（地质工程专业论文）gocad在某桥基三维地质建模中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 论文以舟山大陆连岛工程西堠门大桥北塔基所处的老虎山为例，结合三维 地质可视化模型的理论、方法和老虎山自身的一些地质环境概况，利用专业三 维地质建模软件g o c a d ( g e o l o g i c a lo b j e c tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，建立 了老虎山的三维地质可视化模型，把地下的地质结构等信息通过三维可视化具 体形象地表现出来，为工程地质质量评价者分析研究工程地质现象和发现掌握 岩土体结构规律等提供一种新的手段和方法，从研究方法上改进了以往二维空 间定性分析为主的研究方式。 利用专业真三维地质建模软件g o c a d ，结合地形数据和钻孔数据，建立了 研究区4 个主层的层序( 残坡积层、强风化流纹斑岩层、弱风化流纹斑岩层及 微风化流纹斑岩层) 构造三维地质模型，并借助其强大的真三维空间数据 的处理功能解决了建模过程中地层的缺失、尖灭等问题，取得了形象的、直观 的研究区三维地质模型。 在三维地质可视化模型建立的基础上，首先实现了剖面的任意切割，为全 面掌握地质结构提供了一种有效的手段。其次，利用g o c a d 所特有的d s i 插 值和x n 酉n g 插值方法，将各个钻孔有限的属性值很好地插入到整个三维地质 模型中，并且在三维模型上，可以通过鼠标点击模型获得相应位置的属性值， 具有很强的指导意义，为工程地质分析人员更好地掌握不同区域( 包括未知区 域) 的属性提供值得相信的依据。 本文中建立的模型既可以采用图的方式来表现，来加深对工程地质结构的 整体认识，又可以以其它数据文件的形式输出，也可以在软件中直接进行地质 信息的查询，可方便的导入到其它地理信息系统软件中进行下一步的工程地质 环境质量评价工作，进而减少工作量。 总体而言，本文中通过野外实测离散的工程勘测数据拟合和插值，建立了 工程对象( 含地形、地层分界线等信息) 的三维地质模型，把地质结构信息通 过三维可视化具体体现，并且可以任意切割剖面加深对地质结构的认识。由于 三维地质模型的建立，一方面为地质工程人员进一步分析研究桥基边坡稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 及数值模拟分析计算提供一种新的手段和方法，另一方面为非地质工程人员对 边坡三维地质结构直观认识均具重要工程实际意义。 关键词：g o c a d 三维地质建模可视化d s i 插值和r i n g i n g 插值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l i 页 a b s tr a c t t h et h e s i st a k e st h et i g e rh i l lw h i c hi st h en o r t hb a s eo ft h ex id u n m e nb r i d g e i nz h o u s h a nc i t ya sa l li l l u s t r a t i o n c o m b i n e dt h et h e o r ya n dm e t h o do ft h et h r e e - - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) g e o l o g i c a lm o d e l i n gw i t ht h eg e o l o g i ce n v i r o n m e n t a ls u r v e yo f t i g e rh i l l ，a n dm a k i n gu s eo ft h ep r o f e s s i o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a l m o d e l i n gs o f t w a r eg o c a d ( g e o l o g i c a lo b j e c tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，t h e3 d g e o l o g i c a lv i s u a l i z e dm o d e l i n go ft i g e rh i l li sb u i l tu p t h em o d e l i n g c a ns h o wt h e g e o l o g i cs t r u c t u r eo ft h eu n d e r g r o u n di n f o r m a t i o ni nv i v i dd e t a i l m e a n w h i l ei t p r o v i d e sak i n do fn e wm e t h o d sf o rp e r s o n n e le n g a g i n gi nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c q u a l i t y a s s e s s m e n tw h i c hc a nh e l pt h e ma n a l y s i st