（水工结构工程专业论文）复杂工程地质信息三维可视化分析理论与应用研究.pdf

中文摘要 大型水利水电工程所处地区地质构造复杂，涉及的地质信息众多，给工程 设计带来了很大的困难。传统的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，已难以满足人们空间分析的需求。因此，充分利用工程地质勘察 的基本资料，运用计算机软件技术，实现工程地质三维建模和可视化分析是人们 一直以来追求的目标。 本文研究开发了工程地质信息的三维可视化( v i s u a l g e o ) 系统，根据用户需求 分析，对系统进行了总体设计、功能设计和用户界面设计；基于n u r b s 技术提 出了一种新的方法实现工程地质三维可视化模型的重建；从而可以进行三维地质 剖切图分析、等值线自动生成等可视化分析，并能实现剖面图的多形式输出；实 现了工程地质信息的可视化管理与查询。 概括来说，本文主要研究工作和成果体现在以下几个方面： f 1 ) 针对地质体的特殊性和实际工程需要，引入工程技术和计算机技术中都 己成熟的非均匀有理b 样条( n u r u 3 s ) 技术，对存储量很大的地形t i n 模型进行 了简化处理，获得了满足要求的地形轮廓体模型，为三维地质模型的实现提供了 前提条件。 运用地质交互式解译法在专业c a d 软件中绘n - 维地质剖面图，系统 直接与其进行数据交换，利用n u r b s 技术完成对地质结构面的构造。 ( 3 ) 通过实体布尔运算操作，将地质结构面转化为相应的结构体，以不同的 纹理加以描绘，并进行模型检验，建立起接近真实形态的地质三维可视化模型。 f 4 1 基于重建的三维地质模型，设计了各种三维地质可视化分析的函数模 块，便于分析人员进行各种可视化分析和操作。 ( 5 、最后结合实际工程，成功建立了锦屏一级水电站工程地质信息三维可视 化f j p v i s u a l g e o ) 系统，不仅使本文提出的方法和思想得到了实证，而且实现了 该工程地质信息的三维可视化分析。随着设计方案的不断深入和修改，可以及时 地提交数字化成果，有效地提高工程设计水平，应用前景十分广阔。 关键词：水利水电工程 工程地质信息地质构造三维地质模型 可视化分析n u r b s 技术 a b s t r a c t d u et ot h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dh u g er e l a t e di n f o r m a t i o n ，g r e a t d i f f i c u l t i e sh a v eb e e ne n c o u n t e r e dd u r i n gt h e e n g i n e e r i n gd e s i g n o fl a r g e s c a l e h y d r a u l i cp r o j e c t s t r a d i t i o n a le x p l a n a t i o n sa n da n a l y s i sf o re n g i n e e r i n gg e o l o g i cd a t a w e r er e s t r i c t e dt o2 da n ds t a t i cm o d e i th a sb e e nh a r dt o s a t i s f yt h ed e m a n d so f s p a t i a la n a l y s i s t h e r e f o r e ，a p p l y i n gt h eb a s i cd a t ao fg e o l o g i cs u r v e ya n dc o m p u t e r t e c h n i q u e st or e a l i z e3 dm o d e l i n ga n dv i s u a la n a l y s i so fe n g i n e e r i n gg e o l o g yi st h e l o n g - t e r ma i m w eh a v eb e e n p u r s u i n g f o r t h e3 dv i s u a l s y s t e m o fe n g i n e e r i n g g e o l o g i ci n f o r m a t i o n ( v i s u a l g e o ) i s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y , a c c o r d i n g t ou s e r r e q u i r e m e n t s a n a l y s i s ，t h eo v e r a l ld e s i g n ，f u n c t i o n a ld e s i g na n di n t e r f a c ed e s i g no f t h es y s t e ma r e c a r r i e do u t s e c o n d l y , an e wm e t h o db a s e do nn u r b s t e c h n i