工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模技術(shù)研究

朱良峰 ，李明江，孫建中

（1. 華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2. 華東師范大學(xué) 上海市城市化生態(tài)過(guò)程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

1 引 言

在大型工程建設(shè)項(xiàng)目的勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段，都需要盡可能多地掌握地下工程地質(zhì)環(huán)境的準(zhǔn)確信息，盡量精確地刻畫(huà)工程地質(zhì)體的幾何結(jié)構(gòu)特征以及地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)（包括物理、化學(xué)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等屬性特征）的變化規(guī)律[1－4]。傳統(tǒng)地使用二維紙質(zhì)地圖和數(shù)字化CAD 圖件來(lái)表達(dá)工程地質(zhì)信息的方式已很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要 求[5]，需要綜合應(yīng)用GIS、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、三維可視化和計(jì)算機(jī)圖形圖像等技術(shù)進(jìn)行工程地質(zhì)體的三維建模及可視化分析，以直觀、形象的三維可視化圖形圖像形式表達(dá)工程地質(zhì)空間中構(gòu)造單元的時(shí)空展布特征及其內(nèi)部屬性參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)信息從二維表達(dá)形式向三維甚至四維表達(dá)形式的升華，將以往僅僅蘊(yùn)涵于地質(zhì)工作者腦海中的工程地質(zhì)體直觀形象地展現(xiàn)在地質(zhì)工作者、規(guī)劃設(shè)計(jì)師、巖土工程師乃至非地質(zhì)專業(yè)的管理、決策人員面前。這不僅能使地質(zhì)工作者在研究過(guò)程中非常容易地表達(dá)、驗(yàn)證和修改自己建立的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，而且能夠在其基礎(chǔ)上進(jìn)行定量的可視化空間分析和專業(yè)應(yīng)用，最大限度地增強(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計(jì)與施工方案，減少人類對(duì)地質(zhì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的盲目性以及地下工程設(shè)計(jì)、施工面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)，為制定科學(xué)合理的地下空間開(kāi)發(fā)利用方案提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料和決策依據(jù)。

近20 年來(lái)，工程地質(zhì)三維模擬技術(shù)已引起地球科學(xué)界和實(shí)際工程界的廣泛關(guān)注，并成為具有國(guó)際前沿性質(zhì)的研究熱點(diǎn)[1－2]。在地質(zhì)工作者、計(jì)算機(jī)專家和GIS 研究人員的共同努力下，一系列用于精確刻畫(huà)地下工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的三維地質(zhì)建模及可視化分析技術(shù)相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用[1]，初步顯示了三維地質(zhì)模擬在工程地質(zhì)空間重構(gòu)、分析與表示、過(guò)程模擬等方面具有巨大的潛力和價(jià)值。然而，隨著地下空間勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，對(duì)工程地質(zhì)體的建模分析工作提出了更高的要求，早期的只建立簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造模型的三維地質(zhì)模擬技術(shù)，已無(wú)法滿足實(shí)際綜合地質(zhì)研究工作的需要[4－5]。實(shí)際工作中不僅需要準(zhǔn)確地描述工程地質(zhì)體的幾何形態(tài)，更需要準(zhǔn)確地描述地質(zhì)體內(nèi)部非均質(zhì)分布的物理、化學(xué)、水文、工程等屬性特征，甚至需要將兩者耦合起來(lái)進(jìn)行各種定量的空間分析和專業(yè)應(yīng)用。地下空間勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際應(yīng)用需求推動(dòng)了三維地質(zhì)建模及可視化分析技術(shù)的發(fā)展，使得建立實(shí)用、可靠的地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造和屬性參數(shù)特征耦合模型成為三維地質(zhì)模擬技術(shù)必然的發(fā)展方向。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

工程地質(zhì)三維模擬研究是一個(gè)集合了基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、巖土工程學(xué)、地球空間信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。近20 年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在工程地質(zhì)三維模擬方面的研究主要集中在三維地質(zhì)模擬的理論基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、實(shí)際工程應(yīng)用等3 個(gè)方面。