h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c p h e n o m e n o na n dm a s t e rt h es t r u c t u r er e g u l a t i o ni nr o c ka n ds o i lb o d y , e t c t h e nt h e m e a n s 仃：i e db ya u t h o ri m p r o v e st h er e s e a r c hm e t h o do ft h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c q u a l i t ya n a l y s i s ，c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rr e s e a r c hm e t h o d m a k i n gu s eo ft h ep r o f e s s i o n a l3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n gs o f t w a r eg o c a d ，a n d c o m b i n e dt h el a n d f o r md a t a 、7 i ，i mt h ew e l l sd a t a ，4m a i nl a y e ri nt h em s e a r c ha r e a h a v eb e e nb u i l tu ps ot h a tt h e3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n gc a nb ec o n s t r u c t e d m e a n w h i l e ，i nv i r t u eo fi t sp o w e r f u ld i s p o s a lf u n c t i o nt h ep r o b l e m ss u c h 觞 d e f i c i e n c ya n dn i p - o u t o ft h el a y e r sh a v eb e e ns o l v e d ，s oav i s u a la n di n t u i t i o n i s t i c3 d g e o l o g i c a lm o d e l i n gi sb u i l tu p o nt h eb a s eo ft h e3 dg e o l o g i c a lv i s u a l i z e dm o d e l i n gw h i c hh a sb e e nb u i l tu p ， f i r s t ，i tr e a l i z et h ef u n c t i o no fd i s c r e t i o n a r i l yi n c i s i n gs e c t i o n st op r o v i d eae f f e c t i v e a r t i f i c ef o ru n d e r s t a n d i n gt h eg e o l o g i cs t r u c t u r ei nd e p t h s e c o n d , t h r o u g hm a k i n g u s eo ft h ed s ia n dk r i g i n gi n t e r p o l a t i o n s ，t h ef i n i t ep r o p e r t yi nt h ew e l l sc a nw e l lb e i n t e r p o l a t e di n t ot h ew h o l e3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g ，a n do nt h em o d e l i n g ，y o uc a n g e tt h ep r o p e r t yb ym o u s ec l i c k t h e nt h i sm e t h o dh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o r a n a l y z i n gv a r i e t i e so fg e o l o g i c a li n f o r m a t i o no nt h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r si nt h e w h o l em o d e l i n g ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 i nt h ep a p e r , t h ee s t a b l i s h e dm o d e l i n gc a nn o to n l yd e e p e nw h o l eu n d e r s t a n d i n g o ft h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i ce n v i r o n m e n tb yas e r i e so fd