q u ei sp u tf o r w a r dt o r e c o n s t r u c tt h e3 d g e o l o g i c v i s u a lm o d e l t h i r d l y , s o m ev i s u a lf u n c t i o n sa r ep r o v i d e d ， s u c ha sd i s p l a yo f 3 d g e o l o g i cs e c t i o nm a p ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o no f c o n t o u r l i n e a n d t h em u l t i f o r mo u t p u to ft h es e c t i o nm a pc a nb eg o t t e n f i n a l l y , v i s u a lm a n a g e m e n t a n di n f o r m a t i o nq u e r ya r ea c h i e v e d s u n u n a r i l y , t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r ee m b o d i e da s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t om e e t t h ep a r t i c u l a r i t yo f g e o l o g i c b o d y a n dt h en e e do f a c t u a l e n g i n e e r i n g ， t h en u r b s t e c h n i q u e ，w h i c h h a sb e e n r i p e ni ne n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i si n t r o d u c e d t h r o u g ht h en u r b s t e c h n i q u e ，t h et o p o g r a p h i ct i n m o d e lw i t hl a r g e m e m o r ys p a c ei ss i m p l i f i e ds ot h a t t h et o p o g r a p h i co u t l i n em o d e lc a nb eg o t t e n ， w h i c ho f f e r sp r e r e q u i s i t ec o n d i t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no f3 d g e o l o g i c m o d e l ( 2 ) t h e2 dg e o l o g i cp r o f i l e sa r ep l o t t e du s i n gp r o f e s s i o n a lc a d s o f t w a r eb y m e a n so fi n t e r a c t i v eg e o l o g yd e c i p h e r sa n dt h ed a t ai se x c h a n g e df r o mt h ec a d s o f t w a r et ot h es y s t e m a n dt h u st h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r es u r f a c e sc a l lb ec o n s t r u c t e d u s i n g t h en u r b s t e c h n i q u e ( 3 ) t h r o u g hb o d yb o o l e a no p e r a t i o n s ，t h eg e o l o g i e a l s t r u c t u r es u r f a c e sa r e t r a n s f o r m e di n t oc o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o n a lb o d i e s t h e na f t e rr e n d e r i n gv a r i o u s t e x t u r e sa n dp e r f o r m i n gm o d e lc h e c k ，w ec a ne s t a b l i s h3 dv i s u a lg e o l o g i cm o d e l w h i c hi sa p p r o x i m a t e l yc l o s et ot h er e a l i t i e s ( 4 ) b a s e d o nt h e3 d g e o l o g i cm o d e l ，av a r i e t y o ff u n c t i o nb