面向水利水电工程地质建模的混合结构

面向水利水电工程地质建模的混合结构

随着我国经济的可持续发展和西部开发战略的实施，公共交通行业呈现出活跃的趋势，大量大型节水项目被提前开展。这些项目大多位于高山峡谷，地质结构复杂，地质信息丰富，给项目的测量、设计和建设带来了很大困难。传统的二维静瓦处理和分析方法难以满足工程地质工人和设计人员的实际需要。作为数字可视化设计和施工的基础，三维水利水电工程的质量分析和分析，是研究和解决的重点，引起了人们的关注。三维地质建模与分析问题是国内外相关领域研究的热点和难点,如数学地质、矿山地质、油气藏地质、水文工程地质以及计算机科学等.Houlding最早提出了三维地学建模(3Dgeosciencemodeling)的概念,并阐述了一些基本的实现技术和方法,如空间地质数据库的建立、三角网生成与固化、地质体边界连接等;Mallet针对地质体建模的特殊性和复杂性,采用离散光滑插值技术来模拟地质体,并作为GOCAD的核心技术,得到了许多地球物理公司和石油公司的支持;deKemp则运用三维Bézier工具对复杂地质结构进行可视化建模,并与Sprague合作发展了Bézier-NURBS混合曲面来拟合构造三维地质结构面;Courrioux等人基于Voronoi图实现了地质对象实体的自动重构;柴贺军等人结合溪洛渡水电站研制开发了一套岩体结构三维可视化系统,在一定程度上建立了三维地质模型构图,并能够进行一些简单的剖切分析;武强等人提出了在原始数据有限情况下有效耦合多种地质数据的建模方法,并建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构.上述成果丰富和发展了三维地质建模的理论与方法.总的来说,国外在这方面的研究开展较早,并已发展了一系列较为成熟的商业建模软件包,如GOCAD,EarthVision,GemCom和Surpac等,但它们主要面向油气藏工程和采矿工程等领域,由于性能要求高、价格昂贵和不同的地质应用目的,难以在我国水利水电工程地质领域推广使用;国内也有类似的成果,同时在水利水电三维地质建模方面也开展了大量研究,但存在模型数据存储量与精度之间的矛盾和分析功能较为单一的问题,离实际应用还有一定距离.因此有必要深入研究实现水利水电工程三维地质建模与分析的理论和技术方法.我们紧密依托实际工程,融合水利水电工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多个交叉学科的先进理论与技术,提出实现水利水电工程地质统一建模的技术方法,主要解决3个关键问题:(ⅰ)适合于水利水电工程地质的三维数据结构问题.目前常用的数据结构所建立的三维地质模型数据存储量大,无法满足实际分析应用的要求,必须探寻合适的数据结构,解决复杂地质体信息量大与工程地质分析要求高的矛盾.(ⅱ)耦合多源数据的水利水电工程地质三维建模问题.如何从错综复杂的地质数据中系统地构造出各种地质结构的三维模型,并保证模型的精度满足实际要求.(ⅲ)基于水利水电工程地质模型的分析应用问题.如何能够将所建立的模型有效地应用于水利水电工程勘测、设计与施工中去,为工程建设服务.本文将围绕这3个问题的解决展开深入的探索研究.1基于水利水电工程的混合数据结构1.1基于约束面的信息化地质建模技术工程地质的数据表达方式即数据结构是三维地质建模的基础,水利水电工程区域的地质构造复杂、信息量大、分析要求高,选择合适且实用的三维数据结构极为关键.目前表达三维实体的数据结构主要包括基于曲面表示和基于体元表示的两类结构;前者在表达空间对象的边界、可视化和几何变换等方面具有明显的优势,而后者则能很好地表达空间对象的内部信息.