地质工程复杂地质体三维建模与可视化研究.doc

地质工程复杂地质体三维建模与可视化研究
曾钱帮刘大安张菊明潘炜
（中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室北京100029）
【摘要】地质工程复杂地质体中的各种地质信息都可以看作是三维空间中的函数，利用各种野外实测资料分别建立相应的曲面拟合函数，进而利用计算机建立三维地质模型，达到直观地表达地质信息在工程岩土体中的分布规律、提高对地质规律的认识、指导地质工程项目的勘测施工及监测的目的。本文分析了复杂地质体三维建模与可视化研究的关键技术问题,并初步应用于向家坝某坝址区的三维地质建模中。
【关键词】地质工程复杂地质体三维建模与可视化
1前言
地质工程复杂地质体中的各种地质信息，可以通过野外勘探实测或监测仪器记录获得，但一般都是散乱数据，工程地质工作者很难对其在工程岩土体中的分布规律有一个整体和直观的把握。各种地质信息，包括地形、地下水位、地层界面、断层、节理、风化带分布、侵入体及各种地球物理、地球化学、岩土体的物理力学参数或数据等值面(线)等，都可以看作是三维空间中的函数，利用各种野外实测资料分别建立相应的曲面拟合函数，进而利用计算机建立三维地质模型，达到直观地表达地质信息在工程岩土体中的分布规律、提高对地质规律的认识、指导地质工程项目的勘测施工及监测的目的。
现有的地理信息系统(GIS)主要表达二维地表地物的图形和属性信息，要扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距。一个大型地质工程项目从可行性研究阶段、初步设计阶段到详细设计阶段，乃至到工程运行期的管理与监测，建设周期长，往往积累了大量的地质资料，用三维模型图形图像来表达、解释和管理如此庞大的资料比光靠数据库和图表图纸等常规手段来得有效得多。建立地质工程复杂地质体的三维模型，处理岩层界面与结构面组合关系，逼真反映地下地质结构全貌，将为地质工程工作者分析研究工程地质现象和发现掌握岩土体结构规律提供一种崭新的研究手段和研究方法。
地质工程复杂地质体三维建模与可视化的重要意义表现在以下几个方面。
1）利用数据库存储和管理现场勘探实测和试验数据，结合GIS技术，可实现工程地质体的地质(属性)信息的查询，从而更直观地了解地质信息在研究(工作)区域的整体分布规律。
2）现场勘探数据用图形表达，更有助于推断、预测和把握其在研究(工作)区域内的分布规律。利用计算机的计算速度快、可重复性、时实显示、时实反馈与实时交互等优点，随着勘察或研究工作的不断深入细致，工程地质工作者可随时补充信息来自动显示地质信息在研究(工作)区域内的分布，从而不断提高模型精度。利用模型反馈回来的信息及时发现已有勘察工作中的不足，从而及时修改勘察或研究工作方案，指导下一步勘探或研究工作的实施。
3）用计算机自动绘制工程地质图件(剖面图和平切面图)，一方面，能够使工程地质工作者从烦琐的CAD编辑成图中解脱出来；另一方面，透镜体和夹层尖灭点的位置可以足够精确地定位，减少了人为不确定因素。
4）充分利用已有现场勘探实测或试验数据，达到节约投资减少勘察或研究成本的目的。当现场勘探和试验数据资料不足时，通过对已有数据的插值与拟合建立三维模型，可以推断和预测未知区域或研究较少区域的地质信息或岩土体物理力学参数的分布趋势，为减少勘探工作量提供科学的可靠的依据，达到节约花费，为生产或研究部门产生直接经济效益的目的。
2复杂地质体三维建模与可视化研究和软件开发动态
2.1国外研究与开发现状
加拿大阿波罗科技集团公司开发的MicroLYNX三维地质建模与分析软件系统，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生Section（剖面）模型、Volume（体）模型、Polygon（多边形）模型、Block（块）模型、Grid（层状）模型和Surface（面）模型。利用Section模型计算矿藏储量、构造复杂地质体、矿井、巷道等地面和地下采矿建筑设施。利用Volume模型对地质体进行任意方向切割，从而表达任意复杂程度的地质体。Polygon模型可直接由采样点数据生成，Block模型用于确定矿藏分布和等级变化。MicroLYNX软件有两大特点用于提高三维地质体的空间分辨率，一是在矿体或断层边界进行晶胞细分，二是在三维勘探空间中采用不同尺度的晶胞。Grid模型与Block模型类似，但更适用于扁平分布的矿体。Surface模型用于表现地表地形测量结果、露天矿设计和实际开采状况、计算两个地层面之间的体积等。
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