程模型(DEM)插值算法来实现三维地形面建模。与建模相关的地形数据包括计曲线、首曲线、水系、公路等，地形线条数据经过必要的处理后导入三维地质系统。等值线数据一般是以AutoCAD的DWG格式提供给下序专业。具体算法：先将参与地形建模的数据离散成一系列的散点，根据散点坐标在平面XOY上按Delaunay方法进行三角网剖分，构建一个不规则三角形网(TIN)，然后根据DEM各网格点落在相应的三角形内部，按一定的插值计算方法(克里格、多项式、距离幂次反比法等)求出其高程值，最终形成数值高程模型。实际应用中存在的数据缺失问题可以通过优化三维地形生成算法克服。

有了数字地形高程模型后，在用航片或者卫星影像数据生成的正射影像作为纹理贴在DEM上，生成的三维地形效果见图1。

图1 地形表面创建三维效果示意图

2 基岩面的创建

基岩面是进行岩层、构造建模前必须要得到的三维曲面，它是基覆界面和基岩在地表出露部分的组合。关于基岩面的插值建模一般做法是利用钻孔获取基岩面各点的高程值，然后用散点插值拟合曲面，这样做的缺陷有可能由于插值的原因导致本应与地表重复的地方相互穿插。关于基岩面建模的思路是，利用参照面校正方法将地形面上高于基覆界面的点全部降到与基覆界面相同的高度，得到的新曲面即是基岩面。基岩面与基覆界面叠加时，二者在相同位置完全重合，部分不存在上覆松散堆积体的基岩面就与地表重合。

3 岩层界面的创建

岩层界面是指两个地层单元之间的分隔面，一般具有较稳定的地层产状，建模时如何利用地层的整体产状趋势是重要的考虑因素，这将有利于简化数据插值过程、既好又快地生成岩层界面曲面。

岩层界面是通过地质测绘和孔洞勘探采集的数据来创建的，包括岩层界面的位置信息、产状信息以及特征信息，所有信息在数据维护过程中存储在系统数据库中。可以开发出专门处理具有产状数据的地质结构面生成算法。具体思路：首先将岩层界面揭露点的产状信息扩展为空间一定范围内的多个插值点，这些插值点代表了岩层界面在揭露点附近的局部延展趋势，然后将实际揭露点与插值点一起拟合生成曲面。通过这样的算法生成的岩层界面，不仅通过所有揭露点，而且在局部位置也符合产状趋势，因此不需要太多的人工干预插值即可完成岩层界面建模(图2)。

但岩层界面产状相对不太稳定的工程场地也比较常见，比如褶皱地层、倾倒地层、岩脉地层等，这些都属于比较特殊的岩层界面建模，根据需要灵活处理，比如在利用数据库内的少量揭露信息直接生成岩层界面前，通过勘探剖面插值工具对岩层界面进行整体趋势控制，形成岩层界面的空间框架。通过揭露点坐标和产状信息拟合得到的曲面还需要经过曲面裁切步骤才能得到最终的岩层界面模型，在工程区岩层界面的初步曲面都完成时，利用基岩面对所有曲面进行剪裁批量处理即可。与一般方法比较，利用基岩面去裁剪地层面，可以保证地层面与地表面的无缝吻合，还能保证两岸的地层走向一致性。为了后续的剪切分析和应力计算等的方便，可以为建好的岩层界面赋予属性编码，为构成完整的实体间的拓扑关系做准备。

图2 岩层界面建模图

4 构造面的创建

构造面与岩层界面同属地质结构面，在空间上延伸都具有较稳定的产状，且都不穿越基岩面而连续伸入覆盖层。因此，二者建模方法基本一致。

地质构造在系统内分为断层、挤压带、裂隙、层间错动带、层内错动带，都是在地质点、钻孔、平硐、探井等构造揭露位置采集数据。构造面在工程区分布的数量多时，确定构造面的空间连接和交切关系将非常复杂，需要借助特征分析、剖面分析或者建模分析来判断。

剖面分析是利用软件系统的勘探剖面工具将构造的揭露点位置和产状信息通过剖面图方式来表达，以便查看地质构造在剖面上的合理连接、延伸和交切情况，甚至交互修改。

建模分析是三维系统所独有的形式，是将初步确定的构造揭露点尝试连接生成空间曲面，在三维状态中去分析构造面的连接合理性以及如何延伸和交切处理。建模分析还可以对没有确定构造连接关系的孤立的构造揭露点进行分析，通过生成单个揭露点的小构造面，然后与其他已确定连接关系的大构造面进行比较，分析小构造面与大构造面归并的可能性。

构造面利用各自的揭露数据单个生成得到空间曲面，需要再根据地质情况将构造面进行延伸、修边、剪切等处理，尤其是控制性结构面与被处理构造面之间的关系需要交代清楚。同样可以赋予各构造面的拓扑属性编码，以便后续构成体模型和进行剪切分析。

5 透镜体的创建

地质透镜体可以指那些需要在空间上用于内外分隔差异化岩石的封闭分界面，例如风化透镜体、岩性透镜体等。透镜体建模的一般思路是根据某个钻孔上透镜体的厚度按一定的原则在各方向上外推一定的距离后尖灭，这样不能反映透镜体的各向异性。文中根据透镜体的形状和揭露资料的情况，可以将其建模方法分为单线建模、双线建模和多线建模3种。

