基于3DE平臺的三維地質(zhì)建模及可視化研究

侯炳紳 徐俊 張必勇

摘要：三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)是水利水電工程勘察BIM工作的重要組成部分，是水利水電工程勘察信息化研究的重點和難點。通過深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程的具體實踐，探討了基于達索3DE平臺進行三維地質(zhì)建模及可視化的一般過程，包括覆蓋層下底面插值、實體模型構(gòu)建、三維展示等，重點研究了覆蓋層、風化面等地質(zhì)體的插值算法，為達索3DE平臺進行三維地質(zhì)建模提供了有效技術(shù)手段，大大提高了建模效率，增強了項目三維可視化效果。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模； 可視化； 3DE平臺； 覆蓋層插值算法； 羅鐵項目

中圖法分類號： TV22

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.050

0引 言

19世紀的制圖技術(shù)運用不同顏色和符號來表達二維地質(zhì)圖中復(fù)雜的空間與時間關(guān)系。20世紀70年代早期，第一代由計算機制作的試驗性彩色地質(zhì)地圖技術(shù)只能完成相對簡單的制圖任務(wù)。隨著計算機硬件性能的提高及計算機圖形學技術(shù)、三維技術(shù)的迅猛發(fā)展和日漸成熟，在地學領(lǐng)域，以二維平面圖和剖面圖為主的傳統(tǒng)的地質(zhì)信息表達難以滿足現(xiàn)代水利水電工程勘察信息化發(fā)展趨勢的迫切需要，三維地質(zhì)建模及可視化的研究已受到廣泛重視［1］。所謂三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling），就是指采用適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在三維環(huán)境下，綜合運用現(xiàn)代空間信息理論和計算機技術(shù)，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來［2-3］，來研究地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部物理、化學屬性等地質(zhì)信息，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。它是地質(zhì)勘探、數(shù)學地質(zhì)、地球物理、圖形圖像和科學計算可視化等學科與技術(shù)交叉形成的一門新興技術(shù)［4］。

目前全球三維設(shè)計軟件比較流行的高端軟件有法國達索公司的3D Experience平臺（以下簡稱“3DE平臺”）、美國參數(shù)技術(shù)公司的Pro/E，以及Unigraphics Solutions公司的Unigraphics等；中低端三維設(shè)計軟件有達索公司的SolidWorks、AutoDesk公司的Revit、Intergraph公司的SolidEdge、Bently公司的MicroStation等。法國達索公司的3DE平臺主要應(yīng)用于機械、航空航天、汽車等行業(yè)，具有很強的曲面建模和協(xié)同設(shè)計功能，能滿足水利水電工程不規(guī)則復(fù)雜地質(zhì)體建模要求。但該平臺缺乏三維地質(zhì)建模的應(yīng)用場景，對于覆蓋層、風化面等地質(zhì)體缺乏插值算法，需要進行針對性研發(fā)。基于此，本文探討了基于達索3DE平臺進行三維地質(zhì)建模及可視化的一般過程，以期為3DE平臺進行三維地質(zhì)建模提供技術(shù)支撐。

13DE平臺簡介

法國達索公司的3DE平臺是近年來新推出的一個功能先進而復(fù)雜的集成三維設(shè)計、工藝、制造、管理于一體的軟件平臺，提供了三維建模、分析優(yōu)化、渲染仿真、項目協(xié)同管理等方面的600多個APP應(yīng)用。基于同一平臺，不同專業(yè)用戶可以基于同一種數(shù)據(jù)格式，選用不同的APP進行三維設(shè)計工作，避免了不同軟件之間格式的切換和數(shù)據(jù)的導入、導出。在三維建模方面，3DE平臺繼承了CATIA參數(shù)化建模及曲面建模的優(yōu)點，而3DE平臺采用了胖客戶端/Web客戶端加服務(wù)器的結(jié)構(gòu)形式，用戶啟動自己的客戶端通過網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)以庫/數(shù)據(jù)庫形式保存在服務(wù)器中，并有相應(yīng)的權(quán)限/版本信息，便于不同用戶之間的數(shù)據(jù)共享與查看。3DE平臺包含有CATIA軟件，對比舊版本CATIA軟件，3DE平臺為不同角色的使用者提供了協(xié)同的環(huán)境，在設(shè)計過程中，不同專業(yè)基于同一設(shè)計站點進行同步設(shè)計，可實時了解、查看、引用相關(guān)專業(yè)的設(shè)計成果，將設(shè)計模式由串型設(shè)計模式變?yōu)榱瞬⑿性O(shè)計模式，解決了以往企業(yè)不同平臺間相互協(xié)作的問題。3DE平臺強大的曲面建模功能可滿足水利水電工程不規(guī)則復(fù)雜地質(zhì)體建模需求，但缺乏核心地質(zhì)建模插值算法，需要進行二次開發(fā)解決其在三維地質(zhì)建模方面功能欠缺的不足。