（1）在工程地質(zhì)三維模擬的理論基礎(chǔ)方面，主要是基于工程地質(zhì)空間認(rèn)知、劃分、映射、表達(dá)的要求，研究適合于三維地質(zhì)模擬的空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）在工程地質(zhì)三維模擬的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面，主要研究三維地質(zhì)模擬的體系結(jié)構(gòu)和三維地質(zhì)模型重構(gòu)的具體方法。一般將三維地質(zhì)模擬劃分為地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)實(shí)體建模、模型分析與應(yīng)用（包括屬性建模、空間分析、其他應(yīng)用等）3 個(gè)階段[6]。現(xiàn)有的三維地質(zhì)建模方法可分為2 類：一類是用于重構(gòu)地質(zhì)體空間幾何形態(tài)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法[7－10]；另一類是用于地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征三維重構(gòu)的地質(zhì)屬性建模方法，如：以空間插值為基礎(chǔ)的確定性屬性建模方法；以隨機(jī)模擬為基礎(chǔ)的不確定性屬性建模方法[4]。

（3）從實(shí)際應(yīng)用上來(lái)看，地質(zhì)體三維建模與可視化分析是工程界長(zhǎng)期的需求?；诘刭|(zhì)概念的工程地質(zhì)三維實(shí)體模型能夠定量地分析地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)形態(tài)及其屬性特征，為深入認(rèn)識(shí)工程地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過(guò)程提供新的手段和視野。在20 世紀(jì)90 年代中期，很多地質(zhì)專家和工程人員就認(rèn)同了三維地質(zhì)模擬的概念和作用，并開(kāi)展了一系列探索性的應(yīng)用研究工作。但現(xiàn)有的三維地質(zhì)模擬技術(shù)多是以對(duì)地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造的直觀描述和空間展示為主，主要應(yīng)用于地下地質(zhì)體的幾何表示、地質(zhì)屬性參數(shù)空間不均一性的可視化顯示、數(shù)值模擬模型的前處理和后處理等有限的幾個(gè)領(lǐng)域[3]，更深層次的定量分析應(yīng)用則很少，工程地質(zhì)三維模擬的潛力遠(yuǎn)未挖掘出來(lái)。

從總體上來(lái)看，工程地質(zhì)三維模擬的理論、方法和技術(shù)目前尚處于研究和應(yīng)用的初級(jí)階段，還有許多問(wèn)題有待于解決。按照現(xiàn)在的理論和技術(shù)水平，真正實(shí)現(xiàn)完全意義上的三維地質(zhì)模擬至少需要10～20 a 的時(shí)間。當(dāng)前亟需開(kāi)展研究的重要工作包括：研究并設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)面向地質(zhì)實(shí)體、勝任復(fù)雜環(huán)境下地質(zhì)模擬、具有真三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；研究三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型/屬性模型的統(tǒng)一構(gòu)模與融合分析技術(shù)；研發(fā)成熟的3D/4D 可視化定量空間分析工具；研究地質(zhì)數(shù)據(jù)和地質(zhì)模型不確定性的表示、地質(zhì)模型準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)等。

3 多場(chǎng)耦合構(gòu)模的基本概念

用地質(zhì)場(chǎng)的觀點(diǎn)[11－13]來(lái)分析，工程地質(zhì)三維模擬是對(duì)工程地質(zhì)場(chǎng)中的物質(zhì)、信息、特征進(jìn)行三維重構(gòu)、再現(xiàn)、分析的過(guò)程。工程地質(zhì)場(chǎng)由2 類相互關(guān)聯(lián)的場(chǎng)組成：一類是地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)，它是地質(zhì)體、不同地質(zhì)體的界面或地質(zhì)體組合的物理、化學(xué)、水文、工程等方面的特性在空間上的反映，它連續(xù)地分布在三維地質(zhì)空間中，沒(méi)有明確的邊界形態(tài)；另一類是地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)，它是地質(zhì)體、不同地質(zhì)體的界面或地質(zhì)體組合的幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)特征在空間上的反映，它具有相對(duì)明晰的邊界，控制數(shù)據(jù)呈離散狀分布。

