復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建

王玉山

（內(nèi)蒙古赤峰地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005）

當(dāng)遇到模擬復(fù)雜地質(zhì)體的工具較為缺乏時(shí)，用戶在對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體進(jìn)行構(gòu)建的過程中，就必須對(duì)其進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，否者就會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)出來(lái)的模型不符合地質(zhì)體的實(shí)際情況。使計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也不可避免地受到了很大的影響。如今在國(guó)外，新型的可視化軟件以及三維見建模的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品正在不斷的被開發(fā)出來(lái)，這些產(chǎn)品與技術(shù)在石油以及煤礦的開采等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)，三維地質(zhì)可視化技術(shù)雖然發(fā)展不到二十年，但也發(fā)展得十分迅速，已經(jīng)開發(fā)了多種軟件，一些常見的有北京理正研究院研究的三維地質(zhì)建模軟件等。這些軟件在對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行模擬的過程中，具有一定的優(yōu)越性。它可以對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體在三維建模過程中出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行有效的解決，并且在水利、采礦、地質(zhì)等巖土領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，給很多工程的施工帶來(lái)了極大的便利。

1 Surpac復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型

關(guān)于 Surpac 復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型有兩種不同的方式，分別是線框模型和塊體模型。所謂的線框模型就是指實(shí)體表面形態(tài)的表現(xiàn)方法，線框模型不僅可以用來(lái)對(duì)巖層層位面、地形等封閉相對(duì)較弱的實(shí)體進(jìn)行表現(xiàn)，而且它還可以對(duì)不同的巖性區(qū)域以及礦體等封閉較好的實(shí)體進(jìn)行表現(xiàn)。一般情況下，線框模型都是采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）來(lái)對(duì)地質(zhì)實(shí)體的表面形態(tài)來(lái)進(jìn)行表現(xiàn)的（模擬情況與實(shí)際情況無(wú)限接近），生成的TIN 的方法通常是利用Delaunay 三角形連法來(lái)完成的，這種連接的原理就是：通過隨機(jī)分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成三角形，同時(shí)每一個(gè)三角形的外接圓未覆蓋除構(gòu)成該三角形3個(gè)頂點(diǎn)之外的其他任意點(diǎn)，具體參照?qǐng)D1.

圖1 Delaunay 三角形連法

塊體模型則是利用八叉樹狀的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)三維地質(zhì)體的模擬空間分布進(jìn)行表現(xiàn)的，其表現(xiàn)的基本思想就是在模擬的幾何空間中，將地質(zhì)體的實(shí)際分布按照相應(yīng)的尺寸將其劃分為多個(gè)單元快，最后再對(duì)這些單元快進(jìn)行賦值。在模型的選擇方面要慎重。我們可以根據(jù)線框模型的特點(diǎn)，將巖體的空間邊界、幾何形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)完整地描述，并對(duì)節(jié)理、斷層、空區(qū)、礦體、巖層、地表三維結(jié)構(gòu)等進(jìn)行準(zhǔn)確地表達(dá)。塊體模型基于線框模型，對(duì)其內(nèi)部應(yīng)用規(guī)則六面體進(jìn)行解剖，要能夠做到逐層分級(jí)，對(duì)模型邊界的相關(guān)問題進(jìn)行完善，在對(duì)模型進(jìn)行剖分時(shí)，各個(gè)單元的類型只能是六面體，且它們之間的大小也必須是倍數(shù)關(guān)系，這就導(dǎo)致了網(wǎng)格不能進(jìn)行單元漸變，使得線框模型與塊體模型之間的邊界不能完全重合，這就在一定程度上降低了模型的精度。由此可見，兩種模型相比，線框模型的效果相對(duì)好一點(diǎn)，GTS 復(fù)雜地質(zhì)體模型如果有效利用Surpac 三維復(fù)雜地質(zhì)線框模型，這樣做不僅能在軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前就將其操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，而且還能在一定程度上提高該模型的精確度。

