三维地质建模及其工程应用

图 2 三维地质建模体视化过程 Fig .2 The process of Volume Visulization in
3D Geoscience Modeling
3.2 切片级重建的体视化方法 该方法又称地质交互式解译法[ 4] , 它是根据地质
钻孔和地震勘探剖面等资料 , 交互式解译形成地质剖 面图 , 再以剖面图为基础 , 采用人工定义和计算机内插 计算的方式 , 连接各剖面来重构这些剖面的曲面 , 从而 形成三维地质模型 。 切片级重建输入的是一组平行平 面 , 要实现重建必须解决轮廓对应 、拼接 、分叉 、曲面拟 合等问题 。 目前 , 构建剖面曲面的方法有最近邻优先 法[ 5] 、线性 Coons 曲面法[ 6] 、交互式手工编辑法等 。 事 实上 , 单独使用一种方法 , 往往难以适应地质对象的复
(1)32 个钻孔综合柱状图包括 :孔号 、钻孔世界坐 标(N , E)、孔口高程 、孔深 、倾角(竖直为 90°)以及分层 描述等 。
(2)钻孔平面布置图 。 (3)有关工程地质剖面图 。
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其中 ①为三维建模的主要数据 , 需要建立数据库 , 缺之不可 ;②③为辅助数据 , 提供参考 。 4.3 切片级重建过程
该区位于下扬子板块前陆冲断区宁镇断带 , 构造 运动多次迭加 , 断裂构造和裂隙发育 , 岩浆沿古老构造 分期多相侵入 。 区域构造断裂按性质分为 4 组(见图 3):近东西向的夹江断裂 F1 , 北西向的世业洲断裂 F2 , 北东东向的 F3 、F4 断裂 , 北东向的 F5 断裂 。 其中 , F2 、 F5 影响较大 , 尤其是经过锚区的 F5 断裂 。 这次三维 地质分析的重点就是要摸清 F5 的空间展布特征 。
3D geoscience modeling and its engineering appication
FANG Hai-dong1 , LIU Yi-huai2 , SHI Bin1 , WU Zhen-jun1 , WANG Bao-jun1
(1.Advanced Computational Engineering Institute for Earth Environment of Nanjing University , Nanjing 210093 , China ; 2.Jiangsu Institute for Traffic Planning and Design , Nanjing 210005, China)
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三维地质建模及其工程应用
方海东1 , 刘义怀2 , 施 斌3 , 吴振君1 , 王宝军1 (1.南京大学地球环境计算工程研究所 , 南京 210093 ;2.江苏省交通规划设计院 , 南京 210005)
摘要 :本文从三维地质建模的概念出发 , 探讨了其一般过 程 , 包 括地质 变量预 测 、地 质特征 解译 、空间分 析等 , 并介绍 了 三维 地质建模的体视化方法 , 最后以润扬长江公路大桥工 程为例 , 运用切片级重建方法 , 建立地质模型 , 并 进行了三维 地 质分析 。 实践表明 , 三维地质建模技术是认识复杂地质体 的空间关系和特征的强有力的工具 , 具有广阔的应用前 景 。 关键词 :三维地质建模 ;地质变量 ;地质特征 ;空间分析 ;体视化 中图分类号 :P642 文献标识码 :A 文章编 号 :1000-3665(2002)03-0052-03
3 切片级重建的体视化方法
3.1Leabharlann Baidu 体视化简介 体视化(Volume Visulization)技术是在吸收计算图
形学 、图象处理和计算机视觉等相关学科知识基础上 发展起来的 一门研究体数据(Volume Data)的 交叉学 科[ 3] 。体数据则 是以矢量为基础 , 代表 复杂 、不规则 3D 物体并与指定特征值相关的数据结构形式[ 2] 。 体 视化技术与传统计算图形学有很大的不同 , 后者以面 和边等边界来表示物体 , 不包含内部信息 , 而前者则是 以三维体素来描述物体 , 包含物体内外的全 部信息 。 如前面所述 , 三维地质建模的最终目的是预测地质变 量和地质特征的空间变化 , 因此 , 需要建立相关的地质 模型 , 而建立地质模型又离不开体视化这一关键的环 节(图 2)。
(2)揭示了岩脉的空间分布 本区岩脉穿插剧烈 , 且形态各异 , 分布规律难以掌握 。 而从三维模型上 , 可 以清晰的看到岩脉主要集中在锚碇的北端和 NNE 段 , 且被断层带锚动 。
图 5 体数据生成 Fig .5 The creating of volume data
图 6 基岩的空间展布 Fig .6 The spatial distribution of bedrock
左右 , 向深部呈陡立趋势 , 达 80°。 根据其错动岩脉及 地层的情况可以分析得出 , 其 NW 盘向 NNE 俯冲 , SE 盘向 SSW 仰冲 , 应为一右旋平移逆断层 。
杂性 , 通常将两种或多种方法结合使用以提高其适应 能力 , 如最近邻优先法结合交互式手工编辑法等 , 详见 后面的实例分析 。
4 实例
应用三维地质建模技术 , 以 Kirhham Geosystems 公 司研发的 MicroLynx 三维分析软件为工具 , 我们对润扬 长江公路大桥南汊悬索桥的北锚碇地基进行了三维地 质分析 , 以查明该锚碇下各地质单元的空间展布及其 相互关系 , 为勘察 、设计和施工提供依据 。 4.1 工程地质概况
作对象的特点所使用的方法也不尽相同 。为了不失一 般性 , 本文只探讨三维地质建模的一般过程(图 1)。
地质特征 解译 特征描述