在工程地質(zhì)空間，地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)不僅在空間位置上重合（具有套合關(guān)系），而且在成因及特性上相互關(guān)聯(lián)（具有耦合關(guān)系）。工程實(shí)踐中通常是根據(jù)地質(zhì)屬性參數(shù)特征來(lái)劃分地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)的控制界面（如地層之間的分界面）。但從另一角度來(lái)看，地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)的分布特征往往與地質(zhì)體的幾何形態(tài)、埋藏深度以及與其周圍地質(zhì)體的相對(duì)差異有關(guān)[13]，地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)不僅展現(xiàn)了地質(zhì)體的空間幾何分布特征，還控制了地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)的空間分布變化。因此，亦可在地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)的基礎(chǔ)上推斷、預(yù)測(cè)地質(zhì)屬性參數(shù)特征，實(shí)際工作中也常有這方面的應(yīng)用需求。厘清工程地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)的耦合關(guān)系，不僅具有理論意義，更重要地是在三維地質(zhì)模擬時(shí)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

在三維空間中，對(duì)地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行模擬重構(gòu)生成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)進(jìn)行模擬重構(gòu)生成三維地質(zhì)屬性模型。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于反映地質(zhì)體的空間位置、幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系，但難以表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部的屬性參數(shù)特征變化情況，一般是將同一地質(zhì)單元內(nèi)部的屬性參數(shù)特征假定為均一不變的。三維地質(zhì)屬性模型可以方便地表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征的非均一性，并易于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和綜合分析，但不含地質(zhì)體幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系方面的信息。

鑒于地質(zhì)空間中幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)的耦合關(guān)系，工程地質(zhì)體三維模擬的流程應(yīng)能準(zhǔn)確地反映“根據(jù)采樣的地質(zhì)屬性參數(shù)信息→界定地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)特征→預(yù)測(cè)地質(zhì)屬性參數(shù)空間展布規(guī)律→實(shí)際驗(yàn)證與應(yīng)用”這一實(shí)際工作過(guò)程，但現(xiàn)有的三維地質(zhì)建模流程和技術(shù)方法在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí)卻存在很大的不足，主要問(wèn)題涉及4 個(gè)方面：

（1）在三維空間數(shù)據(jù)模型方面缺乏實(shí)用高效、矢柵一體的混合數(shù)據(jù)模型。現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)模型在對(duì)工程地質(zhì)空間劃分、表達(dá)及分析時(shí)存在著或多或少的缺陷，難以完整、統(tǒng)一地描述地質(zhì)體的幾何結(jié)構(gòu)特征及其內(nèi)部屬性參數(shù)信息。

（2）在三維地質(zhì)模擬的過(guò)程中，目前一般采用“獨(dú)立構(gòu)?！被颉绊樞驑?gòu)?！钡姆椒▉?lái)重構(gòu)地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)?！蔼?dú)立構(gòu)模”是指完全不考慮地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)的相互關(guān)系，將其作為2 個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)場(chǎng)，分別單獨(dú)的構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)屬性模型?！绊樞驑?gòu)?！眲t考慮到地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)在空間位置上的重合關(guān)系，先構(gòu)建地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型，然后在此基礎(chǔ)上體素化，生成屬性參數(shù)場(chǎng)模型，并建立屬性數(shù)據(jù)與地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?！蔼?dú)立構(gòu)模”或“順序構(gòu)?！钡乃悸范紱](méi)有考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性參數(shù)在空間和成因上的耦合關(guān)系，在理論上具有很大的局限性，計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果也與真實(shí)的地質(zhì)情況差別較大。