通过对比分析,考虑到水利水电工程主要关注地质条件、地质构造环境对工程设计和施工的影响,而非地质体内部的微观属性,同时体视化技术尚不成熟,因此经过大量探索研究,提出了面向水利水电工程三维地质建模的以非均匀有理B样条(non-uniformrationalB-spline,NURBS)结构为主、结合不规则三角网(triangulatedirregularnetwork,TIN)模型和边界表示(boundaryrepresentation,BRep)结构的3种面表示的混合数据结构.NURBS技术是STEP标准(ISO,1991)中自由型曲线曲面的唯一表示方法,对标准的解析图形和自由型曲线曲面提供了统一的数学描述;针对复杂地质体形态的无规律性变化,进行地质曲面NURBS几何建模,具有节省存储空间、计算机处理简便易行、数据库管理方便并可以保证空间唯一性和几何不变性等优点,应用价值很高.TIN模型精度高但占用存储空间大,作为构建三维数字地形NURBS简化模型的一种中间转换表达方式.BRep结构通过边界面来定义实体,为地质对象提供了一种有效的体描述方式,边界面可以是任何可定向的自由曲面;这里它用来组织NURBS曲面间的拓扑关系,构造复杂的地质体.由这三种表达方式构成的混合数据结构如图1,并设计了点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形、Mesh和BRep实体等7种基本几何元素的数据结构.该结构不仅能有效表达地质对象的几何形态和拓扑空间关系,而且便于将相关的地质属性信息与几何对象结合;模型精度高且数据存储量小,布尔运算速度快,能够满足水利水电工程地质三维建模与分析的需要.1.2基于地质结构单元的地质模型传统的地质单元划分通常将本身是一个整体的地质结构体剖分为诸多所定义的最小单元体的集合.一般情况下,基于此类地质单元的三维实体重构模型虽然能够满足精度要求,但往往不可避免地增加空间或时间的开销,对于水利水电工程区域大规模数据整体建模应用,必然影响地质分析速度,不能实时响应用户操作,无法得到满意的效果.因此,在混合数据结构的基础上,遵循客观地质规律,以各类单个地质结构整体作为相应的地质单元,提出通用的地质结构单元实体重构模型.NURBS地质结构面实际上是由各层面上的离散点和线数据构建而成的,而地质结构体又是基于不同结构面而组成的.假设重构模型空间研究区域为Ω,则基于地质结构单元的整体地质模型数学定义如下:式中MΩ表示研究区域Ω的整体Brep实体地质模型;n为Ω中包含的地质结构单元实体总数;Mci表示Ω中的第i个地质结构单元BRep实体模型;Si1和Si2分别是构成Mci的上、下(或左、右)主结构面,它们由其层面上的点集Pi1和Pi2通过NURBS技术拟合构造而成;∂Sij是结构曲面Sij上所有边界顶点的集合;Slik则表示连接Si1和Si2形成闭合实体Mci的第k个边界面,它是由边界顶点集合{vik}形成的简单NURBS曲面;mi为第i个单元中连接边界面的数目.图2给出了一个简单地质结构单元的实体模型,由空间分割原理可知,任何具有复杂几何形态的对象都可分解为有限个简单单元形状,通过(1)式重构地质模型,可以完整、快速及客观地描述复杂地质体的空间几何形态.2分类与建模对水手的影响2.1工程地质对象的分类在水利水电工程地质领域,所研究的地质空间对象包含大量复杂不规则的地表地形、地层、覆盖层、褶皱构造、断层、侵入体、层间层内错动带、节理以及深裂缝等.众多的地质信息使得地质体在人们眼中显得杂乱无章,难以对其获得清楚的理解与认识.