一种实用的工程地质三维地质建模方法

一种实用的工程地质三维地质建模方法

1工程地质三维建模方法近年来，三维地质建模引起了地质、采矿、土木工程等许多领域的越来越多的关注。相对于传统的二维地质数据表示方法,三维模型能够完整准确地表达复杂地质现象的边界条件及地质体内含的各种地质构造,直观地再现地质单元的空间展布及其相互关系,最大限度地提高地质分析的直观性和准确性。因此,如何利用钻孔资料、地质剖面数据以及专家经验来进行三维地质建模已经成为国内外研究的热点,如贺怀建等提出了基于多层DEM的概念构建三维地层模型的骨架结构,SimonWH提出了基于三棱柱模型表达层状地质体,LemonAM提出了地层水平法(horizonsmethod)构建三维地层实体模型,吴立新等提出了一种基于广义三棱柱体元的三维地质建模方法。这些建模方法各有千秋,但又都各自存在缺陷和不足,归结起来,问题主要表现在以下几个方面:①建模过程繁琐,需要人工干预的地方较多,自动化程度不高;②不能将除钻孔资料之外的其他信息融入建模的工作流程中,导致建模结果与实际差别较大且难以修正;③算法效率不高,运算量大,编程实施不易,无法满足实际应用的需要。基于上述考虑,在综合考察多种建模方法的基础上,结合工程实践,笔者提出了一种实用的工程地质三维建模实施方法,步骤①:以钻孔资料为源数据,在无人工干涉的情况下插值生成各地层分界面,具体算法将解决地层分界面相交的问题;步骤②:基于地层分界面,构建三维地质模型;步骤③:参照地质剖面数据的空间位置,对结果模型进行切割,获取对应位置的模型剖面;步骤④:对比已有的地质剖面数据,调整模型剖面上的地层分界线;步骤⑤:基于既定原则,对各分层界线做离散化处理,获得各分层界线上的离散点以及该点的地层层面编号;步骤⑥:这些新的空间样点将与原有的钻孔数据一道加入新一轮的建模过程中,丰富各地层的插值样点,使新生成的地层模型更加逼近于真实情况。整个建模过程可以根据需要不断地循环,实现模型的逐步完善与逼近。这种方法在充分利用钻孔资料的同时,很好地融入了地质剖面数据和专家经验,而且计算量远远小于其他的三维地质建模方法,可以很好地满足实际应用的需要。2维地质数据模型空间数据模型是实现三维显示和空间分析的前提和基础。根据对空间对象的描述方式不同,三维地质数据模型大致可以划分为以下四类:①表面模型;②实体模型;③混合模型;④对象模型。不同的三维地质数据模型适用于不同的空间情况,其侧重点各有所不同,功能上也存在差异。1模型内部小表面模型是通过表面信息来描述空间对象,侧重于空间对象的视觉三维效果,模型内部是空的,因而难以对其进行空间分析和操作。表面模型的优点是数据存储量小,建模速度快且便于显示和数据更新。表面模型的建模方法主要有:表面构模法、线框构模法、边界表示法和多层法等。2模型的类型实体模型侧重于三维空间体的表示,通过对体的描述实现三维空间目标表示,与表面模型相比较,其数据结构更为复杂、所要求的存储空间也更大,但实体模型更适用于空间分析和操作。实体模型常见的建模方法有:几何构模法、四面体格网构模法、八叉树构模法及块段构模法等。3不同数据结构的混合因为分属于表面模型和实体模型的各种数据结构既有各自独特的优点,又有不可避免的缺陷,因此很难发展出一种兼有各种数据结构的优点、且适用于各种情况的数据结构。而不同数据结构在表达不同对象、面向不同目标时所体现出的互补性为其混合提供了基础。针对混合数据模型,国内外研究人员提出了许多思路,如RongxingLi提出了基于多种表示的CSG+Octree模型,李清泉提出了Octree+TEN模型。4维地质数据模型对象模型表达复杂对象和拓扑关系的优点在于可以实现层次结构和对象嵌套,它不仅支持变长记录,而且支持对象的集合,是理想的三维地质数据模型。经过不断得研究探索,面向对象技术在三维建模中的应用已取得了较大进展,面向对象的思想已经广泛地应用于三维地质建模、系统设计与系统实现。3建立地层层面的具体参数尽管研究人员已经提出了许多的三维地质数据模型,以及相应的建模方法,但多是处于理论研究层面,没有充分考虑实际应用中的客观条件,依然存在前文提及到的种种不足。鉴于此,笔者在综合考察多种建模方法的基础上,结合工程实践,提出了一种实用的工程地质三维建模实施方法。图1为该建模方法的简要流程图。整个建模过程可以理解成两大部分:基于钻孔数据的三维地质建模和地质剖面数据的引入与处理。前者本身就是一个经过改良的完整建模流程,但其数据来源单一,局限为钻孔数据,无法引入其他资料信息,且建模过程封闭,结果难以修改。后者的引入与集成,很好地克服了这些缺陷。因为采用了合理有效的集成算法,运算量大大降低,速度明显提高,能很好的满足工程地质分析等应用的实际需要。步骤1:建立钻孔的地层层面编号地层是在一定地质时期所形成的层状堆积物或岩石,是其他地质实体和地质构造赋存的物质基础。按地层沉积顺序对研究区钻孔所揭示的全部地层进行编号,建立地层层序表,并据此对各钻孔进行地层层面编号是三维地质建模流程中的重要环节。