（3）從三維地質(zhì)模擬的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上來(lái)看，現(xiàn)有的技術(shù)側(cè)重于重構(gòu)地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)，并形成了不少實(shí)用高效的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法，而對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)重構(gòu)技術(shù)研究較少，屬性建模大多采用自動(dòng)插值方法或基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的Kriging 方法，這些屬性建模方法復(fù)雜繁瑣，且未能充分有效地考慮屬性參數(shù)場(chǎng)與地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)約束作用及地質(zhì)學(xué)原理的耦合關(guān)系。

（4）現(xiàn)有的可視化分析技術(shù)缺乏統(tǒng)一、完備的三維空間分析理論指導(dǎo)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)既包含地質(zhì)體幾何形態(tài)、又包含地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征的地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行真正自由、靈活的定量三維空間分析。

一個(gè)真正的三維地質(zhì)實(shí)體模型應(yīng)該能夠完整、統(tǒng)一地描述地質(zhì)對(duì)象的空間位置、幾何形態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系和內(nèi)部屬性信息，具有真三維表達(dá)能力、真三維空間分析能力且支持三維空間預(yù)測(cè)，而不是在地質(zhì)空間中將幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)割裂開(kāi)來(lái)，分別進(jìn)行重構(gòu)、描述和分析。理想的三維地質(zhì)實(shí)體模型重構(gòu)流程應(yīng)該將地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架生成、地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)重構(gòu)、三維可視化空間分析作為一個(gè)統(tǒng)一的整體過(guò)程加以研究，充分考慮地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)對(duì)地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架的指示意義、地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)的約束作用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的地質(zhì)空間多場(chǎng)（即幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與多種屬性參數(shù)場(chǎng)）耦合構(gòu)模，從而生成帶屬性參數(shù)的三維地質(zhì)多場(chǎng)耦合模型。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了三維地質(zhì)模擬與數(shù)值模擬耦合方面的研究，這主要是為了解決巖土工程數(shù)值模擬前處理中存在的三維地質(zhì)模型建立困難、空間單元?jiǎng)澐謴?fù)雜繁瑣的難題，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)建立表征地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)的工程地質(zhì)三維實(shí)體模型，自動(dòng)生成精細(xì)合理的三維剖分網(wǎng)格，并輸入數(shù)值模擬軟件[14－15]。而在工程地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)耦合方面的研究，則還處于嘗試階段。一些初步的研究和應(yīng)用表明：工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型在科學(xué)研究和實(shí)際工程中具有很大的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有的研究工作缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的多場(chǎng)耦合構(gòu)模技術(shù)流程，存在著操作復(fù)雜、難以實(shí)用化的缺陷。從目前掌握的文獻(xiàn)資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)外在工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模方面的研究尚處于初級(jí)階段，開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的深度理論分析和系統(tǒng)實(shí)證研究是一項(xiàng)極為迫切的任務(wù)。

4 總體研究框架

4.1 研究流程

綜合現(xiàn)有的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模、屬性建?；A(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用情況，本文提出工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模研究的總體框架，基本的研究流程如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模的總體框架 Fig.1 Research framework for multifield coupled modeling in engineering geological space

4.2 主要改進(jìn)