基于面向对象技术采用分类的思想,将实际工程中可能遇到的地质对象的几何形态特征和属性特征进行认真分析,特征相似的对象可归为一个大类,形成相应的层次结构关系,从而有利于三维地质模型的构建.根据对各类工程地质对象的特征分析和相应建模方法的不同,水利水电工程地质对象分类结构如图3.2.2模型建立与简化(1)三维数字地形的NURBS简化建模:地表地形是地质形态中最直接最基本的部分,而数字地形模型(digitalterrainmodel,DTM)不仅是整个地质模型建立过程中所有运算操作的受体,同时也是其重要的组成部分,它必须满足存储量小、精确度高且易于图形操作运算的要求.这也一直是建立真正实用的三维地质模型的一个制约性问题.目前常采用规则格网和TIN模型来实现三维数字地形,但前者数据量虽小但精度较低,而后者精度虽高但数据量太大,两者均无法直接满足需要.因此引入NURBS技术构建DTM,但由于实测的原始等高线往往不能很好地描述悬崖、沟壑,出现不连续的现象,难以直接用来建立NURBS-DTM,而TIN模型能够很好地表示这些特殊复杂地形的造型,我们提出了基于TIN模型的NURBS简化建模算法,该算法可描述如下:(ⅰ)处理等高线.若等高线密度太稀或太密,则进行插值加密或稀疏.(ⅱ)生成TIN模型.基于整理好的等高线,在GIS环境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三维DTM,并消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺乏所造成的细小、狭长三角形,获得高精度的TIN模型.(ⅲ)数据转换.将所产生的TIN模型从GIS环境中转化到所开发的NURBS处理系统中形成多边形mesh曲面,并保证三角形没有丢失或产生变化.(ⅳ)获取控制点.在NURBS系统中从mesh曲面按u或v方向等间距(根据所需精度可取任意值)提取足够多的分布均匀且连续的轮廓线,并进行离散化处理,反算得到相应的控制信息点数据.(ⅴ)拟合NURBS地形曲面.根据NURBS算法所设计的函数FitSurface(U-spans,V-spans和Stiffness)重新拟合生成地形控制曲面,其参数分别表示u和v方向网格数和曲面柔韧度(一般取0.01,该值越大曲面越平直).(ⅵ)获得NURBS地形轮廓体.按照研究区域将上述NURBS曲面进行范围界定并裁剪,获得简化的NURBS地形模型;进一步利用计算机图形学的布尔操作运算,获得整个区域的地形轮廓体模型.该建模方法思路清晰简单,较复杂的图形和数学运算封装在底层,处理速度快,实用性强.实践表明,所得到的NURBS-DTM存储量较之TIN模型降低了一个数量级,而模型精度仍在国家测绘局一级标准范围内,不仅可进行各种可视化地形分析,更为三维地质建模提供了可行的基础.(2)地层类地质结构建模:地层类对象主要包括地层、覆盖层和层间错动带三类地质结构,下面将主要以地层为主来说明该类地质对象的几何建模方法.对于单个连续的成层地层面,根据(1)式可知,区域内单个连续的地层结构体是由上、下两个地层面和周边4个边界面闭合而成.实际上,我们可以对已建立的区域地形轮廓体和上、下两个地层结构面进行布尔切割运算,更精确简便地获得对应的地层体.对于多个成层构造地层,其接触关系有整合接触、平行不整合接触和角度不整合接触3种,而从空间几何角度而言,在相互邻接的地层之间一般存在4种空间关系(图4):包含、覆盖、相交和多层相交.若这些相互关联的地层面分别利用各自的地质数据进行构建,它们的结合面将难以精确地匹配到一起.这里提出一种简便的裁剪-叠加方法来缝合邻接地层间的结构面.