i a g r a m ，b u ta l s ob eo u tp u t i no t h e rf o r m so fd a t ad o c u m e n t s ，a st h es a m et i m et h eg e o l o g yi n f o r m a t i o nc a nb e q u e r i e dd i r e c t l yi nt h es o f t w a r e t h ep r o d u c t i o nc a nb ec o n v e n i e n t l yi n p u tt oo t h e r g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e ms o f t w a r ei nt h es u b s e q u e n tw o r k ，w h i c hw i l lr e d u c e t h ew o r k l o a d o nt h ew h o l e ，o nt h eb a s eo ft h ed a t eo ff i e l d - s u r v e y e di ti n t e r p o l a t e sa n d s i m u l a t e st h el a n d f o r m ，g e o l o g i c l a y e r s ，t h e nb u i l d su pt h et h r e e d i m e n s i o n a l g e o l o g i cm o d e l i n go fo n et a l u ss l o p e m e a n w h i l ei ts h o w st h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e o fu n d e r g r o u n db yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o na n dy o uc a nd i s c r e t i o n a r i l y i n c i s es e c t i o n st og e ta ni n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e t h r o u g h t h ef o u n d a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，i tp r o v i d e sak i n do fn e wm e t h o d f o rp e r s o n n e le n g a g i n gi nt h eg e o l o g i ce n g i n e e r i n gw h i c hc a nh e l pt h ea n a l y s i s a b o u tt h es t a b i l i t yo fat a l u ss l o p ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n do nt h eo t h e ri tl e t p e r s o n n e lw h od o n te n g a g ei nt h eg e o l o g i ce n g i n e e r i n gh a v ea i n t u i t i v ef e e la n d r e c o g n i t i o nt ot h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e k e yw o r d s ：g o c a d ；t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n g ；v i s u a l i z a t i o n ；d s ia n d k r i g i n gi n t e r p o l a t i o n s 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：龟戋 日期： 1 0 0 钓 - 牛月z 1 日 指导老师 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：童乞 日期：7 0 0 q 年年月2 7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 1 1 1 课题研究的目的 在传统的工程地质分析方法中，工程地质资料的分析和解释一般局限于二 维、静态的表达方式，它描述空间地质构造的起伏变化和直接性差，往往不能 充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确的理解和感受地下三 维地质情况。当前，数学地质理论、计算机图形学、科学计算可视化技术 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n c ec o m p u t e r ，v i s c ) 的发展为利用工程地质勘察资 料重建三维地质模型并把其应用到工程地质定性化评价中创造了条件。