l o c k sa r ed e s i g n e dt o b eu s e dt oa n a l y z et h ev i s u a l3 dg e o l o g yf o rg e o l o g i s t sa n dd e s i g n e r s ( 5 ) t h e3 dv i s u a ls y s t e mo fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c i n f o r m a t i o nf o r j i n p i n g f i r s t l e v e lh y d r o p o w e rs t a t i o n ( s p v i s u a l g e o ) i ss e tu ps u c c e s s f u l l y i nt h i sw a y , n o t o n l yt h ei d e aa n d m e t h o di nt h i st h e s i sa r et e s t i f i e dp r a c t i c a l l yb u ta l s ot h e e n g i n e e r i n g g e o l o g i ci n f o r m a t i o nc a r lb eu t i l i z e dr o u n d l ya n dd y n a m i c a l l y w i t ht h ea l t e r a t i o no f d e s i g no p t i o n s ，t h ed i g i t i z e dr e s u l t s c a l lb es u b m i t t e di nt i m e ，w h i c hl e a d st ot h e s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t f o rt h e e n g i n e e r i n gd e s i g n l e v e l t h ep e r s p e c t i v eo fi t s a p p l i c a t i o nw o u l d b ev e r yb r i g h t k e y w o r d s ： w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e r e n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n gg e o l o g i ci n f o r m a t i o n g e o l o g i c a ls t r u c t u r e 3 d g e o l o g i cm o d e l v i s u a la n a l y s i s n u r b s t e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎。或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：辛明起 签字日期： z o 。3 年6 月眵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨盅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 知超 导师签名： 签字日期：如- 3 年占月哆日签字日期：a 毋 日 第一章绪论 1 1 本文研究背景及意义 第一章绪论 随着水利水电工程设计要求的不断提高和计算机软硬件技术的不断发展，一场 新的设计革命可视化设计正悄悄地萌芽。其中，作为构筑“可视化设计”的 基础，工程地质三维可视化己成为当前数学地质、水文工程地质等领域的研究前沿 和热点。 一般地，各种地质信息，包括地表地形、地层界面、断层、地下水位、风化层 厚度分仰以及各种物探化探资料，都可以从野外测量获得。但这些信息是一些离散 的数据，地质工作者很难直接利用它们分析其在地质体中的分布规律。面对这些实 测信息，人们必然会提出这样的问题【2 】：如何利用这些实测资料来推断其在区域内 的分布规律；即使能够预测各种信息在所研究地质区域中的分布值，面对大量的输 出数据，地质工作者仍然会感到很难分析，而且他们往往习惯于用图件来反映地质 信息，自然会希望能利用计算机自动显示这些信息在地质体内的分布规律。因此， 空阳：】地质信息三维模型及可视化系统的研究是计算机在工程地质领域应用的一个 必然趋势。 然而，传统的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直观性差，往往不能充分揭示其空间变化规律，难 以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，所以越来越不能满足工 程设计人员空间分析的需求。因此，如何用地质勘探和实验分析所得到的一系列空 间分布不均的离散数据来描述地质构造的空间展布情况，如何再把这种空间描述变 成计算机所能显示的三维图形，并如何在此基础上实现人机可视化的交互分析与操 作等问题构成了当前地质学研究的重要课题，同时也是计算机科学中一直探索的一 个莺要的应用领域u j 。 