4.2.1 三維空間數(shù)據(jù)模型

由于工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型需要對(duì)工程地質(zhì)體的幾何形態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系和內(nèi)部屬性信息進(jìn)行完整、統(tǒng)一地描述和分析，因此，需要使用矢量模型和體元模型相結(jié)合的三維混合數(shù)據(jù)模型來(lái)對(duì)地質(zhì)空間進(jìn)行映射、表達(dá)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本文設(shè)計(jì)了一種基于邊界表示（B-Rep）和地質(zhì)晶胞（Geocellular）的混合數(shù)據(jù)模型，并構(gòu)建相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了工程地質(zhì)體幾何形態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系和內(nèi)部屬性參數(shù)信息的統(tǒng)一描述問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。邊界表示模型是最成熟、無(wú)二義的三維矢量實(shí)體表示法，具有算法簡(jiǎn)單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)拓?fù)潢P(guān)系比較繁瑣。地質(zhì)晶胞模型實(shí)質(zhì)是三維柵格結(jié)構(gòu)的變種，它在XY 平面上是標(biāo)準(zhǔn)的Grid剖分，而在縱向（Z 方向）則依據(jù)數(shù)據(jù)場(chǎng)類型或地層界面變化進(jìn)行實(shí)際劃分，從而形成逼近實(shí)際界面的三維體元空間剖分。本文設(shè)計(jì)的基于邊界表示和地質(zhì)晶胞的混合數(shù)據(jù)模型，首先使用基于邊界表示、面向地質(zhì)實(shí)體并兼顧拓?fù)潢P(guān)系的三維矢量數(shù)據(jù)模型來(lái)組織表征地質(zhì)體的三維幾何結(jié)構(gòu)框架；然后對(duì)地質(zhì)空間進(jìn)行離散化剖分，用地質(zhì)晶胞結(jié)構(gòu)來(lái)組織表征地質(zhì)體內(nèi)部的屬性參數(shù)數(shù)據(jù)；在保障幾何無(wú)縫、拓?fù)湟恢碌那疤嵯?，使用一種合適的紐帶（如三角網(wǎng)TIN 或共面的四邊形）來(lái)記錄并連接地質(zhì)結(jié)構(gòu)框架和地質(zhì)體元網(wǎng)格之間的公共界面。這可從概念上對(duì)工程地質(zhì)對(duì)象的幾何形態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系和內(nèi)部屬性信息進(jìn)行完整、統(tǒng)一地描述和分析。這種混合數(shù)據(jù)模型既保持矢量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、精確的優(yōu)點(diǎn)，又具備體元模型簡(jiǎn)單、通用的長(zhǎng)處，具有真三維表達(dá)能力、真三維空間分析能力，且支持三維空間預(yù)測(cè)，是一種支持工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型集成顯示分析的實(shí)用新型的三維空間數(shù)據(jù)模型。圖2 是使用這種混合數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部屬性參數(shù)信息的一個(gè)實(shí)例。

圖2 使用混合數(shù)據(jù)模型表達(dá)的三維地質(zhì)實(shí)體模型 Fig.2 Solid model of geological objects in 3D expressed by a hybrid data model based on B-Rep and Geocellular

4.2.2 地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)三維重構(gòu)方法

在地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)三維重構(gòu)時(shí)，為了真實(shí)地反映地質(zhì)屬性特征在三維空間中分布的非均質(zhì)性以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)的控制、約束作用，引入“地質(zhì)條件約束下的屬性參數(shù)插值”技術(shù)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要解決2 個(gè)問(wèn)題：

（1）定性的地質(zhì)約束條件的定量化表達(dá)問(wèn)題。地質(zhì)約束條件既包括可以用準(zhǔn)確的數(shù)字表達(dá)的定量的地質(zhì)約束（如：簡(jiǎn)單地層層面和斷層、褶皺、透鏡體、侵入體等特殊地質(zhì)體控制界面的空間分布特征），也包括定性的地質(zhì)約束（如：對(duì)研究場(chǎng)區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境、沉積相空間展布規(guī)律的認(rèn)識(shí)以及地質(zhì)人員的解釋、推斷）。定量的地質(zhì)約束條件可以很方便地參與地質(zhì)屬性建模，而定性的地質(zhì)條件則很難直接對(duì)地質(zhì)屬性三維建模起到約束作用。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下要實(shí)現(xiàn)定性的地質(zhì)約束條件的定量化表達(dá)，可通過(guò)2 種方法：一是在工程地質(zhì)數(shù)據(jù)處理階段就先進(jìn)行沉積環(huán)境、沉積相等定性的地質(zhì)約束條件的解釋、推斷工作，將定性的地質(zhì)約束轉(zhuǎn)換為用數(shù)字表達(dá)的、定量的控制參數(shù)（表現(xiàn)為組成地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架的地質(zhì)界面），然后在地質(zhì)界面的約束下對(duì)地質(zhì)體元網(wǎng)格內(nèi)的地質(zhì)屬性參數(shù)進(jìn)行內(nèi)插外推。這是最現(xiàn)實(shí)也是最容易實(shí)現(xiàn)的辦法。二是改進(jìn)建模方法及實(shí)現(xiàn)算法，通過(guò)程序設(shè)計(jì)，在構(gòu)模過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)界面的交切處理、高程調(diào)整與一致性處理，將控制地質(zhì)界面空間幾何形態(tài)的地質(zhì)約束條件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別、編程的構(gòu)模規(guī)則。這種方法需要結(jié)合各種復(fù)雜的地質(zhì)背景條件，對(duì)現(xiàn)有的建模方法進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。