进行地层编号的规则是:从老到新,逐层递增,即最古老的地层编号为1,然后随地层年代逐渐递增。将研究区钻孔中的各个地层与地层层序表相对照,对钻孔中各个地层层面进行编号,编号规则是用钻孔中每个地层在地层层序表中对应的编号来指定钻孔中该地层上顶面的地层层面编号,如图2所示。建立钻孔的地层层面编号,即对钻孔与地层层面交点进行分层编号处理,目的是得到各地层层面的采样点,为插值拟合地层层面做准备。步骤2:插值拟合地层层面通过建立钻孔的地层层面编号,得到各地层层面的采样点,然后采用插值算法对各地层层面进行曲面拟合。可供选择的插值算法很多,常用的有反距离插值法、自然邻域插值法、线性插值法、径向基函数插值法等。尽管有研究者尝试使用克里格插值法拟合地层层面,但考虑到各地层结构的复杂性、各向异性,无法用统一的拟合模型处理各个地层,所以对于地层数相对多的研究区域,不推荐克里格插值法。另外,地表的插值拟合可用DEM代替,因为DEM的采样点数量要远远超过钻孔数量,可以获得更精细的拟合效果。这些拟合的地层层面具有完全一致的参照系并能相互准确配准。对于出现地层层面相交的区域,还要进一步进行地层层面相交处理。步骤3:地层层面相交处理经由插值拟合的地层层面可能会出现层面相交的现象,即本属于上一地层上的点的高程却低于其下面的地层,这需要通过调整地层层面高程予以修正。从下而上,从地层1开始,遍历所有地层层面,比较当前地层层面与上一地层层面对应点的高程值,当出现上一地层层面上点Pi+1的高程值Zi+1小于当前地层层面上对应点P的高程值Zi,则将上一地层层面上点Pi+1的高程重新赋值为Zi,保证上下地层层序关系的一致性。步骤4:构建三维地层模型定义体数据数组,将地质空间区域划分成规则子块的组合体,并根据地层层面划分为落入各地层间的体数据单元(规则子块)赋属性,实现表面模型向实体模型的转换。在笔者的实践环境(IDL)中,体数据就是一个三维数组,例如MyVOL=INTARR(X,Y,Z),初始值为零。X、Y、Z为x、y和z方向的任意维数,可以任意给定。通常为了方便后面对体数据单元赋值,X、Y采用插值拟合地层层面时所用的x、y方向维数值。Z理论上值越大,模型表现得就越精确,但数据量也会随之增加,导致显示速度变慢,所以应根据实际情况(如地层深度、复杂程度)选择合适的值。对体数据数组中的各个元素赋值,即对地质空间区域中的各规则子块赋地层属性,是一个相对简单的过程。通过x、y、z索引每个体数据单元,将单元的z换算成高程值,将其与对应x、y位置的各地层层面高程值作比较,落入哪个地层高程值范围就将单元的地层属性赋值成该地层。地层之外的子块保持零值,最终显示时不予显示。另外,为在视觉上加以区分,不同地层可以用不同的颜色来进行表示。至此,如果没有地质剖面数据或其他资料信息需要考虑,那么一个完整的三维地质建模过程即结束。针对建成的模型可以在具体的程序实现下进行三维观察、模型切割、隧洞开挖、体积量算等一系列的三维分析与操作。步骤5:地质剖面数据的引入与处理如前文所述,单纯基于钻孔数据的三维地质建模,数据来源单一,过程封闭,无法引入其他资料信息以及专家经验,建模结果与实际情况差别较大。地质剖面数据的引入与处理,将较好地克服这些缺陷。参照地质剖面数据的空间位置,对步骤4的结果模型进行切割,获取对应位置的模型剖面;对比地质剖面数据,调整模型剖面上的地层分界线;基于既定原则,对各分层界线做离散化处理,获得各分层界线上的离散点以及该点的地层层面编号;将这些新的空间样点将与原有的钻孔数据一道加入新一轮的建模过程中,丰富各地层的插值样点,使新生成的地层模型更加逼近于真实情况。整个建模过程可以根据需要不断地循环,实现模型的逐步完善与逼近。这种方法在充分利用钻孔资料的同时,很好地融入了地质剖面数据和专家经验,而且计算量远远小于其他的三维地质建模方法,可以很好地满足实际应用的需要。4研究区地质特征和层序基于上述方法,笔者在Windows环境下,利用IDL开发出了基于钻孔数据与地质剖面数据的三维地质建模系统,并以西部某拟建机场的选址区作为研究区进行了试验性研究。研究区面积约112.34km2,研究区内共有52个钻孔,钻孔深度范围为113～132m,钻孔平均深度122.32m。研究区地层属于典型的沉积环境,没有断层、褶皱等特殊地质构造发育。根据对钻孔资料的统计分析,全区共出现了7个有建模意义的互异地层。图6是根据钻孔数据与地质剖面数据内插形成的地层层面模型,图7是对应的三维地层实体模型。经过验证,三维地质建模结果基本反映了研究区地层分布情况,对机场选址、工程建设具有重要的指导意义。5工程地质三维建模实践如何把钻孔资料、柱状图、地质剖面图及专家对地质现象的解译转化为直观的三维可视化信息,在地质资料信息化处理及分析中非常有意义。笔者在综合考察多种建模方法的基础上,结合工程实践,提出了一种实用的工程地质三维建模实施方法。该方法以钻孔资料和地质剖