2 MIDAS／GTS復(fù)雜地質(zhì)體的數(shù)值模型

過去的數(shù)值計(jì)算模型很難正確表現(xiàn)出線框模型的實(shí)際形態(tài)，一般都被簡(jiǎn)化為了規(guī)則平面來(lái)代替，這樣的處理方法會(huì)造成線框模型與地質(zhì)體實(shí)際形態(tài)不相符。

2.1 表面模型的構(gòu)建

一般用來(lái)虛擬地形和表面的就是表面模型，它都包含了很多離散的、空間分布不勻的散點(diǎn)，將這些散點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)接，就可以組成一個(gè)三角網(wǎng)。在Surpac 中建立的地表、巖層和斷層模型都屬于表面模型。一般表面模型都是由許多等密線連接點(diǎn)間三角網(wǎng)組成，線的密集程度可以直接反映出表面模型的精確度，例如在地表模型的建立時(shí)，等高線的間距越小，所建的模型就越精確，而同時(shí)所占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存也相對(duì)很大。為了成功將表面模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換為GTS 數(shù)值模型，可以通過研究Surpac 與GTS對(duì)表面模型的各自表達(dá)特點(diǎn)，現(xiàn)在就用地表模型作為例子，說明幾種方法：1.在GTS 強(qiáng)地形生成器的幫助下，直接讀取三維DXF 線文件，鎖定建模范圍以及精度，從而生成不規(guī)則的復(fù)雜地表模型；2.對(duì)TGM 建立的地表模型直接讀取，用坐標(biāo)平移或者轉(zhuǎn)換等形式生成GTS 地表模型，如圖2 所示。

圖2 GTS 三維地表模型

2.2 實(shí)體模型的構(gòu)建

由于表面模型一般僅能夠表現(xiàn)開放物體的外部信息，而對(duì)于封閉物體全部形態(tài)的表現(xiàn)，就需要運(yùn)用實(shí)體模型，例如礦體、采空區(qū)和巷道模型等。實(shí)體模型的建立相對(duì)表面模型顯得更加復(fù)雜。以采空區(qū)為例，實(shí)體模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換為 GTS數(shù)值模型的方式有以下幾種：1.對(duì)采空區(qū)數(shù)據(jù)后的處理進(jìn)行實(shí)測(cè)，并在Surpac 中建立實(shí)測(cè)的采空區(qū)實(shí)體模型，如圖3所示；2.對(duì)剖面線進(jìn)行編輯，輸出后成為三維DXF 線文件；3.通過GTS 接口程序讀取三維DXF 線文件，并將坐標(biāo)平移或轉(zhuǎn)換，最終使得采空區(qū)模型的實(shí)測(cè)在軟件中再現(xiàn)。

圖3 Snrpac 線框模塑

3 結(jié)束語(yǔ)

由于復(fù)雜地質(zhì)體的三維數(shù)值模擬是一種十分復(fù)雜，并有不少影響因素的技術(shù)，所以我們應(yīng)基于線框模型和塊體模型的對(duì)比，將第一次提出的Surpac 線框模型在復(fù)雜礦區(qū)地質(zhì)體三維模型的建立加以利用，就能將無(wú)縫轉(zhuǎn)化為GTS 數(shù)值計(jì)算模型，這樣可以使數(shù)值模擬軟件前處理得到簡(jiǎn)化，模擬計(jì)算精度也大為提高。還有，要注意表面模型和實(shí)體模型的特點(diǎn)各不相同，應(yīng)充分研究怎樣將其分別轉(zhuǎn)化為數(shù)值計(jì)算模型的方法，再將Surpac 和GTS 各自的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，就能為采礦、水利等巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬分析方法帶來(lái)極大的便利，創(chuàng)造更多的利益空間。

[1]劉曉明,羅周全,楊彪等.復(fù)雜礦區(qū)三維地質(zhì)可視化及數(shù)值模型構(gòu)建[J].巖土力學(xué),2010,31（12）：4006-4010,4015.