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 n s c i e n c e c o m p u t e r , v i s c ) ) 及地理信息系统技术( g i s ) 的发展为利用地质勘探资料、重建三维地 质模型创造了条件。工程地质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质特 征的数学模型，并采用计算机图形技术将地质数学描述以3 d 真实感图像的形式予 以表现【4 1 。利用三维可视化技术不仅可以直观描述地下复杂的地质构造情况，形象 地表达地质构造的形态特征以及构造要素的空间关系，而且结合工程地质信息三维 可视化模型的空间分析功能，可以使分析更为直观、准确，从而为快速、适时地再 现工程地质三维信息及地质综合分析开拓了一条有效的途径。 第一章绪论 早在1 9 9 6 年国内水利界就有学者提出要加速三维实体地质模型在计算机上的 实现口】，并且认为：三维实体地质模型在计算机上的实现，将使地质师、设计师从 繁杂的手工操作中解放出来，使工程地质制图实现系统化、专业化、标准化，从而 达到在计算机上自动切制各类地质剖面图件的目标；这一目标一旦实现，将是工程 地质界的次革命。 在水利水电工程勘察的各个阶段，针对存在的工程地质问题和水工建筑物的布 置，工程地质人员需布设大量的钻孔，钻孔布置的依据是前期地质测绘和勘探资料， 地质工程师面临着如何运用这些离散资料来推断地质信息在研究区内的空间位置 及其关系的问题。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，指导勘探工作，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。而以三维地质数字结构模型为基础，开发自动切剖面功能，将能 满足设计方案变更，及时提交数字化成果的需要【6 j 。 因此，工程地质三维可视化的研究意义不仅体现在提高地质制图效率这一方 面，更重要的是它建立起来的适时快速反映工程地质信息集成化的三维地质模型， 能为地质人员、设计人员对工程地质问题的正确判断、分析提供可视化的综合信息。 总之，工程地质信息三维可视化将是地质工程发展的一个重要方向，具有很大的理 论意义和实用价值。 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1 国外地质三维可视化研究和应用现状 在地质三维可视化基础理论研究方面，三维地质建模( 3 d g e o s c i e n c em o d e l i n g ) 的概念最早由加拿大的学者s i m o nwh o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出【j j 。所谓三维地质建 模，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、地质统计学、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。在文献 3 中，作者详细的阐述了实现地质三维可视化的一些基本技术和 方法，其中包括空间数据库的建立、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、地质体边界的划定和连接等许多方面，总体上体现了当 前地质三维可视化技术的核心成果，反映了当前该问题的研究水平。当然，也还有 许多学者从各种不同的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 模及其可视化方法 7 - 1 2 1 。此外，针对地质体建模的特殊性和复杂性，法国的m a l l e t 教授提出了离散光滑插值( d i s c r e t es m o o t h i n t e r p o l a t i o n ，d s i ) 技术l j ”j ，该技术基于 对目标体的离散化，用一系列具有物体的几何和物理特性的相互连结的节点来模拟 地质体，目前已成为g o c a d ( 地质目标计算机辅助设计) 的核心技术，并在国际 第一章绪论 上得到极大的重视。 因此，在国外，随着相应的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，近些年来其地质信息可视化模型和分析系统研究发展较快，已经形 成了相当的规模，并在市场上得到开发应用【l5 ，” 。比较典型的大型专业软件有： e a r t h v i s i o n 、v u l a n 、g e m c o m 、m i c r o l y m x 、g o c a d ，s t t r p a c v i s i o n 、l a n d m a r k j g e o q u e s t 、g r i s y s 等，这些软件分别在石油物探、石油开采和露天矿开采等领域 进行了颇有成效的研究，不仅具有一般的地质建模、二维和三维显示等常规功能， 而且也加入了一些可视化或图像仿真功能，进行一定的可视化分析设计。