（2）同一地層單元內(nèi)部屬性參數(shù)的插值問(wèn)題。沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖這3 類巖體在產(chǎn)出形態(tài)上差異較大，地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)插值需采用不同的方法。對(duì)于沉積巖，同一地質(zhì)年代的沉積結(jié)果（地層）一般具有相同的地質(zhì)屬性。為解決同一地層單元內(nèi)部屬性參數(shù)的插值問(wèn)題，引入“等時(shí)地層”[2]的概念，假定同一地層內(nèi)部的各個(gè)部分是可對(duì)比的。“等時(shí)地層”可以看作是一個(gè)次一級(jí)的地層層段，其劃分依據(jù)是地層在垂向上的展布特征和地層關(guān)系（如地層整合、超覆、剝蝕等），它將相鄰的鉆孔的地質(zhì)體屬性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)起來(lái)并與所模擬的地層層段相一致。等時(shí)地層面可以看作是某一地層層體內(nèi)的細(xì)小地層層面，它是沉積過(guò)程中由于外界環(huán)境的累積變化而逐步形成的。在工程地質(zhì)空間屬性參數(shù)建模的過(guò)程中，可將層狀地質(zhì)體細(xì)分為一系列的等時(shí)地層，并據(jù)此將地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架離散化為地質(zhì)晶胞體元數(shù)據(jù)（如圖2 所示）。同一等時(shí)地層內(nèi)的地質(zhì)屬性參數(shù)具有高度的相關(guān)性，可根據(jù)同一地層內(nèi)均勻沉積的假設(shè)，采用線性插值方法或距離反比加權(quán)法進(jìn)行估值。在地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)重構(gòu)時(shí)，可根據(jù)等時(shí)地層內(nèi)的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插求得同一等時(shí)地層內(nèi)待插點(diǎn)的屬性值。這種方法概念明晰，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單直觀，也適用于一些具有比較明顯的方向性的變質(zhì)巖和巖漿巖。對(duì)于無(wú)法分層、不具明顯方向性的變質(zhì)巖和巖漿巖，使用克里金方法進(jìn)行內(nèi)部屬性插值。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的變差函數(shù)，克里金方法很容易實(shí)現(xiàn)屬性估值，并能克服一般距離加權(quán)插值方法插值結(jié)果的不穩(wěn)定性。

4.2.3 多場(chǎng)耦合模型生成機(jī)制

三維地質(zhì)模型是由復(fù)雜多變的地質(zhì)數(shù)據(jù)和模糊抽象的建模規(guī)則共同作用的結(jié)果，地質(zhì)模型的重構(gòu)過(guò)程就是一個(gè)通過(guò)不斷的迭代和修正操作來(lái)逐步求精的過(guò)程。要建立準(zhǔn)確實(shí)用、可交互、可修正、可評(píng)估的工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型，需要在建模流程中引入迭代構(gòu)模技術(shù)，同時(shí)建立相應(yīng)的信息反饋機(jī)制，從而循序漸進(jìn)地逼近工程地質(zhì)體的實(shí)際情況。這包括以下2 個(gè)層面的涵義：