单线建模方法用于已知的透镜体附着在另一个地质曲面上的情况。通过空间地质剖面得到透镜体的一条剖面线，如图3a所示，该剖面线沿着参照曲面旋转一周得到透镜体的一个表面，表面的边界与参照面贴合(图3b)，那么表面与参照面之间的空间 形成透镜体。

图3 透镜体单线建模图

双线建模和多线建模在原理上与单线建模一致，只不过在边界处理上有些差别。

6 地层单元的创建与表达

根据B-Rep(边界代替法)建模理论，代表地层单元的“体”是由多个具有相同属性定义的近封闭的围合面构成，将两个地层单元分隔的是地层界面。因此，地层界面除了有自身的地质编号，还拥有两个地层单元的属性编号(图4)。

对于一个地层模型来说，地层单元是由地层单元分界面(图4b中的属性定义为“JM1，J2h1，J2h2”的面)和地层单元外侧面(图4b中的属性定义为“J2h1”和“J2h2”的面)构成，地层单元外侧面是将建成的地层界面去裁切基岩体表面得到的。

地层单元属性定义作为地层建模的一个关键过程，需要根据工程需要来确定地层模型的单元划分和详细程度。在地质意义上划分为亚层或小层的地层单元在建模时可能简化为一个大层就可以，而在某些重要的建筑物部位，即使地质上已经划分到小层，也可能要再细化为岩性层来建模。地层单元属性定义要注意的是，某个地层单元作为大层就不能与其包含的亚层或小层同时出现在模型中，否则会造成地层单元建模在空间上的拓扑关系紊乱，也就是地层建模必须对每一个地层单元明确建模的详细程度。

图4 地层单元建模图

7 勘探工程的显示

在本系统中，勘探工程建模是指勘探线、钻孔、平硐、探井、探槽、探坑、地质点等在空间上能够标志地质数据采集位置的图形对象。系统根据勘探对象在空间上的位置信息以及地质分层信息，将孔洞等绘制成具有颜色、属性定义的三维线段，方便用户进行查看和分析。

具体的钻孔勘探模型，可以根据实际地层，分为大层勘探建模、亚层勘探建模、小层勘探建模和岩性层勘探建模，丰富地质结构的再现，给实际的地质勘探提供了有意义的工程辅助设计，为工程地质的施工还有地下施工硐室的勘探提供了切实可行的帮助。

这个功能的一个有益补充就是三维模型空间内的地质符号的加入，丰富了三维地质模型的多方位展示。

8 地质实体的表达

系统主要采用B-Rep方法建立具有拓扑关系的地质模型，模型的地层单元由多个专门定义属性的地层界面围合。B-Rep模型在进行数据存储、可视化、模型分析和二维出图等方面都具有优势，但在一些特殊的应用上也有缺点，比如多重堆积的深厚覆盖层建模，因其空间拓扑关系非常复杂，围合面数量多且细小，为了管理方便将模型建成实体单元。

地质实体可以创建满足阶段工程分析要求的最小地层或岩性层，二者都是利用地层(或岩性)界面直接分割基岩实体模型得到，还可以用于创建边坡块体。实体模型能够方便地进行交、并、减操作(图5)，可进行硐室开挖或基础开挖模拟。复杂的实体模型带有一个或多个空腔，可以表示岩体里的溶洞或脉体所占的空间。

图5 地质实体与地下厂房的布尔运算图

9 结论

介绍了水电工程中地质模型各个要素(地形面、基岩面、岩层界面、构造界面、透镜体、地层单元、勘探工程以及地质实体)的创建方法、实现思路以及可视化显示，基本包含了水电工程地质分析所涉及的所有方面。笔者所涉及的方法、思路都在实践过程中得到检验，并被应用到多个水电项目中。各个要素建模后的精度能满足建设的要求，并且随着勘探程度的提高，实际建模精度也逐渐提高，实现水电工程实时仿真，指导生产。

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Study on modeling of geological elements in hydropower engineering 3D geological model

TIAN Yi-ping1，LIU Zhi-feng2，ZHAO Pan1，ZHANG Zhi-ting1，LIU Jun-qi1

(1．China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China;2．East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Simulation of 3D geological entities was a key to the analysis of hydropower engineering geology．It could help to solve various problems on engineering geology and to simulate actual construction process with the numerical model of the geological entities．The authors presented creation of methods，realization ideas and visualization of various geological elements in the field of hydropower engineering，such as terrain surface，bedrock surface，stratigraphic and lithologic boundary，structural surface，lens，stratigraphic unit，exploration project and geological entity．The above elements basically covered almost all the elements of hydropower engineering geological analysis．

Hydropower engineering;3D geological model;3D modeling

TP391;TV544

A

1674－3636(2012)03－0320－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．320

2012－05－20;编辑：蒋艳

田宜平(1973— )，男，教授，博士，主要从事地质信息技术、盆地模拟和三维可视化图形软件研究与开发，E-mail：typzl@sina．com