工程可视化技术在地质分析领域的应用分析

工程可视化技术在地质分析领域的应用分析

【摘要】大型水利水电工程所处地区构造复杂，随着地理信息系统不断发展，能够采集提取到的地质信息呈多元化发展，地质信息复杂多样且时间跨度长，给工程设计带来很大的困难。本文在查阅大量相关文献著作的基础上，从总体上概括介绍了工程可视化技术的发展与应用，并具体分析论述了三维可视化地质建模过程，三位地质模型的应用以及应用过程中存在的问题、难点或发展趋势。 关键词：可视化技术；三维地质建模；水利水电工程

1 引言

在近些年来的基础设施建设过程中，大型水利水电工程在国内发展速度持续加快、数量日益增多、规模也不断增大。如南水北调、三峡工程、小湾水电工程、锦屏水电工程等。但由于这些工程大多是位于高山峡谷，且区域地质构造非常复杂、所涉及到的地质信息众多、给水电工程的坝址选择、枢纽布置、地下工程设计、施工及运行带来许多困难，且地质信息的准确与详尽对大坝安全稳定十分关键！

工程地质原始资料来源广泛、数量大、种类多，包括遥感数据、地形测量数据、现场踏勘资料、钻孔资料等，这些资料都是以表格、文档、图标、图纸等格式形式提交。这些数据的存储、管理、查询都是离散化的、若不加处理来根据这些原始资料对地质体分布规律进行分析必然会大大增加地质工作者的工作量，并且获得的结果往往不够全面有效。而图形则是最直观的数据解释，利用图件来反映地质信息也是最具体且切合实际的一种方法。因此，利用计算机技术开发水利水电工程三维地质可视化信息系统，进行三维地质建模分析是众多工程地质信息分析管理的必然趋势。

基于三维地质模型建立相应的地质信息数据库，将空间图形与其属性数据进行有机链接，可实现整个区域内地质信息的可视化管理与查询，为工程人员全方位、动态地分析和利用所需地质信息提供帮助。

2 三维可视化地质建模技术发展

地质体三维可视化建模技术作为一门跨学科交叉技术，集成了科学计算可视

化技术、空间几何造型技术、地质学理论、以及计算机技术等学科技术。包括可视化与建模两方面。首先对几个核心概念进行介绍： （1）科学计算可视化

科学计算可视化是发达国家在20世纪80年代后期提出并发展起来的新兴领域。1987年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学可视化的首次会议，来自计算机图形学、图像处理以及从事不同领域科学计算的专家参加了此次会议。会议认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这涉及到多个学科的领域定名为“科学计算可视化”。

严格意义上说，科学计算可视化指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎涉及自然科学以及工程技术的各个方面。（2）空间几何造型技术

空间几何造型技术是用计算机及其图形系统来表示、控制、分析和输出三维形体的技术。它是CAD系统的核心技术，也是模拟仿真、计算机视觉、计算机艺术、机器人等领域的技术基础。空间几何造型技术的核心是空间数据模型和数据结构。 空间几何造型技术始于 20 世纪 70 年代，在 80 年代发展成熟，并推出了许多商品化的造型系统软件，而 90 年代则是实体模型技术发展时期。目前，几何造型技术仍处于不断发展的过程中。 （3）地质体三维可视化建模

科学计算可视化应用于地学领域便形成地学可视化，而地学可视化的一个重要分是地下地质体三维可视化建模。这一概念最早是由加拿大学者Simon W．Houlding于 1993 年提出来，所谓地质体三维可视化建模，就是运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行三维再现和可视化交互的科学与技术。中国矿业大学吴立新教授认为三维地学建模是由勘探地质学、数学地质、地球物理、图形图像学、科学可视化等学科交叉而形成的一门新型学科。

三维地质建模技术是计算机图形学中三维实体表示法在地质建模中的应用。

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、地层界面、断层、节理及各种地球物理、化学、岩土体的物理力学参数或数据等值面等，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，可以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。

最早的地质体三维可视化建模软件诞生于西方。其发展的一般历程如下：早在70 年代初西方矿业界就将三维造型技术应用于地质、矿业领域。早期的采矿计算机辅助设计阶段是地下三维可视化技术的萌芽和孕育阶段；之后，随着计算机技术的不断更新和三维造型技术的不断进步，三维造型技术也不断吸取先进技术，在地质领域中的应用也不断得到扩展；80 年代末图像仿真技术和三维 GIS 技术的发展，推动了地下三维可视化技术发展，一大批地下三维软件系统被开发应用。90 年代初期，开发了大量基于 UNIX 且用于工作站环境的软件系统。90 年代中期以来，随着微机性能的提高，一些地下真三维建模软件开始移植到 Windows 操作系统和微机环境。目前，主流系统都可以在装有Windows XP的微机上运行，而且支持网络共享。20 世纪 80 年代以来，三维地学可视化系统应用于地质建模在国外已经变得非常普遍，以美国、加拿大、英国为代表的西方国家相继推出了多种代表性的地学可视化建模软件。Earth Vision是一个新型地质体建模软件。GOCAD是一个关于地球物理、地质、水库工程应用的三维几何软件。3Dmove主要用于模拟断层运动、斜向剪切及伴生褶皱三维模型。Geosec 不仅可以建立地质体的几何形态，而且还可以恢复年代历史，进行运动学分析。GeoToolkit 是 3D 地理信息系统的代表，但只能用于处理简单地质数据。GeoFrance3D是一种框架结构的软件工具，目的是提供对所有采集到或被处理的地质、地球物理数据进行存储、评价和三维形体确定，创造一个观察地壳三维可视化的环境，BASIN 是一个模拟沉积盆地建造过程三维系统。LYNX、Vulcan、Gemcom、MineSOFT 是一些典型的矿山模拟与矿业应用软件系统。EarthCube、GeoViz、Vovel-Geo 等是比较著名的地球物理三维可视化应用软件。Earthworks、3Dseis、SeisVision 等是典型的三维地震分析系统。我国科学计算可视化技术的