以图4中T1和T2地层的包含关系为例,该方法实现过程如下(图5):(ⅰ)根据各自的地质数据分别建立地层T1和T2的上部NURBS结构面S1和S2,如图5(a);(ⅱ)计算曲面S1和S2的相交线l1和l2,如图5(b);(ⅲ)以曲线l1和l2为边界对曲面S2进行裁剪,从而得到两地层T1和T2间的结合面S3,如图5(c).这样,所获得的曲面即可成为地层T1的下底面,然后与地层T2进行叠加,两者即可很好地缝合在一起;其他邻接关系的地层可采用类似的方法进行处理.对于褶皱构造地层,可分为两种情况:一是对于不含多值面的褶皱地层,其建模方法同上;二是对于含有多值面的褶皱地层,即平面上一点p(x,y),在地层的上、下界面对应的z值不唯一,如倒转褶皱,此时地层界面的模拟构造不能再笼统地将离散点和剖面线数据进行插值拟合,而只能通过轮廓线来形成,具体算法步骤如下:(ⅰ)汇总褶皱地层界面上的钻孔点和剖面线(包括横、纵剖面和平切面等)数据,如图6(a),分析褶皱要素产状及其几何形态特征.(ⅱ)以剖面线为基础构造反映褶皱空间特征的轮廓线.为了不丢失信息,根据褶皱的要素产状,尽量选取有特征的钻孔点,如枢纽点和转折端部位点等,结合剖面线趋势插入新的典型轮廓线,如图6(b).(ⅲ)加入边界约束条件,利用NURBS曲面技术,根据已形成的轮廓线集合拟合形成相应的褶皱光滑曲面,如图6(c).(ⅳ)同理可形成该褶皱的另一界面,进而运用BRep结构构建出褶皱地层实体模型,如图6(d).(3)断层类地质对象建模:断层类对象主要包括断层、侵入体、深裂缝和层内错动带4类地质结构.断层处理是三维地质建模的难点之一,目前仍处于探索阶段.断层建模的主要问题在于连接剖面之间断层轨迹线的多解性,以及缺乏对断层变形和对其进行三维外推的丰富信息;而在水利水电工程地质构造复杂的区域,众多的断层互相交错发育,在地质岩体内形成了极其复杂的断层网络.因此,除了精确构造单个断层外,还要从整个断层网络系统出发,正确处理好多个断层相交的错动问题,下面将主要对两个以上的交错断层三维建模进行阐述.对于两相交断层(或单个断层错断地层),首先引入以下两个约束条件:(ⅰ)边界约束(OnTsurf约束),即相应于主断层的上升盘与下降盘的被错断层边界任何时刻都应该位于该主断层上;(ⅱ)矢量连接约束(VecLink约束),即被错断层由错动引起的位移可通过在主断层的上升盘和下降盘之间设置位移向量λ来实现.针对图7中的两种不同情况,分别提出不同的方法进行构造建模:(ⅰ)直接错断法,适用于图7(a)中被错断层错动位移较小(一般|λ|<1.0m)的情况,F1错断F2,F1是一个完整体,而F2被分成两个微小错距的不连续部分.首先对断层F1进行单元实体建模;然后对断层F2直接按错动方式将其两部分连接起来,进行NURBS整体建模;最后通过布尔运算,利用F1体切割F2体,这样构造出的交错模型不仅能够满足精度要求,同时还直接满足了上述两个约束条件.(ⅱ)分盘匹配法,适用于图7(b)中被错断层错动位移较大(一般|λ|≥1.0m)的情况,图中F3错动F4,F3是一个完整体,F4则被F3切割为相对位移较大的不连续两部分.此时,若仍把F4连接为一个整体进行构建,则在转折处易产生较大的突变,F4和F3在交错处难以精确吻合,误差较大.因此考虑把位于F3上升盘和下降盘的F4不连续两部分分别进行构造建模,这样能够满足VecLink约束;在构建过程中,调整F4两部分与F3相交处的边界,使其边界线均位于F3断层体上,以满足OnTsurf约束.对于断裂构造极其发育的工程区域,众多的断层相互交错形成复杂的断层网络,如图8(a)实例,共包含7条存在相互关系的断层.