2覆蓋層下底面插值算法

在水利水電工程勘察中，可以獲得且與覆蓋層有關(guān)的數(shù)據(jù)有：覆蓋層上表面、邊界（含地質(zhì)點）、鉆孔數(shù)據(jù)（覆蓋層厚度）和剖面線，其相互關(guān)系如圖1所示。其中邊界處覆蓋層厚度為0 m，鉆孔處厚度已知，剖面線可以通過取樣轉(zhuǎn)換為點（圖2）。以上點的高程和厚度均已知，統(tǒng)稱為已知點。相對于整個覆蓋層范圍而言，已知點的數(shù)量往往相當有限，需要編寫插值算法對已知點之外的未知區(qū)域進行合理的推測計算，以獲得連續(xù)完整的區(qū)域性數(shù)據(jù)，進而通過曲面轉(zhuǎn)換獲得覆蓋層下底面模型。覆蓋層下底面建模的核心在于根據(jù)已知點對未知區(qū)域進行插值，因此可靠、快速的插值算法是建立覆蓋層下底面模型的關(guān)鍵。

自然成因的覆蓋層常見的形式有殘積、坡積、沖積、洪積、滑坡堆積等，不同成因的覆蓋層按其厚度與地形的相互關(guān)系可以劃分為風化殘積型與侵蝕堆積型兩類。

對于風化殘積型覆蓋層，巖石風化與原巖抗風化特性、區(qū)域地殼運動及氣候條件等有關(guān)，其厚度受地面地形的影響較大，與地形坡度有較大聯(lián)系。一般地形平緩處較厚，斜坡處較薄，當坡度大于45°時一般極薄，陡坡處厚度幾乎為0 m。因而其下底面一般隨地表地形的起伏而波動。當存在已知點時，其厚度控制范圍一般為30～50 m，局部可能會存在突變，距離越近影響越明顯，但同一方向上只受到最近已知點的直接影響。如圖3所示，在同一方向上點3處的厚度只受點1的影響，點2的影響可以忽略。該類型覆蓋層可以概括為厚度控制型。

對于侵蝕堆積型覆蓋層，其厚度與地面地形的關(guān)聯(lián)較少，一般較為穩(wěn)定。其下底面平整連續(xù)，呈水平或緩傾狀，表現(xiàn)為侵蝕停止時的原始特征。其厚度僅在溝槽處出現(xiàn)條狀變薄，在前緣處隨地形變薄，在后緣處自然尖滅。該類型覆蓋層可以概括為下底面高程控制型。

上述兩類覆蓋層共有的變化規(guī)律為：① 邊緣處厚度為0；② 從邊緣往中部逐漸變厚，但存在隨機性。

針對覆蓋層厚度分布的上述特點，在進行插值算法選擇時應(yīng)滿足以下要求：覆蓋層邊緣處厚度應(yīng)為0；已知點處厚度值應(yīng)保持不變；與已知點距離越近，受其影響越大，且同一方向上應(yīng)只考慮最近點的直接影響；插值應(yīng)連續(xù)、較光滑，不能出現(xiàn)隨機性陡坎；新增、刪除、修改已知點時僅對修改點附近區(qū)域的計算產(chǎn)生影響，從而保證算法的穩(wěn)定性；算法應(yīng)簡潔實用，利于在工程技術(shù)人員中推廣使用。對此，可將需插值的區(qū)域劃分為3部分：① 為已知點控制的區(qū)域；③ 為邊界附近漸變的區(qū)域；②為①與③之間的過渡區(qū)域，見圖4。

針對上述要求，對三維建模中曲面插值常用的算法進行了對比研究，如反距離加權(quán)法、線性插值法、最小曲率插值法、多元回歸插值法、樣條函數(shù)插值法、克里金法（Kriging）、狄洛尼三角插值法等，以針對不同的區(qū)域選擇相應(yīng)的算法。

