三维地层模型的意义及方法分析论文

　　摘要：关于《三维地层模型的意义及方法分析》的岩土工程论文资料下载：本文主要研究了基于工程钻孔数据的三维地层可视化，提出了基于钻孔数据三维地层建模的总体思路及其实现步骤，其次介绍了模型可视化的实现，介绍了基于钻孔数据三维地层可视软件的实现过程。采用VC++平台、OpenFlightAPI与Vega PrimeAPI实现了基于钻孔数据的三维地质模型的自动构建,建立的三维地层模型为地质勘察决策提供有力的辅助工具。
　　关键词：钻孔数据；地层；三维地质建模；OpenFlight；API
　　引言：
　　离散分布的钻孔信息是工程勘察获得地层信息的最直接来源。传统的工程勘察成果是以二维图(钻孔柱状图、工程地质剖面图)的方式来表达地层信息空间分布，越来越不能满足人们对地层认识和空间分析的需求。三维地层模型能够完整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，形象生动地展示空间分布效果，更可根据用户需要对其进行全方位、动态的分析,从任意角度、实时互动地观察地质模型。本文结合三维地质建模技术，通过地质勘察钻孔资料，实现三维地质结构模型的实时动态构建。突破了用切片方法观察三维地质体内部结构的局限性，使其更好地掌握地质结构的形态及分布规律[1],为城市规划及岩土工程勘察等相关领域提供有力的决策依据。
　　1三维地质建模型
　　所谓三维地质建模(3D Geosciences Modeling)，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、几何形态、拓扑信息(地质对象间的关系)、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。三维地质建模能够最大限度的增强地质分析的直观性和准确性，使之做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，从而减少人类对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的风险性[2]。从三维地质建模的难点来看，对于复杂地质体的三维建模，其关键技术有：
　　（1）离散数据的插值与拟合[3]工程地质复杂地质体中的各种地质信息，包括地表地形、地下水位、地层界面、断层、侵入体及各种岩土体的物理力学参数或数据的等值面线等，都可以看作是三维空间中的函数，它们的拟合函数要根据实际勘测数据来建立。
　　（2）空间数据模型与三维数据结构的建立空间数据模型是建立地质空间数据库的理论基础。而地质数据库是整个可视化仿真系统的核心，它的好坏直接影响到整个系统的性能。空间数据结构是空间数据模型的具体实现，是对客观对象进行可视化表现的基础。地质体三维空间数据结构是工程地质三维建模和可视化的基础，这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构，能够确保人机交互和查询的实现。
　　（3）三维拓扑结构分析从地质学角度看，拓扑是地质对象的空间位置关系。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。评价地质模型系统的优缺点往往取决于描述地质对象所用的拓扑结构。
　　(4)可视化技术工程地质复杂地质体可视化，是利用计算机技术将工程勘测获得的数据，转换为形象直观的便于进行交互分析的地下地质结构空间形态的立体图和剖面图形，其基础是工程数据和测量数据的可视化。
　　2基于工程钻孔数据的三维地层可视化系统研究
　　2.1系统总体设计在上述研究基础上，本节着重介绍地层三维可视化系统原型的开发。该系统从工程管理的角度出发，对地质数据实行工程项目级的管理，通过地质数据自动生成地质体模型。在此基础上，用户可以根据实际地质体分布和地层性状来进行颜色、材质、纹理的设置。系统采用软件工程开发中的结构化和原型化相结合的方法，自顶而下进行功能解析与模块划分。
　　系统主要组成模块有：
　　1）地质数据录入模块该模块主要实现工程信息，标准地层信息、钻孔基本信息与钻孔分层信息的录入，实现对工程信息的编辑及钻孔数据的管理，包括数据组织、数据编辑与修改、岩性(土)归一化处理(对人为原因造成的同一岩性不同名称进行统一处理)及虚拟钻孔的编辑。同时该模块还提供了数据录入错误检验功能。
　　2）地质数据导入模块系统可将理正工程地质勘察软件导出的`钻孔文本数据导入到该系统，同时也可将理正数据库中的钻孔数据库导入，实现与理正的数据库接口。数据导出方面，系统可将工程地质钻孔数据导出为文本格式与标准XML格式，同时也可导为理正所接收的文本数据格式。此模块提供了方便的数据录入与数据导出功能，并提供了与理正工程地质勘察软件的数据接口，提高了系统数据的重用性。
　　3）地质数据查询编辑模块依据特定的查询条件实现对地质数据的编辑与修改、岩性(土)归一化处理(对人为原因造成的同一岩性不同名称进行统一处理)及虚拟钻孔的编辑。
