工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建方法及應(yīng)用

袁亞平，劉向東

（1.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068；2.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068）

近年來，三維地質(zhì)建模在城市地質(zhì)領(lǐng)域被廣泛關(guān)注，三維模型能帶給人直觀的視覺感受，更能直接展示不同地質(zhì)對象的空間結(jié)構(gòu)特征與關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文介紹的工程地質(zhì)建模的方法主要有兩種，一是自動化建模，即利用地質(zhì)構(gòu)造信息（走向、傾角）、區(qū)域地質(zhì)圖、地層埋深等值線、地形數(shù)據(jù)、地層壓覆關(guān)系、鉆孔、物探、氣象水文等屬性數(shù)據(jù)作為約束數(shù)據(jù)，采用插值算法快速形成地質(zhì)體模型。另一種為人機交互式建模，先根據(jù)建模區(qū)域的地質(zhì)地貌特點，利用地質(zhì)地貌圖、地形圖、地質(zhì)測試分析數(shù)據(jù)、鉆孔等多源數(shù)據(jù)繪制多條平行和橫縱交叉的剖面，將建模區(qū)域分割為若干個獨立的單元格，借助軟件工具，對獨立的單元格進行地質(zhì)三維模型構(gòu)建，最后將單元格拼接，形成整個工作區(qū)的工程地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型。

工程地質(zhì)三維模型的構(gòu)建，為咸陽市地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員和管理者提供規(guī)范化、綜合化、智能化的地質(zhì)專業(yè)工作平臺，為政府決策、城市建設(shè)規(guī)劃、重大工程建設(shè)、城市地質(zhì)資源的合理開發(fā)利用及文物保護等提供地質(zhì)科學(xué)依據(jù)，提升城市科學(xué)發(fā)展和管理水平，更好地促進城市經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建

項目在開展過程中，針對工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型的搭建，采用人機交互式單元格分割-拼接建模方法[1]。工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建具體流程，如圖1所示。結(jié)合圖1下文對工程地質(zhì)三維模型構(gòu)建過程做詳細介紹。

1.1 采集數(shù)據(jù)

工程地質(zhì)建模所需的數(shù)據(jù)，主要有工程鉆孔數(shù)據(jù)、地下水位、水質(zhì)監(jiān)測井、地層埋深等值線、地質(zhì)地貌圖、水文地質(zhì)圖、DEM、遙感影像等數(shù)據(jù)；紙質(zhì)工程地質(zhì)剖面圖和剖面平面部署圖；PDF或WORD格式成井報告數(shù)據(jù)等。在工程地質(zhì)數(shù)據(jù)采集過程中，充分收集多源建模數(shù)據(jù)，運用交互式建模技術(shù)實現(xiàn)對工程地質(zhì)的精細化建模。

1.2 工程地質(zhì)剖面處理

在三維建模之前，需要對導(dǎo)入的工程地質(zhì)剖面進行處理，主要有剖面的矢量化、拓撲、剖面區(qū)賦屬性、鉆孔軌跡線賦屬性等，為了避免剖面產(chǎn)生“生硬”的現(xiàn)象，專業(yè)技術(shù)人員結(jié)合咸陽城市地質(zhì)的特點及自身豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗做出合理的工程地質(zhì)剖面圖，能真實的反應(yīng)區(qū)域地形、地貌特征、地質(zhì)構(gòu)造特征、地下水位變化特征、含水和隔水層的分布特征，形成較為真實的剖面邊界數(shù)據(jù)[2]。

1.3 剖面一致性檢查

通過本次工作，發(fā)現(xiàn)外部剖面數(shù)據(jù)在矢量化和屬性數(shù)據(jù)錄入完成導(dǎo)入三維建模軟件的過程中，會出現(xiàn)經(jīng)過同一個鉆孔的不同剖面地層有誤差的現(xiàn)象[3-6]。

為解決這一問題我們利用平差處理技術(shù)對剖面進行了一致性檢查，檢查內(nèi)容有：屬性一致性檢查、厚度一致性檢查、分層界限一致性檢查[7]。針對相交的剖面之間進行檢查，確保屬性結(jié)構(gòu)一致、相交剖面處的剖面厚度一致、分層界線一致。如圖2所示。

1.4 三維模型構(gòu)建步驟

1.4.1 構(gòu)成單元格模型

剖面通過一致性檢查處理后，成批或單獨導(dǎo)入三維模型構(gòu)建軟件中，選用“單元格自動生成”功能，將工作區(qū)劃分為多個單元格，采用“分治”的方法對復(fù)雜模型進行構(gòu)建，如圖3所示。

1.4.2 封閉線構(gòu)面

技術(shù)人員結(jié)合工程地質(zhì)剖面及鉆孔數(shù)據(jù)的空間分布特征，利用軟件的“封閉線構(gòu)面”功能，進行構(gòu)面（圖4）操作。

當需要構(gòu)面的線是曲線，通過添加、移動點的位置來搭建輔助線，然后利用軟件自動計算投影面功能，構(gòu)建封閉的面[8]。

圖4 封閉線構(gòu)面功能軟件界面

1.4.3 封閉面構(gòu)體

利用軟件中“面構(gòu)體”功能，通過雙擊選擇目標面對體進行構(gòu)建，第一個構(gòu)體的面選擇剖面上的面，確保所構(gòu)建的體繼承剖面的屬性，通過“判斷封閉性”功能，確保構(gòu)建封閉體，如圖5。

圖5 封閉面構(gòu)體功能軟件界面

1.4.4 封閉體構(gòu)建單元格

單個單元格模型構(gòu)建完成后，對各個單元格進行合并操作，形成最終工程地質(zhì)體三維模型，如圖6所示。

圖6 工程地質(zhì)三維模型

2 三維模型的應(yīng)用

提供的服務(wù)：

工程地質(zhì)三維模型的構(gòu)建為咸陽政府城市規(guī)劃、交通管理、地質(zhì)勘探、工程施工、防震減災(zāi)、文物保護、地下空間開發(fā)等提供地質(zhì)數(shù)據(jù)支撐服務(wù)；為社會公眾提供地質(zhì)科普服務(wù)；為專業(yè)技術(shù)人員提供可視化的地質(zhì)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從三維角度分析、評價各類土體的物理力學(xué)性質(zhì)等服務(wù)[9]。

3 結(jié)論

咸陽城市地質(zhì)項目構(gòu)建了三維可視化的工程地質(zhì)模型，建模通過多源的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)約束及地質(zhì)技術(shù)人員豐富的工作經(jīng)驗，應(yīng)用基于MapGis-k10的專業(yè)建模軟件，利用交互式建模的方法，構(gòu)建成咸陽工程地質(zhì)模型。

城市地質(zhì)項目的開展，不僅對地質(zhì)數(shù)據(jù)標準化進行了規(guī)定，同時也提供了三維可視化模型的多種地質(zhì)數(shù)據(jù)查詢、展示、分析、模擬等功能，為咸陽城市地質(zhì)調(diào)查提供了地質(zhì)科學(xué)依據(jù)。