如d g i 公司的e a r t h v i s i o n 模拟系统软件包所生成的静态三维空间立体图形较为清楚地反 映了地层与地质结构面( 断层、破碎带、节理、岩脉和岩墙等) 的空间分布及其相 互关系；英国工程地质学家w h i t e t l5 将该软件包成功地应用于核废料的处理中，来 展示花岗岩体的三维可视化地质模型，揭示了岩体中结构面的发育分布规律，为勘 探布置、场地的选择提供了依据，为工程地质数值模拟提供了地质模型。 r o l a n d p u s h l l 6 1 ( 1 9 9 8 ) 提出了个新的模型，能在任意体积的模型内将一类或不 同类型的结构面的性质表示出来，并利用数学方法把局部结构联合起来形成一个区 域的地质体模式，能够反映出结构面的空间关系；最后以透视和正交投影的形式给 出了整体的三维可视化模型，可以进行一定的动态观察。 但是，由于国外软件费用高，并且受到具体地质条件的限制，在我国很难得到 推广使用。而且国外三维地质软件大都面向石油、采矿等领域，对于大型水利水电 工程地质信息的三维可视化，从勘探数据处理到模型建立和表达等方面的钊对性和 实用性均不强，分析功能和交互式功能较为简单，只是用于某些特定的条件。 1 。2 2 国内地质三维可视化研究情况 在国内，自计算机在地学中应用以来，由于受到硬件以及人才培养等客观因素 的限制，地质工程师大多从二维上对地质体进行分析和研究，并且研制了许多二维 制图的应用软件，而三维空间模型和可视化软件少见。目前，虽然有很多高等院校 和研究单位开展这项研究工作，但是以通过引进国外软件技术，进行二次开发者居 多。因此，国内地质人员应致力开发适合于自己的分析软件。 在三维可视化基础理论方面，清华大学唐泽圣【l 等人对于三维数据场可视化理 论的研究成果已其有很高的水平，并能在很多领域得到应用，其中包括地质三维可 视化领域。 在应用方面，1 9 9 6 年国内地质人员开始了这方面的工作，除在露天矿山开采和 石油物探领域研究应用取得一定的效果外，陈昌彦等【18 1 于1 9 9 7 年开发研制的“边 坡工程地质信息的三维可视化”系统，根据实测的离散点信息建立起三维可视化模 第章绪论 型，显示任意位置的剖面和平切面，可以计算开挖体的体积，并成功的应用于长江 三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构的模拟和三维再现工作中。 柴贺军、黄地龙、黄润秋等人 2 , 1 9 , 2 0 1 1 9 9 9 年以来结合大型水电工程开始研制开 发岩体结构三维模型，该模型中建立了一套岩体结构信息管理系统，这些信息是三 维可视化模型的数据源；并实现了三维可视化模型与数据库系统的有效连接；基本 完成了岩体结构的二维图形生成，包括工程区的地形图、勘探点布置图、勘探线剖 面图、平硐结构面展示图等：在一定程度上建立了三维可视化模型构图，该图形能 够进行放大、缩小、旋转、切片等功能。 此外，曹代勇、李青元、朱小弟等人【2 1 , 2 2 基于o p e n g l 提出了切片合成法，并 利用该方法进行三维地质模型可视化研究应用，也取得了一定的研究成果。 但从总体上看，目前的工程地质三维模拟大都着重于单层地质实体的表示，并 且列断层、褶皱等构造因素的表示和研究重视不够，不能反映工程设计和大型结构 面及其结构面相互交切关系的综合信息和三维特征，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 究应用取得较好的效果外，在其它领域离实际应用还有一定距离口。 因此概括来说，对于工程地质信息三维可视化，从国内外所开展的一系列研究 和应用来看，该问题已经受到国内外学者越来越多的重视，并取得了相当的成果。 这些研究和应用成果大都是针对开采地下资源的专业领域，而对于实际工程如水电 工程的复杂地质情况的三维可视化研究不多，而且也没有在实践中得到推广使用。 虽然国外地质三维可视化模型研究和应用走在前列，但多限于地质结构的显示，缺 乏开发较为系统全面的显示和分析软件，即集地质信息数据管理、三维地质建模、 地质特性三维可视化分析等于一体【2 】。因此，建立完善、简单、适用的的工程地质 信息三维可视化仿真系统，快速、准确地为水电工程、岩土工程、边坡治理工程、 公路铁路工程等实际工程的设计、施工、勘探布置工作和工程地质的数值模拟分析 等提供地质依据或模型资料，对于地质人员来说是一个迫切的任务，这也是今后地 质工程发展的一个主要方向。 1 3 本文研究的主要内容 大型水利水电工程所处地区地质构造复杂，涉及的地质信息众多，给工程设计 带来了很大的困难。因此，有必要建立相应的工程地质信息的三维可视化系统 ( v i s u a l g e o ) ，来实现工程地质信息的可视化管理与查询；实现地质剖切图生成、 地形填挖分析、工程量计算等地质可视化分析，辅助工程设计；并能实现三维地质 构造图、三维剖面图的多形式输出和大幅面绘制，从而丰富设计成果。总之，本系 第一章绪论 统的研究与开发成功，不仅可实现工程地质信息全方位、动态地分析和利用，而且 是对传统工程地质成果报告的巨大革新，可以有效地提高工程设计水平，应用前景 卜分广阔。 本文研究将工程建设所涉及的地质区域作为个整体，综合考虑了工程设计所 关心的各种地质信息，包括每一地层结构面的空间位置、地下水位线、风化卸荷界 限、断层及其错断、岩脉侵入体和河床冲积层等等，以开发工具v c + + 、v b 、a u t o c a d 以及g i s 为平台，研究开发了工程地质信息的三维可视化( v i s u a l g e o ) 系统，其主要 内容如下： f 1 1 工程地质信息三维可视化模型的建立。