（1）引入幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)的迭代構(gòu)模技術(shù)，用貫穿于三維地學(xué)模擬整個(gè)生命周期的“迭代構(gòu)?！彼枷雭?lái)取代傳統(tǒng)上將地質(zhì)建模劃分為幾何結(jié)構(gòu)建模和屬性參數(shù)建模這2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段的做法。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，先應(yīng)用三維幾何建模技術(shù)建立一個(gè)以主要地質(zhì)界面為主的地質(zhì)結(jié)構(gòu)框架模型，然后將工程地質(zhì)空間離散化為體元網(wǎng)格，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)框架的約束下對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)插外推，生成一個(gè)初始的耦合模型（幾何結(jié)構(gòu)框架模型+屬性參數(shù)模型）；在初始耦合模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)以及各種定性、定量的地質(zhì)數(shù)據(jù)，選用合適的構(gòu)模方法及控制參數(shù)，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)框架模型進(jìn)行局部地細(xì)化和調(diào)整，通過(guò)不斷的迭代和修正操作來(lái)逐步求精，從而得到較為真實(shí)可信的三維地質(zhì)實(shí)體模型。

（2）建立工程地質(zhì)空間耦合構(gòu)模分析過(guò)程中的信息反饋機(jī)制，將工程地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、幾何結(jié)構(gòu)框架生成、屬性參數(shù)場(chǎng)模擬流程與多場(chǎng)耦合建模分析規(guī)則一體化，自動(dòng)地或交互式的半自動(dòng)地實(shí)時(shí)檢測(cè)地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架、地質(zhì)體元幾何網(wǎng)格以及兩者耦合起來(lái)的動(dòng)態(tài)可視化顯示效果，反饋模型構(gòu)建過(guò)程中的各種觀測(cè)誤差、計(jì)算誤差、解釋誤差和視覺(jué)誤差，并及時(shí)提供改正數(shù)據(jù)、修正模型、調(diào)整相關(guān)參數(shù)的途徑[6]，以獲取真實(shí)合理的多場(chǎng)耦合模型。誤差是指計(jì)算機(jī)模型與地質(zhì)體實(shí)際空間展布的偏離程度，它是三維地質(zhì)模型的固有屬性。三維地質(zhì)模型的精度反映了誤差的離散程度。在真三維場(chǎng)景下可使用多種質(zhì)量檢測(cè)方法對(duì)多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行誤差檢測(cè)和信息反饋，如：基于多源信息的對(duì)比檢查方法、基于三維拓?fù)浼s束關(guān)系的自動(dòng)質(zhì)量檢查方法、基于屬性數(shù)據(jù)查詢的邏輯檢查方法、基于三維可視化的人工檢查方法、基于三維空間量算的人工檢查方法等。進(jìn)行誤差修正時(shí)，可使用以下3 類方法：一是優(yōu)選建模方法，如采用高次插值方法、應(yīng)用特定的地質(zhì)原理及約束條件；二是補(bǔ)充修正初始建模數(shù)據(jù)，如增加虛擬鉆孔或地質(zhì)剖面；三是直接修正建模中間結(jié)果，如使用基于三角網(wǎng)（TIN)的模型修正技術(shù)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，先根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形所展示的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及屬性參數(shù)在三維空間內(nèi)的展布情況，評(píng)判模型精度能否滿足特定的要求；快速定位、重點(diǎn)核查三維地質(zhì)模型中精度較差的部位；分析三維地質(zhì)模型中精度較差部位產(chǎn)生的原因，以分別采取有針對(duì)性的誤差修正方法和技術(shù)來(lái)修正模型；對(duì)修正后的模型重新進(jìn)行精度評(píng)估，直至其精度滿足工程技術(shù)要求。