對于厚度型覆蓋層，其插值對象是厚度值?？紤]到算法的簡潔、高效，本研究針對核心部分（區(qū)域①）選擇了狄洛尼三角插值法，該方法在計算時選擇不在同一方向的對插值點影響最大的3個已知點進行插值計算，符合覆蓋層發(fā)育的一般規(guī)律；對邊界附近（區(qū)域③），覆蓋層一般沿地表地形自然尖滅，可以采用線性插值法；對邊界與已知點之間（區(qū)域②），為了保證插值數(shù)值的連續(xù)、光滑，采用反距離加權(quán)法過渡。通過以上3種算法的組合運用，能較好滿足覆蓋層插值計算中的上述需求。獲得厚度值后，可以通過原地面高程與插值計算得到的厚度相減，即可得到所需下底面高程值。

對于下底面高程控制型覆蓋層，其插值對象是高程值，區(qū)域①、②、③合并為一個區(qū)域，直接采用狄洛尼三角插值法，計算結(jié)果即為覆蓋層下底面高程值。

通過綜合運用以上插值算法開發(fā)出計算機程序，在以上步驟完成后，對得到的下底面模型進行檢查可見：① 邊界與已知點處均能與給定值保持吻合；② 其余部分插值點均位于上表面之下，無需人工處理；③ 得到的模型整體平順、連接自然，符合覆蓋層的發(fā)育規(guī)律；④ 算法高效簡潔，對于面積為40萬m2的覆蓋層，計算時間在1 min左右，能滿足實際需求。

在實際應(yīng)用中，在已知點缺乏的區(qū)域，當計算成果與地質(zhì)工程師的判斷有出入時，可以在該部位添加虛擬剖面，將工程師的認識通過該剖面表達出來，并轉(zhuǎn)化為點后添加到原數(shù)據(jù)中重新計算。通過以上步驟的迭代使用，不斷優(yōu)化下底面曲面，最終可獲得較為理想的覆蓋層地質(zhì)體模型。

3羅鐵項目三維地質(zhì)建模及模型展示

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅鐵項目”）是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內(nèi)配套項目之一。工程位于深圳市西北部城區(qū)，輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠，將西江來水在深圳境內(nèi)進行合理分配和使用，實現(xiàn)新增境外水優(yōu)化配置，保障西部片區(qū)供水，滿足遠期寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分）供水要求。該工程總輸水規(guī)模為260萬m3/d，屬Ⅰ等大（1）型工程。輸水干線主要建筑物均為1級（輸水干線、羅田水庫進水口及鐵崗水庫出水口、檢修及滲漏排水井、分水井等）；與深圳支線連接隧洞、羅田水廠分水支線、五指耙水廠分水支線、長流陂水廠分水支線、檢修交通洞為2級建筑物。利用自主研發(fā)的覆蓋層下底面算法完成5號工作井覆蓋層下底面模型如圖5所示，覆蓋層下底面與剖面點最大偏差為0.002 m，完全可以滿足建模精度要求。圖6為覆蓋層上表面與下底面位置關(guān)系，插值點均位于上表面之下，無需人工處理。該項目地質(zhì)模型展示如圖7所示。

4結(jié) 語

隨著現(xiàn)代水利水電工程勘探技術(shù)的進步，三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)成為地學信息研究的熱點。地質(zhì)體是一個非均質(zhì)、各向異性的不連續(xù)三維實體，工程揭露地質(zhì)信息有限，基于離散鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)。本文探討了覆蓋層、風化面等地質(zhì)體插值算法，通過已知控制點對未知區(qū)域進行插值，新增剖面迭代計算可獲得非常理想的覆蓋層下底面模型，無需人工干預(yù)，彌補了達索3DE平臺進行地質(zhì)建模缺乏核心插值算法的功能性不足，極大提升了建模效率。

參考文獻：

［1］向中林，白萬備，王妍，等.基于Surpac的礦山三維地質(zhì)建模及可視化過程研究［J］. 河南理工大學學報（自然科學版），2009，28（3）：307-311，320.

［2］李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數(shù)據(jù)地下三維地質(zhì)建模軟件的實現(xiàn)［J］.地質(zhì)通報，2005，24（5）：470-475.

［3］曾錢幫，何小萍.三維地質(zhì)建模的數(shù)學模型與顯示方法［J］.工程地質(zhì)計算機應(yīng)用，2006（3）：1-8.

［4］左義投，白云.三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］，河北地質(zhì)，2006（2）：27-29.

（編輯：黃文晉）