对此我们提出了面向历史构造的复杂断层网络建模方法,主要实现过程:根据断层网络中各个断层的产状、构造特征和错动关系分析各自的历史形成过程,建立其活动结点(activityonvertex,AOV)网络模型(如图8(b)),利用拓扑排序算法并结合断层构造分析,对它们发育构造形成的先后关系进行排序,得到该模型的拓扑序列,即断层形成的先后顺序为F304→F45→F48→F31→F49→F33→F47,然后依序根据其错断位移大小,在两相交断层构造的基础上实现复杂断层网络的三维建模,最后得到的该断层网络整体三维模型如图8(c),相应高程的模型平切图如图8(d).该方法面向历史过程充分考虑了断层的构造形成和相互交错情况,重构模型不仅精确揭示了区域内断层在地质岩体中的空间展布,而且真实地再现了历史形成条件下的断层空间拓扑关系.(4)界限类地质对象建模:界限类对象主要包括人为划分的强、弱、微不同等级的风化、卸荷界限以及地下水位分界面等.由于风化卸荷作用外动力对岩体的影响是一个随机动态的过程,且需要地质人员去辨识分析,该类对象建模的难点在基础数据难于获得,分布不连续,不同级别的风化、卸荷界限会发生交叉现象.对此,针对不同区域数量与质量参差不齐的采样数据,提出不同的处理方法.(ⅰ)对于采样数据充足且精度较高的区域如坝区,数据汇总后直接拟合获得相应的NURBS界限面.(ⅱ)对于采样数据不足的区域,首先利用地形相似法,依据原始数据自身趋势并结合其垂向地形形态进行推断延伸;然后组合所有数据,将该区域界限作为一个连续的整体来构建NURBS曲面;最后将该曲面与相关地形、地层整合于一起进行分析、调整和裁剪,由于调整NURBS曲面上的控制点并不影响其他区域,易于调整不合理之处,而对于不存在风化或卸荷的区域,则进行裁剪处理.这样,基于有限的采样数据可以获得误差相对较小的界限面,且符合其分布不连续的特点.(5)人工对象建模:在水利水电工程建设及地质勘探中,所包含的人工对象有大坝、建基面、地下工程(包括地下厂房系统、导流洞等)等与地质条件密切相关的水工建筑物以及钻孔、平硐等相关勘探对象.为了能够与地质对象进行布尔操作运算,所有人工对象亦均采用NURBS技术建模,具有精度高且数据量小的优点.相对于上述地质对象,人工对象的几何建模相对简单,本文不再赘述;而且若已有CAD或其他常用数据格式的三维模型,则可直接利用其三维参数进行NURBS建模,效率极高.3利用三维单元模型构建节水水电工程地质3.1地质几何模型在水利水电工程建设中,工程建筑与地质环境是相互作用、相互制约的,应将两者作为一个统一的系统来分析研究,因此我们提出建立水利水电工程地质三维统一模型,为分析工程地质问题提供新的手段.基于上述地质对象和人工对象分类建立的几何模型,系统考虑各部分对象之间的空间关系,采用三维几何对象的任意布尔切割算法,完整地构建研究区域内工程地质的三维统一几何模型,其主要过程如下:(1)建立地层几何模型:在三维地质模型中,地层结构体属于定义局限对象,在模型中处于主体地位,在地质历史过程中是早期形成的,是各种地质构造的作用对象,因此首先需要集合各个岩层单元实体T={T1,T2,T3,…,Tn}(n表示岩层数),形成相应的三维地层几何模型.(2)建立地质几何模型:由于地质体结构空间的不连续性、不均匀性和不确定性,实际地质内部的结构关系非常复杂,不仅包括以岩性为要素的不同地层,还包括对地层形成破坏的断层、岩脉侵入体、错动带、深裂缝等软弱结构.