这是该系统实现的基础和关键。结 合在g i s 中生成的三维地形数字模型和由曲面拟合得到的各地质结构趋势面，通过 多种运算操作，获得复杂地质体的数字仿真模型；然后根据各种可视化算法，包括 光照、透明、消隐、纹理及渲染计算等，对数字仿真模型进行处理，从而建立起工 程地质信息三维可视化模型。 ( 2 ) 工程地质信息三维模型的可视化分析。在所建立的三维地质模型的基础上， 根据工程实际的需要进行相应的可视化分析，主要包括以下几点：应用计算机 图形学中的三维实体剖切布尔操作算法和剖面的生成方法，可由任意切面对三维地 质模型进行剖切，得到三维的剖切实体图，同时还可以进一步生成可供工程设计利 用的规范的二维c a d 平面地质剖面图；根据工程所设计的填挖方案，利用数学 微积分知识进行工程地质的填挖量计算及分析：等值线图是地球科学中最常用 的图件之一，在地质三维模型的基础上利用计算机可以方便快速地绘制等高线图， 有利于地质人员进一步的分析。 ( 3 ) 工程地质三维信息的可视化管理与查询。依据工程地质信息三维可视化仿 真模型，采集与模型相关的地质信息数据，利用常用的数据库工具如m i c r o s o f t e x c e l 、m i c r o s o f ta c c e s s 等，建立相应的地质信息数据库；同时将三维地质模型与 数据库信息有机地链接起来，并能根据实际的变化对地质信息作更新调整，从而实 现工程地质三维信息的可视化管理与查询。 ( 4 ) 工程地质分析计算成果的自动输出和管理。模型的建立和分析必然会产生 大量的输出数据，如三维地质构造图、二维和三维地质剖面图、地质等值线图以及 其它计算分析成果等，这些数据也都进行了自动处理和规范的管理，在很大程度上 提高了工作效率。 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 2 1v i s u a l g e o 系统分析与设计 v i s u a l g e o 系统的实现过程大致分为系统分析、系统设计、系统开发与实施 三个阶段。系统分析阶段的目的是明确新系统应该做些什么，即建立新系统的 逻辑设计方案；系统设计阶段的任务是决定系统应当如何去做，即建立新系统 的物理设计方案。系统分析和设计的有效性能保证系统开发的质量，又能节省 人力和物力。下面就在用户需求分析的基础上，分别对系统的总体框架、功能 目标、用户界面和软硬件环境进行了设计。 2 1 1 用户需求分析 在许多实际的大型工程中，地质工程师和工程设计人员都越来越迫切地希 望建立一套完善的工程地质信息三维可视化仿真系统，而计算机软件和硬件的 飞速发展也为这一系统的建立提供了客观条件。该系统所提出的基本开发目标 如下： f 1 ) 应用g i s 技术、数学地质( 包括地质统计学) 、计算机图形学技术等成 熟的理论方法，建立工程地质区域的三维数学地形模型和各种地质结构面( 地 层界面、断层面、风化卸荷界限等) ； ( 2 ) 利用计算机图形学技术、可视化技术，在上述模型的基础上构建整体 工程地质信息的三维可视化仿真模型； ( 3 ) 采用计算机图形学技术( 包括拓扑结构分析、图元布尔运算等) 、可视 化技术，对实体模型进行各种操作，实现地质剖切图、等值线图、钻孔地层柱 状图、平硐分布图的生成，以及工程地质构造特征和应力计算的可视化分析； ( 4 ) 结合g i s 技术、数据库技术和可视化技术，建立相应的地质信息数据 库，实现与三维地质模型实时链接的工程地质信息的可视化管理与查询。 2 1 2 系统总体设计 系统总体设计的目的是回答“系统应如何实现”的问题，其主要任务是划 分出组成系统各物理元素的构成、联系及其定义描述。基于以上的用户需求分 析，结合实际工程情况，以v c + + 、c a d 和g i s 为工作平台，这里提出了v i s u a l g e o 系统的基本研究思路及其总体结构分别如图2 - l 、2 2 所示，其详细说明如下。 图2 1 给出的是该系统总体的研究思路，由图可以很清楚地看到该思路可 6 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 粗略地分为四大步，即收集地质信息数据、三维地质建模、建立地质信息数据 库、地质信息综合分析。其中地质信息收集的好坏与完整程度决定了整个系统 得以按照期望构建起来的基础，这需要认真的分析和甄别。而三维地质建模是 该系统得以实现的基础和关键，其余的工作都需要与之相关联，而且从理论基 础和技术可行性两方面来看，三维地质数字仿真模型的建立也是一个难点，需 要我们去突破，这将在第三章中得到详细讨论。地质信息数据库的建立并与三 维地质模型有机地结合起来，是对模型的迸一步完善和丰富，更有助于地质工 程师和工程设计人员对模型整体的理解和分析。最后在这些工作的基础上，对 地质信息三维模型进行工程实际所需要的各种地质可视化分析和计算，为有效 地指导决策和设计提供重要的依据。 