5 多場(chǎng)耦合構(gòu)模實(shí)例與效果

研究區(qū)范圍為500 m×400 m，區(qū)內(nèi)有24 個(gè)代表性鉆孔，揭露了5 個(gè)地層單元；在這些鉆孔內(nèi)還采集到99 個(gè)土樣，測(cè)定了其中四氯乙烯的含量。首先根據(jù)鉆孔分層資料，使用地層層位法[8]生成反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化特征的三維地層模型（見(jiàn)圖3）；然后，根據(jù)四氯乙烯濃度采樣數(shù)據(jù)，在整個(gè)三維空間中直接使用距離反比加權(quán)法插值生成四氯乙烯濃度分布模型（見(jiàn)圖4）；接著，耦合三維地層模型中的控制界面信息，在地層層面的約束下分別以各個(gè)地層內(nèi)的四氯乙烯濃度采樣數(shù)據(jù)為插值樣本點(diǎn)，使用距離反比加權(quán)法插值生成各個(gè)地層單元內(nèi)部四氯乙烯濃度分布模型（見(jiàn)圖5）；最后，進(jìn)行比較與檢驗(yàn)。

比較圖4、5，發(fā)現(xiàn)2 個(gè)模型中的化學(xué)屬性參數(shù)分布情況存在著比較大的差異。為了定量評(píng)估這2個(gè)模型的精度，新增了一個(gè)1 個(gè)鉆孔，采集到8 個(gè)土樣數(shù)據(jù)，并使用這些新增數(shù)據(jù)進(jìn)行模型檢驗(yàn)工作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，考慮地層約束生成的地質(zhì)屬性參數(shù)模型（見(jiàn)圖5）更能準(zhǔn)確地反映研究區(qū)四氯乙烯的實(shí)際分布情況。圖3、5 中的三維模型可直接應(yīng)用于工程實(shí)際，為該場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和物化屬性參數(shù)分布的定量評(píng)估提供深層次的支持。這個(gè)實(shí)例也說(shuō)明了引入多場(chǎng)耦合的思想方法來(lái)構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型具有很強(qiáng)的直觀性、實(shí)用性和可操作性。

圖3 研究區(qū)三維地層模型 Fig.3 3D stratigraphic model of the study area

圖4 不考慮地層界面約束時(shí)的化學(xué)屬性參數(shù)場(chǎng)模型 Fig.4 3D model of chemical property parameters field created without control strata

圖5 耦合地層控制界面后的化學(xué)屬性參數(shù)場(chǎng)模型 Fig.5 3D model of chemical property parameters field created coupled with control strata

6 結(jié)論與展望

（1）工程地質(zhì)空間三維幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)/屬性參數(shù)場(chǎng)耦合構(gòu)模是實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)字化應(yīng)用突破的關(guān)鍵。多場(chǎng)耦合構(gòu)模的過(guò)程是一個(gè)信息逐步提取與集成的過(guò)程，亦是一個(gè)“工程地質(zhì)體→地質(zhì)空間數(shù)據(jù)→地質(zhì)空間信息→知識(shí)決策”的過(guò)程。

（2）本文提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模的標(biāo)準(zhǔn)流程框架，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明地質(zhì)體多場(chǎng)耦合模型在三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)中初步實(shí)現(xiàn)后的效果。這為建立一套完整的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合構(gòu)模的理論體系和方法體系奠定了基礎(chǔ)，有助于完善復(fù)雜地質(zhì)條件下三維地質(zhì)模擬的方法與技術(shù)。

（3）本文提出的研究方案和解決思路，僅僅奠定了該項(xiàng)研究的粗略框架，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探索。今后的重點(diǎn)研究方向包括：地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型的三維可視化分析技術(shù)；地質(zhì)空間耦合場(chǎng)的定量三維空間分析技術(shù)；地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合建模分析軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模與空間分析實(shí)證研究等。

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