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三維地層模型的意義及方法分析論文
摘要：關于《三維地層模型的意義及方法分析》的巖土工程論文資料下載：本文主要研究了基于工程鉆孔數據的三維地層可視化，提出了基于鉆孔數據三維地層建模的總體思路及其實現步驟，其次介紹了模型可視化的實現，介紹了基于鉆孔數據三維地層可視軟件的實現過程。采用VC++平臺、OpenFlightAPI與Vega PrimeAPI實現了基于鉆孔數據的三維地質模型的自動構建,建立的三維地層模型為地質勘察決策提供有力的輔助工具。
關鍵詞：鉆孔數據；地層；三維地質建模；OpenFlight；API
引言：
離散分布的鉆孔信息是工程勘察獲得地層信息的最直接來源。傳統的工程勘察成果是以二維圖(鉆孔柱狀圖、工程地質剖面圖)的方式來表達地層信息空間分布，越來越不能滿足人們對地層認識和空間分析的需求。三維地層模型能夠完整地表達復雜地質現象的邊界條件及地質體內含的各種地質構造，形象生動地展示空間分布效果，更可根據用戶需要對其進行全方位、動態的分析,從任意角度、實時互動地觀察地質模型。本文結合三維地質建模技術，通過地質勘察鉆孔資料，實現三維地質結構模型的實時動態構建。突破了用切片方法觀察三維地質體內部結構的局限性，使其更好地掌握地質結構的形態及分布規律[1],為城市規劃及巖土工程勘察等相關領域提供有力的決策依據。
1三維地質建模型
所謂三維地質建模(3D Geosciences Modeling)，就是運用計算機技術，在三維環境下，將空間信息管理、幾何形態、拓撲信息(地質對象間的關系)、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并用于地質分析的技術。三維地質建模能夠最大限度的增強地質分析的直觀性和準確性，使之做出符合地質現象分布變化規律的工程設計與施工方案，從而減少人類對地質問題認識的盲目性以及地下工程設計、施工面臨的風險性[2]。從三維地質建模的難點來看，對于復雜地質體的三維建模，其關鍵技術有：
（1）離散數據的插值與擬合[3]工程地質復雜地質體中的各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、侵入體及各種巖土體的物理力學參數或數據的等值面線等，都可以看作是三維空間中的函數，它們的擬合函數要根據實際勘測數據來建立。
（2）空間數據模型與三維數據結構的建立空間數據模型是建立地質空間數據庫的理論基礎。而地質數據庫是整個可視化仿真系統的核心，它的好壞直接影響到整個系統的性能。空間數據結構是空間數據模型的具體實現，是對客觀對象進行可視化表現的基礎。地質體三維空間數據結構是工程地質三維建模和可視化的基礎，這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構，能夠確保人機交互和查詢的實現。
（3）三維拓撲結構分析從地質學角度看，拓撲是地質對象的空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。評價地質模型系統的優缺點往往取決于描述地質對象所用的拓撲結構。
(4)可視化技術工程地質復雜地質體可視化，是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據，轉換為形象直觀的便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化。
2基于工程鉆孔數據的三維地層可視化系統研究
2.1系統總體設計在上述研究基礎上，本節著重介紹地層三維可視化系統原型的開發。該系統從工程管理的角度出發，對地質數據實行工程項目級的管理，通過地質數據自動生成地質體模型。在此基礎上，用戶可以根據實際地質體分布和地層性狀來進行顏色、材質、紋理的設置。系統采用軟件工程開發中的結構化和原型化相結合的方法，自頂而下進行功能解析與模塊劃分。
系統主要組成模塊有：
1）地質數據錄入模塊該模塊主要實現工程信息，標準地層信息、鉆孔基本信息與鉆孔分層信息的錄入，實現對工程信息的編輯及鉆孔數據的管理，包括數據組織、數據編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人為原因造成的同一巖性不同名稱進行統一處理)及虛擬鉆孔的編輯。同時該模塊還提供了數據錄入錯誤檢驗功能。
2）地質數據導入模塊系統可將理正工程地質勘察軟件導出的鉆孔文本數據導入到該系統，同時也可將理正數據庫中的鉆孔數據庫導入，實現與理正的數據庫接口。數據導出方面，系統可將工程地質鉆孔數據導出為文本格式與標準XML格式，同時也可導為理正所接收的文本數據格式。此模塊提供了方便的數據錄入與數據導出功能，并提供了與理正工程地質勘察軟件的數據接口，提高了系統數據的重用性。
3）地質數據查詢編輯模塊依據特定的查詢條件實現對地質數據的編輯與修改、巖性(土)歸一化處理(對人為原因造成的同一巖性不同名稱進行統一處理)及虛擬鉆孔的編輯。
