夏艳华

三维地层信息系统三维地层模型所采用的数据模型为基于多层规则格网DEM三棱柱体元数据模型。该数据模型特点是：其为体元数据模型，在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分别具有几何规则性和拓扑规则性。因此，该数据模型具有体元数据模型以及几何规则与拓扑规则数据模型优点的同时，不可避免地继承了这些数据模型的缺点和不足，不足之处具体表现在如下几个方面：

⒈ 难以表达复杂地质现象

三维地层信息系统地层数据模型能方便、有效地表达空间连续无间断的简单地层，但是，对于复杂地质现象，如地层尖灭、透镜体、矿体、断层等，该数据模型则难以准确有效地表达其边界，而且在表达复杂形状的矿体和断层时常常会失效。由于该数据模型人为地将地质体分为上、下两个界面，因而无法表达形状复杂，不能将其边界面人为分割为上下界面的矿体。同样，在断层的表达上，由于体数据模型不能描述二维曲面，因此，当断层存在自由面，即断层面或断层面某部分不是任何一个体的边界面时，该数据模型表达失效。

2.工程地质钻孔数据库的建立与资料的查询检索

钻孔信息数据库是建立地层模型的主要数据源，它包括三个表：钻孔信息表、地层岩性信息表、地层岩性物理力学参数表。

该模块可实现数据库的查询，包括关键字查询和模糊查询。该模块提供了数据库的输入模块，用于对数据库进行管理，可以方便的对数据库进行增加、追加、插入、删除等数据库维护操作。

2.1地层分层分析处理与网格生成

利用钻孔及地质剖面图（虚拟钻孔）等资料建立的地层间逻辑关系并将地层数据进行分层分析处理，采用式（2-1）所示曲面函数进行地层面网格插值，形成多层DEM地层界面，最后通过交叉判断生成复杂地层结构的计算机几何网格模型。

2.2地层立体模型的显示与分析

在三维地层模型中，地层面是由钻孔数据插值拟合而成，其上下对应的不同层之间则是由规则格网分解而成的三角网，由于它们在水平面上的投影是相同的，因此，上下对应的三角形和竖直方向上互相平行的三条棱构成了三棱柱结构。由于地层模型是以三棱柱为基本体元，为了能在数据结构上对地层模型的“切割”或“挖掘”进行表达，要求基本体元能够进行分解，且分解后仍由基本体元构成，以形成数据结构上的一致性。其中，三棱柱体元的分割一共存在5种不同的构形。这5种切割组成了对三棱柱的基本切割方式，而且能保持数据结构上的互补对称性和旋转对称性。在切割时，规定每条边与切割面最多只能有一个交点，这样将三棱柱体元一分为二，并形成两个多面体，这两个多面体若不是基本体元，还可以再次进行剖分，以形成一个或多个三棱柱体。

利用建立的工程地质钻孔数据库与生成的地层结构计算机几何网格模型形成立体的地层模型并显示于屏幕，可以从各个角度直观地了解地下土层、岩层情况。软件提供地层模型的转动、缩放、切割任意剖面的功能以及制作三维模型图、二维剖面图等图形。可以让使用者方便地得到指定地层的具体信息。

3.岩土工程评估分析

在3DSIS与数值模拟集成研究方面，王纯祥博士与王明华博士以基于多层规则格网DEM三棱柱体元数据结构为基础，分别对三维地层信息系统与有限元集成以及三维地层信息系统与FLAC3D集成进行了研究。前者提出了基于关键点搜索技术集成三维地层信息系统与有限元分析的L-W模型，其基本思路是：通过搜索关键点，即三棱柱体元的边界点得到各地层实体的表面，再对所得表面所围成的地层实体进行网格剖分形成有限元模型;后者通过对三维地层模型网格几何形状及空间关系的概括，将三维地层网格（三棱柱体元）转换为四面体、五面锥形体、楔形体、六面体等四种FLAC3D初始单元，实现三维地层信息系统与FLAC3D集成。

难以模拟岩土工程活动。三维地层信息系统对诸如地下开挖、地下人工建筑等岩土工程活动进行了深入的研究。为了表达对地层模型的“切割”或“挖掘”，系统将三棱柱体元的分割归结为5种基本切割方式。尽管如此，系統在表达对地层模型的“切割”或“挖掘”方面仍存在如下困难：①地层在开挖、回填以及地下构筑物修建等施工过程中，其空间交切关系极其复杂，有可能出现开挖面或构筑物侵入三棱柱体元面内或体内的情形，这些情形不能归结为棱柱体元的基本切割方式之一，而且这些情形具有不确定解，难以进行有效的归类，这势必影响系统对地层模型“切割”或“挖掘”表达的完整性和健壮性。②地层模型在开挖、回填以及地下构筑物修建等岩土工程活动中，必然引入新的地质界面（如开挖面等），这些新的地质界面破坏了地层上、下界面规则格网DEM网格点的一一对应关系，使得地层模型空间拓扑关系复杂化而难以表达。③模拟达到一定精度的地质体往往需要大量三棱柱体元，这使得“切割”或“挖掘”过程及其缓慢。

⒋模拟达到一定精度的地质体往往需要大量三棱柱体元，这不仅占用大量计算机内存，同时也无法实现三维地层的实时绘制

三维地层信息系统地层模型所采用的数据模型为基于多层规则格网DEM三棱柱体元数据模型，该数据模型在水平方向上（XY平面）和垂直方向上（Z方向）分别具有几何规则性和拓扑规则性。这种数据模型在表达地层的局部细节上存在困难，当地层某一界面局部起伏剧烈时，为了较为精确地表达该局部细节，地层模型网格数据将成倍的增加，产生大量的数据冗余，无法实现三维地层的实时绘制，交互式操作困难。

⒌ 模型网格形式很难满足数值模拟网格要求，而且其相互转换困难

三维地层信息系统网格多为细长的三棱柱网格，不满足数值模拟网格划分的原则。尽管王纯祥博士提出了通过搜索三棱柱体元的边界点得到各地层实体的表面，再对所得表面所围成的地层实体进行网格剖分形成有限元模型从而实现与有限元的集成，但是三维地层信息系统地层数据模型难以准确表达复杂地质体的边界，而且“切割”或“挖掘”常常产生“变态”单元，这使得网格剖分常常无法成功;王明华博士通过对三维地层模型网格几何形状及空间关系的概括，将三维地层网格（三棱柱体元）转换为四面体、五面锥形体、楔形体、六面体等四种FLAC3D初始单元，实现了三维地层信息系统与FLAC3D集成，但是这种处理方法无法消除细长的三棱柱单元，而且在复杂地质体边界处以及切割”或“挖掘”面处常常生成“变态”FLAC3D初始单元。