相比传 统的信息显示方式，三维地质模型的显示更加直观、灵活、接受性强，便于从 多角度观察某一区域的地质和构造，有利于发现以往依赖于二维图形难以获得 的信息，把地质结构信息通过三维可视化具体体现，并且可以任意切割剖面加 深对地质结构的认识。由于三维地质模型的建立，一方面为地质工程人员进一 步分析研究地质体边坡稳定性及数值模拟分析计算提供一种新的手段和方法， 另一方面也为非地质工程人员对边坡三维地质结构直观认识均具重要工程实际 意义，因此地质三维建模及可视化已成为当前地质工程、岩土工程等领域的研 究前沿和热点。 因此，探索如何用地质勘探和试验分析所得到的一系列空间分布不均的离 散数据，通过多种关键技术来实现三维地质模型的重建，描述各种地质结构的 空间展布情况，实现了一系列实用的可视化分析，并在此基础上进行地质分析、 提取参数用于各种工程地质问题评价成为本次论文研究的主要目的。 1 1 2 课题研究的意义 传统地质信息的模拟与表达主要采用平面图和剖面图，其实质是将三维空 间中的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。该方法 存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。三 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 维地质建模正是针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科 学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。所 谓三维地质建模( 3 dg e o s c i e n c e sm o d e l - i n g ) ，就是运用计算机技术，在三维环 境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析 以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术，它是随着地球空间信 息技术的不断发展而发展起来的，由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、 矿井地质、g i s 、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科， 这一概念最早是由加拿大的s i m o nwh o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出的【l j 。 在水利水电、道路交通、城市建设和采矿等工程中，地质体的稳定性问题越 来越突出。目前，对地质体稳定性的研究主要采用定性分析和定量计算相结合、 稳定性评价和监测预报相结合的方法。在地质体稳定性分析系统中引入三维地 质构模技术，是快速、适时地再现地质体三维信息及综合分析的有效途径。一个 好的三维地质模型对工程决策和科学管理具有重要的意义，概括起来具有以下 一些优点： ( 1 ) 工程地质三维建模把野外工程勘察得到的空间分布不均匀、不连续、 散乱的地质信息通过数学曲面插值和拟合与现代计算机图形学的方法变成可视 的、连续的、形象直观的三维地质模型和图形图像，处理岩层界面与结构面组 合关系，逼真反映地下地质结构全貌，将为地质体稳定性评价中的工程地质分 析( 研究工程地质和发现掌握岩土体结构规律、分布范围等) 提供一种研究手 段和方法。 ( 2 ) 工程勘察数据用图形表达，更有助于推断、预测和把握其在研究区域 内的整体分布规律。根据利用计算机和先进的地质三维建模软件建立的模型反 馈回来的信息及时发现已有勘察数据中的不足，通过及时修改或添加勘察资料 ( 如增加钻孔、控制钻孔的深度、地质调查点等) ，不断提高模型精度，进而提 高研究区的地质体稳定性评价的可信度。 ( 3 ) 通过曲面的拟合和插值方法：一方面，可在建立的工程地质模型中简 单快捷的形成工程地质图件( 剖面图和平切面图等) ；另一方面，可以在研究区 内任意位置模拟钻探，采取相应位置的虚拟钻孔的“地层岩芯 ，进而快速了解 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地下地质结构，而且透镜体的尖灭点的位置和软弱夹层在岩体中的延展情况可 以足够精确的定位，减少了地质体稳定性评价中人为不确定因素。 ( 4 ) 充分利用已有勘察或实验数据资料，达到节约投资减少勘察或研究成 本的目的。如果在不同阶段有三维地质模型支持，辅助地质人员进行钻孔布置， 指导勘察工作，不仅能提高地质工作的效率和精度，还有助于地质人员建立地 质体的空间关系；当这些资料不足情况下，通过对已有数据的插值与拟合来建 立三维模型，可以推断和预测未知或资料不足区域的地质信息，从而为减少勘 察工作量提供科学的可靠的依据，达到节约成本、产生经济效益的目的。 总之，三维地质建模及可视化在工程地质体稳定性评价中的应用的意义不 仅体现在提高相关图件制图效率方面，更重要的是它建立起来的反映工程地质 信息的三维地质模型，能提供对工程地质问题的正确判断、分析的大量信息， 所以，三维地质建模及可视化将是工程地质体稳定性评价中的一个重要手段， 具有很大的理论意义和使用价值。 1 2 三维地质建模的研究现状 从2 0 世纪8 0 年代末以来，随着计算机技术的飞速发展和计算机图形学理 论的日渐完善，地学领域的三维可视化问题已成为当前数学地质、石油勘探、 水电勘察、岩土工程与科学计算可视化领域的研究与应用热点之一。