陬一 r 吐求化i 二维空间l 三维结1 三维立l 趋势面【三维立 甄j i 百耐构揣述广 体数粥广 西酮体模型 地质特征l 描述1i 地质属l 数据库1 地质属性 一丽再 特知r 1f 生f f i , g 广i 五j 叫数据库 g i s 技术l 地质信息叫视地质综 画雨写面磋要琵科化管理段查询广 台分析 图2 - 1v i s u a l g e o 系统研究思路 图2 - 2v i s u a l g e o 系统总体结构图 图2 2 给出的是v i s u a l g e o 系统总体的功能目标框架结构，其内容过程可 描述如下：通过v c + + 编制的用户界面，将三维地质建模子系统、数据库管理 予系统、工程地质信息可视化管理与查询子系统和工程地质特性三维可视化分 析子系统四个大的子系统集成在一起，便于用户操作；相对来说，三维地质建 模子系统和数据库管理子系统是基础的工作，前者要利用专业地质知识、数学 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 地质理论、计算机图形学和g i s 技术进行构建，后者要应用数据库技术对各种 繁杂的地质信息进行有效的组织和管理；另外两个子系统就是在此基础上，根 据实际的需要对工程地质信息进行有效的利用和对工程地质特性进行可视化分 析，辅助工程设计；最后归纳出这些子系统得以调用的四个数据库模型库、 图形库、属性库和图例库，从而使整个系统更加规范，更具有维护性。 2 1 3 系统功能设计 系统功能设计是系统软件设计的具体化。依据系统目标及系统总体设计的 要求，v i s u a l g e o 系统的总体特点和所能完成的功能目标可归为如下几点： ( 1 ) 系统采用面向对象的思想进行设计，较好地实现了地质结构构图显示 技术、数据库管理技术、人机交互技术及工程地质分析技术等软件组件的高效 集成。 ( 2 ) 系统所有的操作都以可视化的形式进行，可以全方位、动态地显示( 旋 转、平移、放大、缩小等) 三维地质实体整体构造模型图，并采用“层次化” 和“即用即得”操作方式，可按需要显示单个层面，从而清楚地表达地质实体 的整体轮廓、地层之间的空间位置关系及地层的厚度等信息。 ( 3 ) 在三维地质实体模型的基础上，采用人机交互方式，以“所见即所得” 的方式进行编辑操作，可作任意方向、任意地点和任意深度的三维剖切面，并 可生成规范的二维平面c a d 剖面图，观察地质实体内部结构构造、空间特征和 变化规律，揭示地质实体不同角度、不同方向、不同深度的构造特征，指导工 程设计。 ( 4 ) 系统设计操作采用了信息热点查询技术，对工程地质信息进行可视化 查询，实现了“图形属性”双向查询，其查询方式包括任意点击查询、分层查 询、定位查询、区域查询等，从而增强了模型解释分析操作的方便性与友好性。 ( 5 ) 系统设计采用了图形对象库和工程地质应用对象库，从而进一步提高 了该系统的重用性和开放性，具有良好的可操作性和软件维护性。 2 1 4 用户界面设计 用户界面是人机交互过程中最直观的计算机画面，界面的好坏不仅影响系 统形象和水平，而且决定用户使用系统的效率。因此，对操作界面应依照人机 工程学的观点来进行设计，以操作方便为原则。本系统采用v i s u a lc + + 6 0 进行 抖咖 发集成，达到方便、灵活的使用效果。界面采用当前流行的图形用户界 面( g u i ) ，通过一级和多级下拉式菜单，并利用对话框形式与用户进行直观、 友好的交互。本系统设计的主界面和实际操作界面分别如图2 - 3 和图2 - 4 所示。 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 图2 - 3 系统主界面 图2 - 4 系统建模及可视化操作界面 2 1 5 系统软硬件环境 ( 1 ) 软件环境：系统采用w i n d o w s2 0 0 0 9 8 作为工作平台，三维可视化模型 和数据库的建立所采用的软件有v i s u a lc h6 0 、v i s u a l b a s i c6 0 、a u t o e a d 2 0 0 2 、 a r c v i e wg i s 、m se x c e l 、m sa c c e s s 等。 ( 2 ) 硬件环境：考虑到系统功能中图形数据处理量很大，和三维图形分析 操作的需要，推荐配置为：p e n t i u mi v1 4 g + 5 1 2 m b 内存+ 真彩色显示卡( 3 d 加速功能) + 1 0 g 硬盘，或者更高配置。 9 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 2 2 关键技术概述 2 2 1 数学地质基本原理 数学地质是地质学中较新的分支学科，是地质学与数学、计算机科学相互 渗透、紧密结合而逐步形成的一门地质学的边缘学科，它的产生是地质学沿着 定量化方向发展的必然结果f 2 4 1 。数学地质的现代定义为2 5 】：是以数学为方法， 以计算机为主要的研究手段，定量研究地质学基础理论和定量探寻地质资源的 一门方法性科学。随着科学的发展和生产建设的需要，数学地质的理论和方法 也在不断地发展和完善，已从理论研究向实际应用的方向发展，其最终目的是 实现地质学的定量化和智能化。 数学地质的基本工作过程如图2 5 所示，可概括为以下几点1 2 5 ：( 1 ) 由地 质家提出地质问题，分析问题的地质因素，建立相应的地质概念模型；( 2 ) 选 用合适的数学方法，将定性的概念模型转化为定量的数学模型并开发相应的应 用软件工具；( 3 ) 对计算机输出的定量结果和地质图形数据进行地质解译，并 在此基础上确定或修改给出的地质概念模型和数学模型，以解决所提出的地质 问题。 