4）數據庫配置服務器配置模塊為了提高系統的安全性，系統實現了應用程序與地層數據的分離，通過采用C／S模式將工程數據、地質鉆孔數據存放在服務器端，應用程序則在客戶端運行。
5）數據庫備份恢復模塊用戶可以利用此模塊方便及時的將整個數據庫進行備份與還原。
6）地質數據建模模塊該模塊根據用戶當前激活工程，檢索數據庫中該工程的相關地質鉆孔數據生成不含紋理、材質、光照及顏色的地質體初始模型文件（.flt文件）。
7）模型動態編輯模塊在漫游環境下實現對地質體模型的顏色、紋理與材質設置，從而使得模型更具真實感。
8）三維漫游模塊對生成的地質體模型進行實時互動的三維漫游，并可實現三維與二維平面導航圖的聯動。
9）空間信息查詢模塊通過對三維地質模型、三維鉆孔模型的拾取，進行地層信息、鉆孔信息的相關查詢。
2.2系統開發流程系統的開發流程如圖2所示，利用鉆孔數據采用基于TIN的多層DEM建模方法并結合OpenFlightAPI生成三維地層模型，利用SQL Server建立地質信息數據庫，應用實時仿真軟件Vega Prime集成并驅動三維模型，實現虛擬場景的實時漫游、信息查詢等交互控制。
2.3三維地質體模型的動態構建三維地層及鉆孔建模的實現如圖3所示，模型的構建過程：通過查詢地質鉆孔信息SQL Server數據庫，根據標準地層分層記錄檢索出含有該分層的所有鉆孔分層高程并結合對應的鉆孔平面坐標，從而提取出各層地層界面空間離散點數據。根據各層地層界面數據，通過基于TIN的多層DEM地質建模法構建出三維地層分層模型，同時根據研究區域邊界鉆孔構建各分層間的包裹面，并根據鉆孔及鉆孔分層數據構建鉆孔三維模型。最后結合OpenFlight API將以上模型數據寫入OpenFlight模型數據庫文件（.flt文件）中，構建出最終的三維地層初始模型。同時系統通過OpenFlight API提供了用戶對初始地層模型的顏色、材質、紋理和光照的自定義編輯功能。
2.4特殊地質結構的處理在上面構建地層界面及側面包裹面的過程中還應充分考慮實際中相鄰地層面間的交叉、尖滅與透鏡體等地質結構，為精確地表達以上地質結構建立符合真實地質結構的地層模型，必須從建模算法及地層鉆孔數據中尋求解決途徑。
1）鉆孔分層數據的插值由于鉆孔類型的不同從而導致其采樣深度的不同，在地層側面包裹時，程序會自動處理為不合理的尖滅形成漏洞，因此必須對邊界鉆孔中的缺失地層的淺孔應用距離反比插值法進行插值處理。對于淺層鉆孔可將其他完全地層的鉆孔作為約束鉆孔通過距離反比插值，估算出其不完全部分地層的厚度，從而可以構建出合理的地層側面模型。
2）地層尖滅與透鏡體的生成在構建地層界面及側面包裹面時，由于地層中透鏡體與尖滅現象的存在使得每個鉆孔穿越的地層不盡相同，從而生成的地層界面就有可能出現不完全的現象，因此就應采用向上尖滅的方法，即將每個鉆孔的分層由上至下與標準地層序列進行比較，當某層缺失時令該點的厚度為零，也就是使該點的高程與其上一層的高程一致。這樣就可方便快速的構建出地層的尖滅現象與地層中透鏡體。
3系統應用實例
根據本文建立的地層建模及可視化系統，筆者以天津某項目工程為例，利用工程地質勘察資料，最終生成了項目地質體三維模型。并實現了虛擬漫游與信息查詢。通過實際工程的應用，不僅驗證了理論方法的合理性和可行性，而且更進一步豐富基礎理論的研究，使理論和實踐得到了很好的結合。系統運行效果如圖6所示。
4結語
本文著重研究了利用鉆孔數據結合地質建模技術并利用OpenFlight API完成了地下地質體三維模型的構建。并以天津某項目為實例，充分利用工程地質勘察的數據資料，建立研究區的三維地質結構模型，取得了較好效果。由于地質現象的復雜性與理論研究的限制，目前還不能提供完善的基于單純鉆孔數據的斷層面、褶皺體等復雜地質結構的建模，此方面尚需進一步研究，同時在構建三維地質模型的基礎上，應逐步實現地下空間模型的三維分析功能，如地質體的剖切、不良地質體查詢、地質體的挖切、工程土方開挖計算、地下空間量測等。
參考文獻
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[2]朱良峰，潘信，吳信才,三維地質建模及可視化系統的設計與開發,巖土力學，2006，27(5)：828~832
[3]曾錢幫,劉大安,張菊明等，淺談工程地質三維建模與可視化，西部探礦工程，2005，3(3)：72~74
[4]卜麗靜，三維礦山地質建模與空間分析的研究：[碩士學位論文]，遼寧；遼寧工程技術大學，2006
[5]OpenFlight API User’Guide(Volume1,2),MultiGen-Paradigm.Inc.
[6]OpenFlight Scene Description Database Specification[Version 15.7.0].2000
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