这些领域 的科学家几乎同时对这一问题展开了研究，特别是地学领域的专家对三维g i s 的研究成果和计算机领域的专家利用科学计算可视化技术解决这一问题的努 力。 1 国外三维地质建模研究现状 在三维地质建模及和可视化基础理论研究方面：三维地质建模 ( t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n g ) 的概念最早由加拿大的学者 s i m o nw h o u d l i n g 于1 9 9 3 年提出：此后，众多学者提出了三角网生成方法、 三角网面模型构建方法、三维三角网固化- ( s o l i d ) 方法、地质体边界等诸多理 论，也有许多学者从各种不同角度来研究地质构造的三维数学模拟方法、数学 地质三维建模及可视化方法和插值方法，在国际上得到了极大的重视【2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 因此，在国外，随着相应理论基础的研究和深入，以及计算机硬件和软件 技术的迅速发展，近些年来地质三维建模及可视化研究发展较快，已经形成了 相当的规模，并在市场上得到了开发应用【”】。美国i n t e r g r a p h 公司研制的m g e 软件中的m g ev o x e la n a l y s t ( m g v a ) 地下三维分析模块，它具有基于真三维的 地下体分析功能；该公司另外又推出了i e m s 系统，该系统首先利用g i p s i e 软件进行三维空间数据内插，再用n u r b s 生成不同层次的表面，最后通过一个 层的上、下两个表面来构造对象的体模型它能够表示复杂的几何对象，可对复 杂表面和一个平面进行相交处理。系统在地质构造的表达描述上有较大优势。 美国d y n a m i cg r a p h i c 公司推出的专用可视化软件i v m ( i n t e r a c t i v ev o l u m e m o d e l i n g ) 可支持用户对三维空间的测量属性值进行建模、显示和交互控制，其 建模过程是先取某一物理特征值的若干散乱数据点，据此计算出一个三维网格， 此网格表示该物理性质在三维空间的分布模型，该软件已成功地用于油田渗透 率分布的研究，地下含水层中污染情况的监测，地球大气中臭氧浓度、海洋中 盐度与温度的分布研究；此外，该软件还可用于进行地学三维几何联系和特征 联系的研究。系统长于对三维空间中属性连续变化的各种现象，如：温度、浓 度等进行建模、显示和分析，对三维空间中属性值不连续变化的对象，如：矿 石类型等的表示和处理有一定的困难。公司的另一地学三维可视化软件地球可 视模拟系统( e a r t hv i s i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 所生成的三维空间立体图形可以 清楚地反映地层与地质结构的空间分布及其相互关系，以此揭示岩体中结构面 的发育与分布规律。美国s t r a t am o d e l公司推出ts g m ( s t r a t i g r p h i c g e o - c e l l u l a rm o d e l i n g ) 软件，用于处理钻孔数据。它采用“地 理细胞网”技术，首先将2 d 格网输入到用户定义的地层矿模型( s t r a t i g r a p h i c f r a m e w o r l d 幔o d e l ) ，由输入的格网定义连续的边界，然后用户根据需要确定在每 个序列中需要多少层来描述地层结构，再将钻孔数据输入s g m ，钻孔模型在每 一个钻孔位置对地层格网采样，并确定各层与钻孔的交点，钻孔模型的形成是 在每一个钻孔以一定的间隔内插一个属性值；属性模型是将同一层内的钻孔之 间的属性进行内插，得到每一个分块的属性值。系统的特点是：用户可以根据 地层的边界准确描述地质构造和分散内插的属性值；每个格网可存储1 0 0 项属 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 性；滤波功能使得属性模型中的属性值平滑。系统的不足之处是：只针对钻孔 数据，强调数据分层，对于不能分层的连续变化现象的数据的处理有困难。加 拿大l y n x g e o s y s t e m 公司开发的l y n x 软件采用棱柱体元法建模，可以对钻孔、 测井记录、t i n 模型、三维格网结构等进行综合管理，广泛用于矿山、地质的 三维可视化方面。美国r e s e r v o i rc h a r a c t e r i z a t i o nr e s e a r c ha n dc o n s u l t i n g 公司集中地质、地球物理、油气藏工程、地质统计学等学科的专家进行研究， 于1 9 9 8 年推出了三维地球模拟软件( 3 de a r t hm o d e l i n g ) ，该软件可以进行油 气藏的三维显示与分析。澳大利亚m a p t e k 公司开发的v u l c a n 软件，该软件是 一个真三维勘探g i s 与可视化软件，具有较好的三维空间建模、交互、可视化 功能，并可进行矿藏储量计算与三维空间分析，主要应用于矿业环境管理、三 维空间信息管理、模拟与可视化。除此以外，国外比较著名的地学三维软件还 有：澳大利亚的d a t a m i n e 软件、法国的g o c a d 软件等。