图2 - 5 数学地质基本工作流程 数学地质的主要研究内容包括【2 , a , 2 5 , 2 6 ： ( 1 ) 地质体的三维数学模拟和图形显示。这是当前数学地质中的前沿课题 之一，受到国内外数学地质工作者的普遍重视，这也是本文所研究的工作重点。 由于计算机图形学、交互性图形系统的发展以及它们在地质学中的进一步应用， 在很大程度上促进了这方面研究的进展。 f 2 1 地质多元统计分析。地质多元统计是数学地质的基础，任何一个地质 问题都是非常复杂的，具有时间长、空间广和因素多的特征，使得地质人员借 用统计分析方法从己知信息中获得一些规律性的认识，以便从量的角度研究和 分析地质问题。目前常用的地质多元统计方法有回归分析、趋势面分析、聚类 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 分析、判别分析、因子分析等，而采矿中则采用k r i g i n g 法进行统计分析。 ( 3 ) 地质过程的数学模拟。应用数学模拟的方法研究地质历史的演化过程， 是探索地质基础理论的重要途径之一。对地质过程的发生和演化历史用计算机 进行再现，在一定程度上又可以为地质三维可视化提供支持。 ( 4 ) 地质数据库。地质数据资料是非常复杂繁多的，而利用计算机建立起 规范的地质数据库，使地质人员从繁琐的地质资料整理工作中解脱出来，把精 力集中到研究中去。而且还可以将数据库与相应的三维地质模型结合起来，方 便、快捷、智能地为地质人员和设计人员使用。 2 2 2 可视化技术和计算机图形学技术 可视化即科学计算可视化【2 7 j ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，v i s c ) ， 它使科学计算的输入过程和计算过程拟人化和形象化，再采用计算机图形和图 像处理技术将计算结果直观形象地显示出来并进行交互处理，使研究人员能以 更直观和客观的方式发现隐藏在数据中的科学规律。可视化技术是科学计算与 图形图像技术的结合，这涉及科学与工程计算、计算机图形学、图像处理、人 机界面等多个学科和技术领域。作为一种新兴学科，自正式确立以来获得了迅 速地发展，被广泛地应用于各种领域1 2 ”。 可视化技术的发展离不开计算机图形学技术，由于图形信息一目了然，几 乎所有工程技术领域都利用计算机图形来加强信息的传递和理解，因此这一技 术在各个领域都得到了广泛的应用1 2 9 j 。在 工程地质学中，地质勘测测量数据的解释 是正确定位空间地质结构面位置的关键， 只有对上述原始数据作大量处理之后才能 获得正确地层结构信息，而应用可视化工 具可以检测出地层结构的走势，显示地理 位置，建立完整准确的三维地质模型。 可视化实质上是科学研究过程中关于 计算机辅助后置数据处理部分，其目的就 是提供一种可视的分析手段，一个完整的 可视化流程如图2 - 6 所示口o j ，图中显示了 可视化系统的组成元素包括数据交换语义 类和变换数据的功能模块。其中数据交换 语义类包含了四个层次数据，即原始数据、 应用数据、几何数据和图元数据；而数据 图2 - 6 可视化流程图 块类 义类 第二章v i s u a l g e o 系统分析设计及关键技术 变换模块主要由四个模块类组成，即数据获取模块、可视化滤波模块( 包括数 据、几何和图元滤波) 、可视化映射与绘制模块以及显示模块。此外，图2 6 还 给出了用户对可视化信息分析后作出的反应，即交互操作和控制反馈命令，用 户与系统的交互操作可分为配置交互( 交互选择数据变换模块) 、参数控制交互 ( 调整更新控制参数数据) 、数据交互( 标识图元数据) 和语义交互( 实现反向 交互) 四类。 在v i s u a l g e o 系统中，高效、自动的可视化工具以及处理、组织大量的勘 探数据是工程地质应用可视化技术和计算机图形学技术的关键，而且将地质中 的各类物理模型与测量数据相结合可用来模拟某些不存在的物理过程，这也是 它们在地质学中的一个重要应用方向。 2 2 3 三维g i s 技术 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是以地理空间数据库为 基础，在计算机软硬件的支持下，对空间数据进行采集、管理、操作、分析、 模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供空间和动态地理信息的计算 机技术系统口”。g i s 是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合 的技术，而三维g i s ( 3 d g i s ) 是借助计算机以三维地理空间为研究对象而建立的 信息系统。 自1 9 6 2 年加拿大人r o g e r t o m l i n s o n 首先提出地理信息系统的概念并领导 建立国际上第一个具有实用价值的加拿大地理信息系统( c g i s ) 以来，g i s 在城 市规划、水电建设、交通运输、环境监测和保护等与地理相关的许多领域获得 了成功的应用，其自身也取得了长足的发展。 近年来，大量学者试图将g i s 技术应用于地质领域，但是，用现有二维或 二维半的数据结