现场调查 资料提取
地质控制
地质变量 预测 变量描述
构造和地 层学
空间分析
空间变化
图 1 三维地质建模的一般过程 Fig.1 The general process of 3D Geoscience Modeling
1 引言
所谓三维地质建模(3D Geoscience Modeling), 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[ 1] 。这一概念最早是由加拿大 Simon W .Houlding 于 1993 年提出的 。这方面的研究在国外开展得较早 , 到目 前 , 已经形成了相当的规模 , 像 Maptek 公司的 Vulcan , Gemcom Software International 公 司 的 Gemcom , Kirkham Geosystems 公司的 MicroLynx 等等 , 而国内在这方面的研 究进行得较晚 , 很多工作才刚刚起步 , 亟待发展 。
①由于算法的局限 , 该软件完成此环节时 , 采用最 近邻优先法线性插值 , 有时不能满足复杂的地质要求 , 需根据实际情况进行交互式编辑修改 ;②构建后的模 型不允许有空隙 , 即未定义空间 。 4.4 空间分析预测
通过较为复杂的三维地质建模过程 , 得到了北锚 碇下地质体的三维地质模型 。 从模型上 , 可以直观的 看到各个地质单元的空间展布及其相互关系 , 既验证 了已做的勘察工作 , 又为后续的勘察 、设计乃至施工工 作提供了强有力的依据 。 具体表现为以下几个方面 :
(1)揭示了断层带的空间展布和特征 如图 6 所 示 , 断层带的走向为 NE , 25°近直线伸展 , 上部倾角 70°
图 4 剖面线的选取 Fig .4 Selection of the sections 该环节需注意 : ①剖面线应尽量相互平行 ;②剖面线应尽可能多 , 以提高建模的精度 ;③剖面线应尽量经过较多的钻孔 , 以减少钻孔到视面(viewplane)的投影误差 ;④剖面线 的方位应尽可能与主要地质构造垂直 , 以更好的反映 其空间展布 。 体数据生成 将剖面 线经过的钻孔 作为背景信 息 , 根据钻孔所反映的地质分层情况 , 构建地质边界等 前景信息 , 从而生成体数据(如图 5 所示)。
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统计预 测 、反 向 距离 插值 、直接 体 预测 和 条 件模 拟 等[ 2] 。 2.2 地质特征解译
对地质特征的解译 , 一般包括条件化和离散化两 个方面 , 即是以岩性或岩土类型等控制特征为条件 , 将 地质信息进行离散化 , 从而确定地质边界和相关特征 描述 。
2 三维地质建模的一般过程
三维地质建模的方法很多 , 每个部门根据自身工
收稿日期 :2001-07-05 ;修订日期 :2001-10-23 基金项目 :教育部 青年骨 干教 师资 助项 目和 回国 人员 基金 资 助项目 作者简介 :方海东(1977-), 男 , 硕士生 , 主要从事 GIS、CAD 等 在 环境岩土工程中的应用方面的研究 。
Abstract :The paper discusses the general process of 3D Deoscience Modeling from its concept, including prediction of geological variables, interpretation of geological characteristics and spatial analysis etc.and it introduces the method of Volume Visulization in 3D Geoscience Modeling .Then a project example of Runy ang Changjiang River Road Bridge is given to explain this modeling process.The practice shows that 3D Geoscience Modeling technique is a powerful tool to analyse complex geological objects and has a wide applied perspective . Key words:3D geoscience modeling ;geological variables;geological charaterstics;spatial analysis ;volume visualization;volume Data
图 3 区域地质构造图 Fig .3 Regional map of gedogical structure
锚区上覆 第四系总厚为 45.5 ～ 49.2m , 岩性自上 而下分别为灰色亚粘土 、淤泥质亚粘土 、亚粘土和薄层 粉砂互层 、夹薄层亚粘土的粉细砂 、含砾中粗砂 、含砾 中细砂和粉细砂 。 下伏基岩为燕山期侵入岩 , 其顶板 标高为 -41.89 ～ -45.49m , 主要是花岗闪长岩 , 按风 化程度可分为强 、弱 、微三个等级 , 为主要持力层 。 4.2 数据来源
采样数据录入 主要是钻孔资料的建库工作 , 可 以在 Microsoft Access 中完成 。
剖面线选取 根据钻孔的平面分布 , 选取一组剖 面线(如图 4)。
地质模型构建 运用计算机的内插算法 , 将不同 剖面间的相同地质单元的界线连接 , 从而构成三维模 型 。 但需注意以下 2 点 :
2.1 地质变量预测 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 。 常用的预测技术有 :地学