n a n c y 大学j l m a l l e t 教授提出的g o c a d ( g e o l o g i c a lo b j e c tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 计划的成果， 该计划得到国际勘探地球物理学家协会( s e g ) 和欧洲勘探地球物理学家学会 ( e a e g ) 的支持，截止1 9 9 9 年g o c a d 计划已经得到世界上4 3 个大公司和2 8 所大学的支持。g o c a d 作为石油、地质、物探、采矿等行业的标准三维地学模 型软件，其具有非常强大的三维模型构建和分析功能，该软件被广泛应用与使 用、航天、环境等领域。 2 国内三维地质建模研究现状 在国内关于地下体三维信息的可视化研究方面，受多种原因( 如：硬件和 人才培养等因素) 的影响，长期以来我国的地质工程师大多是从二维上对地质 体进行分析与研究，对三维空间地学模型及其可视化研究的相对较少；2 0 世纪 9 0 年代以后，研究水平进步较快，如：陈昌彦、张菊明【5 】等于1 9 9 7 年研制了 “边坡工程地质信息的三维可视化系统”；柴贺军【6 1 7 】等于2 0 0 1 年结合水电工程 开发了岩体结构三维模型软件；西北大学可视化研究所研制了“地质地层模型 系统 ；中国地质大学数学地质与遥感地质研究所研制了“地质岩层真三维分析 系统”；中国科学院武汉岩土力学研究所的王笑海、白世伟等进行了基于三维拓 扑格网结构的g i s 地层模型研究：吉林大学地学信息研究所孙运生教授等完成 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的中国大陆岩石圈地学断面地理信息系统；中国煤田地质总局地球物理勘探研 究院对煤田地质信息的三维可视化研究；中国地质科学研究院等多家单位联合 承担的“九五”国家科技攻关项目“阿舍勒铜锌矿床深部及外围隐伏矿的三维 定位研究；大庆勘探开发研究院开发了地质数据可视化系统等。此外，李青元 ( 1 9 9 5 ) 、夏炎( 1 9 9 7 ) 、张剑秋( 1 9 9 8 ) 、徐永安( 1 9 9 9 ) 、郭达志( 2 0 0 0 ) 、方 金云( 2 0 0 0 ) 、毛善君( 2 0 0 1 ) 、沈大勇( 2 0 0 1 ) 、程朋根( 2 0 0 1 ) 等专家学者也 分别在不同的应用领域从不同的角度对地下体三维信息的可视化进行了许多的 探索研究。 但从总体上看，目前的工程地质三维模型大都着重于单层地质实体的表示， 缺乏结合特定工程部位的地质结构适宜性和稳定性分析评价功能，其成果除了 在露天矿山开采和石油物探领域研究应用取得交好的效果外，在其它领域离实 际应用还有一定距离，因此，研究将三维地质建模应用在工程地质问题评价中 是对其实际应用的一种探索。 3 现较有影响的三维地质建模软件 自2 0 世纪8 0 年代以来，围绕矿山、地质和岩土工程应用，国际上开发了 多种3 d g m s 软件，主要针对u n i x 、w i n d o w s 、n t 三大操作系统。 u n i x ( 系统) ：如l y n x 、v u l c a n ( m a p t e k ) 、d a t a m i n e 、m i n c o m 、m e d y s y s t e m 、 p c m i n e 、s u r p a c 、m ke a g l e s 等。 w i n d o w ( s 系统) ：如m i c r o m i n e 、g e m c o m 、m i n c o m 、g e o q u e s t 、s i t e v i e w 、 g e o v is u a l 、m i n e m a p 、l y n x 、v u l c a n 、g o c a d 、c t e c h 等。 n t ( 系统) ：如v u l c a n 等。 1 3 研究思路与技术路线 该论文是以浙江舟山大陆连岛工程西堠门大桥的北塔基所在的老虎山为工 程实例进行论述，老虎山作为主跨跨度为1 6 5 0 m 的悬索桥西堠门大桥北塔 基所在地，它的地质情况及其整体稳定性将在很大程度上控制整个西堠门大桥 的整体布置，所以对老虎上主要的覆盖层的分布及物理力学性质，基岩的埋藏 深度、岩性、风化程度、节理构造及物理力学性质等需要进行非常仔细地勘察， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 针对当前传统的工程地质分析方法中工程地质勘察数据资料越来越不能满足空 间分析的需求，而且得到的信息都是离散的、二维的，提出以三维地质建模软 件为工具，通过野外实测离散的工程勘测数据拟合和插值，建立了某个地质对 象( 含地形、地层分界线、属性等信息) 的三维地质模型，把地质结构信息通 过三维可视化具体体现出来。 这种探索不仅可以实现研究区工程地质信息的多方位分析和应用，而且是 对传统的工程地质质量评价手段的一个改进，可以丰富地质评价的方式，应用 前景比较广阔。 本文研究将工程地质问题所涉及的地质区域作为一个整体，综合考虑了地 质环境所关心的各种地质信息，包括每一地层的分布范围、厚度、埋深以及岩 石质量指标等，选用g o c a d 地质三维建模软件，对浙江舟山大陆连岛工程西堠 门大桥的北塔基老虎山进行了工程地质三维建模及可视化在工程地质质量 评价应用中的研究，其主要内容如下： 一、探索工程地质三维建模的关键技术问题，总结离散数据集的曲面插值 拟合方法和当今地质三维建模软件，能够应用于表达研究区域的地表地形、连 续多层地层及地层岩性参数分布随机模拟的图形显示。 