基于大數(shù)據(jù)的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建分析

羅年山

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401121）

地下水存在于地表以下的巖石空間中，與地表水相比，更難被直接的觀察到其賦存空間及動(dòng)態(tài)的分布情況，因此隱秘性更強(qiáng)。傳統(tǒng)的勘測(cè)方法是通過鉆孔數(shù)據(jù)、點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)側(cè)面反映水文地質(zhì)的結(jié)構(gòu)及屬性。但這些方法對(duì)地下水的空間結(jié)構(gòu)了解缺少直觀性，因此很難準(zhǔn)確的表達(dá)地質(zhì)現(xiàn)象及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系[1]。而且傳統(tǒng)的方法會(huì)導(dǎo)致地下水資源得不到合理的利用，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，更會(huì)引起地下水位的持續(xù)降低、地下水污染、土地荒漠化等一系列自然災(zāi)害的發(fā)生。因此為正確的認(rèn)識(shí)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型具有重要的意義。

1 構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型要以恢復(fù)真實(shí)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)及空間分布為目的，為地質(zhì)工作者提供更加直觀的觀測(cè)目標(biāo)，通過對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)、虛擬漫游以及虛擬鉆探等技術(shù)，對(duì)水文地質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析，從而掌握目標(biāo)對(duì)象與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)信息的定量分析和探究[2]。

在構(gòu)建三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的過程中還要對(duì)各種復(fù)雜的地質(zhì)情況進(jìn)行合理的處理，并結(jié)合相關(guān)的三維空架結(jié)構(gòu)切割算法、剖面解析算法、三維空間交互算法等實(shí)現(xiàn)對(duì)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的縮放、虛擬漫游、平面解剖等一系列的三維立體分析功能。

（1）建立數(shù)據(jù)庫。在建立三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫時(shí)，首先要根據(jù)數(shù)據(jù)的來源對(duì)其進(jìn)行劃分，劃分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)五大類。再將每一類數(shù)據(jù)按照空間信息的實(shí)際特性進(jìn)行劃分，分為多個(gè)不同的子類，保證模型中的每一類數(shù)據(jù)都有其各自的空間內(nèi)涵。數(shù)據(jù)以圖層的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，每一圖層表示一類實(shí)體空間數(shù)據(jù)。圖層的劃分要以方便實(shí)際操作的人員對(duì)圖形進(jìn)行管理和計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要考慮到本身的專業(yè)屬性，以層的形式進(jìn)行分組，每個(gè)圖層代表一個(gè)物理存儲(chǔ)單位。

（2）三維模型變換。在構(gòu)建三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)，三維模型的變換要以坐標(biāo)的變換為基準(zhǔn)，其中包括坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放等數(shù)學(xué)變換形式。平移變換是在三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的齊次坐標(biāo)系中，假設(shè)任意一點(diǎn)P(x,y,z)可以通過矩陣運(yùn)算公式①轉(zhuǎn)變?yōu)镼(x',y',z')。

公式①中，dx、dy、dz表示為x、y、z軸上的平移向量。

旋轉(zhuǎn)變換是在三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的齊次坐標(biāo)系中，假設(shè)（a，b，c）為任意一個(gè)軸向上的方向余弦，則有cosα=（c2+a2），sinα=b，cosβ=a/（c2+a2），sinβ=c/（c2+a2），由任意一點(diǎn)P(x,y,z)通過繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)某一角度得到點(diǎn)Q(x',y',z')的計(jì)算公式為：

公式（2）中，R=Rx×Ry×Rz。

縮放變換是在三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的齊次坐標(biāo)系中，假設(shè)任意一點(diǎn)P(x,y,z)根據(jù)縮放因子E的大小不同進(jìn)行不同的縮放，當(dāng)0＜E＜1時(shí)，圖形進(jìn)行縮放；當(dāng)E＞1時(shí)，圖形進(jìn)行放大。

2 實(shí)例演示

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文基于大數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的可靠性，以某地區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)勘察資料作為基礎(chǔ)對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)，通過建立該地區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維建模，以此驗(yàn)證構(gòu)建模型的可靠性和實(shí)用性，同時(shí)也為該地區(qū)的地下水資源的開發(fā)和利用提供更加科學(xué)化的事實(shí)依據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)源。本次選取的建模區(qū)域的南北總長(zhǎng)度為400km，東西寬為45km～95km，面積約為1600km2。建模區(qū)總體地勢(shì)西南高，北東低，呈現(xiàn)出自然緩坡形態(tài)，平均海拔高度1050m。建模區(qū)可分為三大地貌單元：南部為中低山地，西部丘陵區(qū)，北部堆積平原區(qū)，其地貌類型包括山地、丘陵、平原以及山前傾斜平原。該地區(qū)河流總長(zhǎng)度為1059.8公里，河網(wǎng)密度約為每平方公里0.184公里。

（2）模型投影的確定。該地區(qū)橫跨16，17兩個(gè)6°帶分區(qū)，為了方便地學(xué)建模，同時(shí)保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用比例尺為1：25的投影，其中中央經(jīng)度為105°，單位長(zhǎng)度指定以“米”為單位，以此保證構(gòu)建三維空間過程中的水平坐標(biāo)方向與垂直坐標(biāo)方向上的度量單位統(tǒng)一。

（3）采集數(shù)據(jù)。該地區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的采集是利用矢量化軟件將所有的資料進(jìn)行整理，將各類水文地質(zhì)資料進(jìn)行矢量化整理得出，從而形成該地區(qū)不同內(nèi)容的圖層數(shù)據(jù)。

（4）建立空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫中的主要內(nèi)容包括水文地質(zhì)、基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、勘探及投影五類，在建立空間數(shù)據(jù)庫時(shí)借助水文地質(zhì)空間信息數(shù)據(jù)庫，通過目錄樹的形式將地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。水文地質(zhì)外部的屬性數(shù)據(jù)庫主要包括水文地質(zhì)鉆孔以及勘探過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。建立完成的空間數(shù)據(jù)庫按照外掛庫的形式利用關(guān)鍵字段實(shí)現(xiàn)與圖層的聯(lián)系。

（5）三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型顯示。從各個(gè)角度，任意地層表面、地層體組合揭示該地區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布特征。

圖1、圖2的三維立體模型反映了該地區(qū)的西高東低走勢(shì)，且兩山之間為東寬西窄的地貌特征。

圖1 三維地層模型

圖2 三維水層模型

通過計(jì)算機(jī)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行模擬，方便用戶對(duì)其進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等一系列操作，讓用戶可以直觀的感受到該地區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的信息數(shù)據(jù)以及其空間上的分布，并在構(gòu)建的過程中，利用消除技術(shù)，對(duì)肉眼看不到的地方進(jìn)行了消除、隱藏，方便用戶的觀察。

3 結(jié)語

通過本文基于大數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的方法，可以有效的幫助用戶認(rèn)清該地區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，方便溝通和交流，更有利于對(duì)地下水的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，輔助決策，并不斷優(yōu)化地下水的管理模式。因此，開展三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的分析研究具有十分重要的意義。