　　4）数据库配置服务器配置模块为了提高系统的安全性，系统实现了应用程序与地层数据的分离，通过采用C／S模式将工程数据、地质钻孔数据存放在服务器端，应用程序则在客户端运行。
　　5）数据库备份恢复模块用户可以利用此模块方便及时的将整个数据库进行备份与还原。
　　6）地质数据建模模块该模块根据用户当前激活工程，检索数据库中该工程的相关地质钻孔数据生成不含纹理、材质、光照及颜色的地质体初始模型文件（.flt文件）。
　　7）模型动态编辑模块在漫游环境下实现对地质体模型的颜色、纹理与材质设置，从而使得模型更具真实感。
　　8）三维漫游模块对生成的地质体模型进行实时互动的三维漫游，并可实现三维与二维平面导航图的联动。
　　9）空间信息查询模块通过对三维地质模型、三维钻孔模型的拾取，进行地层信息、钻孔信息的相关查询。
　　2.2系统开发流程系统的开发流程如图2所示，利用钻孔数据采用基于TIN的多层DEM建模方法并结合OpenFlightAPI生成三维地层模型，利用SQL Server建立地质信息数据库，应用实时仿真软件Vega Prime集成并驱动三维模型，实现虚拟场景的实时漫游、信息查询等交互控制。
　　2.3三维地质体模型的动态构建三维地层及钻孔建模的实现如图3所示，模型的构建过程：通过查询地质钻孔信息SQL Server数据库，根据标准地层分层记录检索出含有该分层的所有钻孔分层高程并结合对应的钻孔平面坐标，从而提取出各层地层界面空间离散点数据。根据各层地层界面数据，通过基于TIN的多层DEM地质建模法构建出三维地层分层模型，同时根据研究区域边界钻孔构建各分层间的包裹面，并根据钻孔及钻孔分层数据构建钻孔三维模型。最后结合OpenFlight API将以上模型数据写入OpenFlight模型数据库文件（.flt文件）中，构建出最终的三维地层初始模型。同时系统通过OpenFlight API提供了用户对初始地层模型的颜色、材质、纹理和光照的自定义编辑功能。
　　2.4特殊地质结构的处理在上面构建地层界面及侧面包裹面的过程中还应充分考虑实际中相邻地层面间的交叉、尖灭与透镜体等地质结构，为精确地表达以上地质结构建立符合真实地质结构的地层模型，必须从建模算法及地层钻孔数据中寻求解决途径。
　　1）钻孔分层数据的插值由于钻孔类型的不同从而导致其采样深度的不同，在地层侧面包裹时，程序会自动处理为不合理的尖灭形成漏洞，因此必须对边界钻孔中的缺失地层的浅孔应用距离反比插值法进行插值处理。对于浅层钻孔可将其他完全地层的钻孔作为约束钻孔通过距离反比插值，估算出其不完全部分地层的厚度，从而可以构建出合理的地层侧面模型。
　　2）地层尖灭与透镜体的生成在构建地层界面及侧面包裹面时，由于地层中透镜体与尖灭现象的存在使得每个钻孔穿越的地层不尽相同，从而生成的地层界面就有可能出现不完全的现象，因此就应采用向上尖灭的方法，即将每个钻孔的分层由上至下与标准地层序列进行比较，当某层缺失时令该点的厚度为零，也就是使该点的高程与其上一层的高程一致。这样就可方便快速的构建出地层的尖灭现象与地层中透镜体。
　　3系统应用实例
　　根据本文建立的地层建模及可视化系统，笔者以天津某项目工程为例，利用工程地质勘察资料，最终生成了项目地质体三维模型。并实现了虚拟漫游与信息查询。通过实际工程的应用，不仅验证了理论方法的合理性和可行性，而且更进一步丰富基础理论的研究，使理论和实践得到了很好的结合。系统运行效果如图6所示。
　　4结语
　　本文着重研究了利用钻孔数据结合地质建模技术并利用OpenFlight API完成了地下地质体三维模型的构建。并以天津某项目为实例，充分利用工程地质勘察的数据资料，建立研究区的三维地质结构模型，取得了较好效果。由于地质现象的复杂性与理论研究的限制，目前还不能提供完善的基于单纯钻孔数据的断层面、褶皱体等复杂地质结构的建模，此方面尚需进一步研究，同时在构建三维地质模型的基础上，应逐步实现地下空间模型的三维分析功能，如地质体的剖切、不良地质体查询、地质体的挖切、工程土方开挖计算、地下空间量测等。
　　参考文献
　　[1]董春华,虚拟现实技术在三维地学模拟研究中的应用：[硕士学位论文]，天津；天津城市建设学院，2008
　　[2]朱良峰，潘信，吴信才,三维地质建模及可视化系统的设计与开发,岩土力学，2006，27(5)：828~832
　　[3]曾钱帮,刘大安,张菊明等，浅谈工程地质三维建模与可视化，西部探矿工程，2005，3(3)：72~74
　　[4]卜丽静，三维矿山地质建模与空间分析的研究：[硕士学位论文]，辽宁；辽宁工程技术大学，2006
　　[5]OpenFlight API User’Guide(Volume1,2),MultiGen-Paradigm.Inc.
　　[6]OpenFlight Scene Description Database Specification[Version 15.7.0].2000