二、以老虎山为例，充分利用已有工程、环境地质资料和适当补充的部分 钻孔及工程地质调查，模拟老虎山各地层及其基岩层的地层岩性、结构和空间 分布，建立研究区的三维地质结构模型。 三、在建立的三维地质模型的基础上，利用g o c a d 软件所具有的功能实现 地质模型的任意切割，为地质体稳定性评价中的工程地质分析( 研究工程地质 和发现掌握岩土体结构规律、分布范围等) 提供一种研究手段和方法。 四、根据钻孔取土样试验数据，提取属性值，并使用g o c a d 软件所特有的 d s i 和k r i g i n g 插值法对整个三维地质模型进行插值，在三维地质体模型中建立 岩性参数模型，并分析参数在地质体中的分布规律。 其技术路线图为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 - 1 论文技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章三维地质建模理论 随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模技术越来越受到地学界的重 视，并成为地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模( 3 dg e o s c i e n c e m o d e l i n g ) ，就是运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据 组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进 行真三维再现和可视化交互的科学与技术。这一概念最早是由加拿大s i m o n w h o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出的。吴立新在其3 d g m 理论与方法博士生学位课程 讲义( 1 9 9 9 2 0 0 0 版) 中，对3 d g m 作如下理解：3 d g m 是由勘探地质学、数学地 质、地球物理、矿山测量、矿井地质、g i s 、图形图像学、科学可视化等学科交 叉而形成的一门新型学科。 三维地质建模的主要目的之一是预测一个或多个地质变量的空间变化。在 地质工程中，往往是地层、裂隙、断层等的空间展布特征及其物理力学参数。 对某一研究的相关地质变量由于不可能进行连续的量测，因此往往取一些有代 表性的点，作为采样点。然后，再运用各种不同的预测技术，来推测出整个研 究区的该地质变量的空间变化规律。 与其它的地质信息表现形式相比，三维地质建模有突出的优越性： 逼真的三维动态显示效果，使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质 空间关系有一个十分直观的认识。 强大的可视化功能，可提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别， 为勘察、试验工作提供验证和解释。 2 1 三维地质建模基本概念 1 三维地质模型 地质模型通过量化以下信息来描述地质对象：( 1 ) 几何形态；( 2 ) 拓扑信 息( 地质对象间的关系) ；( 3 ) 物性。 一个计算机地质模型包含的元素层次有：( 1 ) 点( 拾取) ；( 2 ) 线( 井路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 径) ：( 3 ) 曲面( 层位面、断层面) ：( 4 ) 交线( 层面与断层交线) ；( 5 ) 闭合岩 石区域( 断块) ；( 6 ) 网络( 规则网格、地层网格) ：( 7 ) 物性( 速度、孔隙度 等) 。 一个地质模型就是由这些对象的各种信息综合而成的一个复杂的整体。 所谓三维地质模型是指；使用适当的数据结构在计算机中建立起能反映地 质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的 数学模型涮用三维地质模型可以通过3 d 图形的形式逼真的表达地质构造的形 态、特征以及三维空间物性参数分布规律。 2 三维地质模型的构成 一个典型的三维地质模型由一个或多个地层、断面组成，某一断层可与多 个地层相交，使得这些地层断裂：同时，地层之间的关系也比较复杂，有时地 层相互平行，有时可能与另一地层相交，形成尖灭、侵入体、透镜体等地质现 象，使三维地质建模过程复杂化。 图2 - 1 为一典型的三维地质模型，其由六层地层和一个断层构成。 图2 - 1 典型的三维地质模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 三维地质模型特征【8 , 9 1 三维地质模型在计算机中的数据表达方式称为三维地质模型的数学模型， 它是研究三维地学可视化和三维地学信息系统的基础和核心，它具有或必须具 有以下特征： ( 1 ) 确定性 三维地质模型的特点是针对三维地质体。在传统的二维情况下，地质工作 解释的对象仅仅是出现在有限的几条剖面和平面上，剖面之间或平面之间可以 是不连续的，剖面之间的构造形态留给使用图纸的工程师自己去发挥。这实际 上存在着不确定性，不同使用者对其可能有不同的解释或想象。而三维地质模 型则不然，一旦模型被建立起来，模型模拟的对象便以实实在在的数据集形式 存在，地质工作者解释和研究的对象是整个地质体，而不是地质体的剖面，不 存在不确定性。 ( 2 ) 可视性 存储在计一算机中的三维地质模型虽然只是数据集，只要借助适当的图形 工具就可将它显示在计算机屏幕上，供人们从不同角度、不同方式来观察、研 究地质模型。常用的显示方式有： 二维景观方式：它允许人们从不同角度、不同方位、不同距离观看三维地 质模型的分布形态。为了增强模型的真实感，常常在显示时加上复杂的光照模 型、表面纹理等三维效果。 迭择显示方式：在三维景观方式的基础上，观察者可以有针对性的选择要 显示的地质体( 例如：观察者可以掀开上覆的盖层显示其下层面) ，这样可以观 察到每个地质体的具体形态。 透明显示方式：这种显示方式可以透过前面的地质体看到后面的地质体， 透过外面的地质体看到里面的地质体。如果实现得好，可以同时了解地质体的 分布情况和地质体的个体形态。 切割显示方式：设想观察者能够用刀切开地质模型，从水平、垂直或任意 切面上看到地质体的内部结构。在三维的情况下，切面是以三维图形的方式显 示的，并且可以与模型未被切割的部分同时显示，这样既不失真实感，又可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 在切面上进行度量。 ( 3 ) 可修改性 三维地质模型应该是可修改的。一方面，由计算产生的三维模型由于算法 的不完善常常不能满足地质工作者的需要。这时，可以把自动算法产生的模型 作为初始模型，运用交互计算机图形学技术对地质模型进行交互编辑和修改， 充分发挥人的主观能动性，使地质模型的建立更加合理；另一方面，构建三维 地质模型通常需要大量的数据，而在地质勘探的初期，这种对数据的要求是不 现实的，这时，交互编辑技术就成为了主要的建模手段。 ( 4 ) 可分析性 对己有三维数据的展示只是三维地质模型的功能之一，更重要的是能够利 用已有数据进行分析和预测。例如，我们常常需要对三维地质体计算其体积与 储量；在地球物理勘探领域还可能要计算地质体所引起的物探异常。这就要求 三维地质体模型既要满足视觉要求，又要满足分析要求。有时候两者是相互矛 盾的，这时后者更为重要。 4 三维地质模型建模元素1 0 】 ( 1 ) 点 点是最简单的模型元素。点通常来源于一个三维地震解释系统，以现代勘 察的规模，给定表面上所含点数以及由此产生的点通常多达百万，为了在现在 三维模型系统中处理这些点，关键要找到方法以减少用于描绘一个层位曲面的 所需点数。 ( 2 ) 线 两点定义条线段，许多线段形成一条线或一簇线。通常的三维线包括地震射 线路径、层位与断层交叉线、井迹。三维地质模型的最主要的输入之一是断层 向量，用断层线来创建合理的断层面。 ( 3 ) 曲面 三角形集合构造的三维曲面的三维建模方法逐渐取代网格化的单值二维曲 面，并且被越来越多使用。三角剖分曲面是一个非常有效的方法可用于表示诸 如油气接触面的简单曲面，如边界垂直曲面，或没有扩展到整个区域的曲面( 尖 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 灭断层) 。地层面是其主要表现形式之一：地质体模型常分为若干地层，简化时 一般认为同一地层内的地质属性是相同的，不同地层一般具有不同的地质属性。 地层面是地层与地层的分界面，一般来说地层面就是地震射线反射面，一地层 面唯一代表其下面紧邻的地层，因此，在地质建模系统中通常将对地层的研究 转化为对地层面的研究。 ( 4 ) 交线 在一个模型中封闭的交线包含由两个相交曲面共享的点和边界，严格的交 线最好是用一个曲面切割另一个曲面来产生。 ( 5 ) 块体( 闭合岩石区域) 块体是指在地质替模型中，由交叉曲面封闭的块状体，一个块体可以是断 层块、层块、盐丘体等，不同的块体具有相同或不同的地质属性。所有块体构 成三维地质模型的一个空间划分，块体与块体之间无缝隙、不重叠。 ( 6 ) 网格 四点定义一个四面体，理想情况下，由曲面和交线定义的非流形块体能由 四面体充填，该四面体完全匹配于三角形表面的边界。实际上，严格的非流形 四面体网是很难构成的，并且在计算机中占很大存储空间。 ( 7 ) 属性 地质模型包含由点、线、表面、块体和网格携带的地质属性。地质属性按 其不同插值方法可以分为：平滑属性和非均匀属性。 5 三维地质建模所需数据来源 ( 1 ) 等值线数据 等值线数据分为构造地层面的等值线数据与构造断面的等值线数据两类。 地层面构造等值线数据包括地层面的等值线和地层面上的断层线信息；断面构 造等值线数据包括断面的等值线和断面的边界线信息。在计算机中，等值线数 据表示为离散点的集合。 ( 2 ) 离散点数据 离散点数据也分为地层面离散点数据和断面离散点数据，分别作为地层面 与断面的离散点集合，通过插值决定地层和断面的形态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 3 ) 钻孔数据 对于建模区域范围小、深度要求低，比如工程地质模型、滑坡模型等，地 层面主要是由钻孔分层所确定。根据钻孔的地质分层还是主要以离散点集的形 式输入建模。 ( 4 ) 修正数据 若根据等值线数据、离散数据和钻孔数据建立起来的初始三维地质模型存 在较大误差，则需要对已有断面与层面进行适当的修正，如可以通过地质勘察 等手段在地层上离散点较少区域增加点，或沿地层面的法线防线调整离散点， 此时输入的数据称为修正数据。 6 三维地质建模主要实现方法 ( 1 ) 狭义的数学地质方法 这一方法是又苏联数学地质学家v is t e li u s 提出，采用比较常规的数学地 质理论和方法来研究，这一