以第(1)步建立起来的三维地层几何模型为对象,利用已建立的地质构造结构单元实体集合S={F1,F2,…,Fm1}∪{D1,D2,…,Dm2}∪{B1,B2,…,Bm3}∪{C1,C2,…,Cm4}∪…(m1,m2,m3和m4分别表示断层数、岩脉数、错动带数和深裂缝数),对S中的每个元素和集合T进行体与体间的布尔差运算,并将集合S与被破坏的地层结构体按相应的空间位置关系正确地组合起来.这样就由各类地质结构体及其拓扑关系建立了能客观真实地反映工程区域内地质条件情况的三维地质几何模型.(3)构建统一的工程地质模型:地质实体是水利水电工程建设的基本载体,以三维地质几何模型为对象,利用工程建筑物模型对地质模型进行操作运算,既有面与体之间的切割运算,如大坝建基面开挖对地表地质体的剖切;也有体与体之间的布尔差运算,如地下洞室群、钻孔、平硐等对内部地质体的挖除.经过一系列的图形运算,最后建立起统一的三维工程地质模型.该模型能够同时反映地质信息和在真实地质条件下工程建筑物未来的建设状况,为水利水电工程设计与施工优化提供有效的帮助.3.2模型的几何性检查与反馈检查建立精确、有效的工程地质三维统一模型是所有研究和使用人员的共识,模型的精度与可靠性必然是人们关注的焦点,这也是模型能否真正应用于工程实践的关键,因此对模型的可靠性检查与检验便是三维建模工作中极其重要的一环.实际上,可靠性分析贯穿于整个模型建立过程的始终,无论在建模初期或中间阶段,还是在模型建立之后,都应进行相关的检查与检验.结合工程实际,主要从以下4个方面进行模型的可靠性分析:(ⅰ)模型对象的几何性检查,即检查构造过程中地质对象在几何结构及拓扑关系上是否正确.分别需要检查线的连续性、面的连续性和拓扑性、体的封闭性和相关拓扑结构的合理性,若发现错误,则需进行修正或者重新构造.(ⅱ)地质结构合理性的检查,即检查或验证所拟合的地质结构面或体的整体趋势是否合理.可利用地质平面图、横纵剖面图、平切图以及地质趋势面分析同时进行对比检查,从三维模型能快速获得已知位置的二维剖面图,与原有CAD剖面进行对比验证,来检查不同地层间、断层间以及断层与地层间的交切情况,和断层两侧地层形态的一致性等,若误差较大则需进行确认修改.(ⅲ)原始数据的精度检验,即验证原始数据(钻孔、平硐等)是否被保留,所形成的面是否与原始数据点相一致.检验要求地质结构面在钻孔和平硐勘探位置与实际所测得的坐标点及其岩性分层能够吻合,达到一定的误差要求.一般选取大部分钻孔、平硐数据作为地质构造建模的原始样本集,而留下5~6组作为检验样本集进行精度检验.(ⅳ)模型的反馈检查与检验,即利用后期获得的勘探资料对重构模型的局部进行有效的检查与检验.信息反馈和相应的误差检测分析机制是减少数据误差、提高模型精度的有效方法,在数据更新反馈时实现对模型的交互式实时检查,对已完成的地质解译和模型重构工作进行检验,获得更为精确、真实、有效的三维地质模型,为后续的勘探、设计和施工提供有力的地质依据.3.3表面纹理表达及其应用为了更真实清楚地表达不同地质结构间的物理特征和视觉差别,采用表面纹理和颜色来渲染各种地质对象.岩体表面纹理的描绘没有必要过于细致,采用扰动函数法来模拟,通过扰动物体表面法线方向来模拟表面凹凸纹理的真实感效果,满足感官的观察需要.该方法对原表面上的法线方向附加一个扰动函数P(u,v),此函数使得原来法线方向的光滑、缓慢的变化方式变得剧烈而短促,通过光照形成了表面凹凸粗糙的显示效果,不同的扰动函数控制生成不同的纹理.根据该算法,结合地质制图标准,依据实际的岩性描述和岩石照片,形成一套新的三维图例库,可对各岩层体、岩脉等进行表面纹理描绘,而其他结构体如断层、软弱岩带、地下水位线、风化卸荷带等则用标准颜色醒目地显示,获得逼真且特征鲜明的效果.经过上述对模型的修改和完善工作,最终的三维统一模型得以构建起来,