研究始于 90 年代初。由于数据可视化所处理的数据量十分庞大，生成图像的算法又比较复杂，过去常常需要使用巨型计算机和高档图形工作站，因而，数据可视化开始都在国家级研究中心、高水平的大学、大公司的研究开发中心进行研究和应用。近年来，随着计算机功能的提高、各种图形显卡以及可视化软件的发展，可视化技术已扩展到科学研究、工程、军事、医学等各个领域。随着本世纪以来矿业的复兴以及 GIS 热潮在中国兴起，一些 GIS 软件开发商开始开发通用的三维GIS软件，而一些大型矿业集团也联合一些高等院校或科研机构开始开发专门的地质体三维可视化建模软件。可喜的是在近年的国产地理信息系统软件测评上，已开始有部分三维软件获得了表彰。目前我国具有独立自主版权的三维地质模拟软件有北京理正软件设计研究院开发的“地理信息系统—地质专题”。近年来国家自然科学基金委员会大力支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形

显示研究”、“油储地球物理理论与三维地质图像成图方法”、“地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”等项目。1996 年中国科学院地球物理研究所（现为中国科学院地质与地球物理研究所）与胜利石油管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪研究GOCAD。长春科技大学在阿波罗公司TITANGIS上开发了GeoTransGIS 三维 GIS，主要用于建立中国乃至全球岩石圈结构模型的三维信息。石油大学开发的 RDMS、南京大学与胜利油田合作开发的 SLGRAPH 都是用于三维石油勘探数据可视化。中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统 GeoView 可实现真三维地学信息管理、处理、计算分析与评价决策支持。但从总体上来说，与国外先进水平还有差距。在国内石油公司、地球物理公司等单位普遍使用的地质建模软件大都是从国外引进的并以Land-mark公司和 GeoQuest 公司的解释系统居多。因此，组织力量开发可视化商业软件，并通过市场竞争，促使其逐步成熟，己成为当务之急。

3 三维可视化地质建模过程

整个三维地质模型的建立由5大部分组成:地质数据库、地表面形成、地质结构面形成、人工建/构筑物部分形成、地质体三维模型形成。

在三维可视化建模过程中，首先需要通过各种方式方法进行工程测量，获取各类型数据，包括地质物探数据、地质勘探数据等。将建模需要的钻孔数据、地

层信息、地表测量信息、地质剖面图和地质平面图以及监测信息等属性资料及几何数据进行多元数据耦合、分析、整理，为后期三维地质建模提供基础数据基础。然后再通过各类建模软件进行地质模型可视化。本文三维地质建模以犀牛软件为例，地表面形成主要是利用地形等高线来构造精确的三维地表模型，这是整个三维地质模型形成的基础。地质结构面如地层分界面、断层面等的形成主要是根据钻孔数据、二维地质剖面图、地质测绘数据，有了这些数据，就可以构建基本的地层分界面了。根据剖面是否能够满足生成精度达到要求的地层分界面犀牛可以通过三种不同的途径实现。人工建/构筑物部分建模主要是指地表附着建筑物或者构筑物，随着工程技术不断实现数字化、信息化，实际工程中这部分的数据通过三维激光扫描生成大量的点云，在犀牛中通过原始数据形成相应的三维模型。结合地质数据库，。在犀牛建模以及二次开发基础上形成三维可视化系统，实现地质体部分模型与人工构筑物部分有机地结合，并在此模型基础上实现三维模型任意角度地剖切，形成并输出二维图形;在三维模型中能实现虚拟钻孔，空间查询、空间量测、剖面剪切、工程开挖等方面的三维空间分析工作。

在水利工程三维地质建模过程中，地质结构面的构造实现是基础和核心。地质结构面是地质体中具有一定方位、两向延伸的地质界面的统称，包括物质分界面（如地层面、片理面、软弱夹层、侵入体接触面等）和不连续面（如断层、节理、风化与卸荷裂隙等）。对结构体来说，结构面决定着结构体的形成，结构体是由结构面围限而成的，相应的地质结构体受结构面发育、排列与组合的限制；结构面和结构体共同构成岩体结构。因此，对应各类地质结构体的建模，地质结构面的构造实现便是其基础和关键。在犀牛中，曲面的拟合主要是采用NURBS曲线为基础的曲面构造方法。

4 三维地质模型应用

随着计算机技术在水利水电工程应用中的不断发展和深入，水电工程可视化设计已成为一种必然趋势，而工程地质三维可视化建模及信息管理作为其基础，已成为当前水文工程地质、数学地质等领域的研究前沿和热点。国内外学者更多的是从不同角度研究如何对各种复杂的地质构造进行真正的三维模拟，而对相关的地质信息管理论述甚少。实际上，大多数大型水利水电工程所处地区地质构造复杂，涉及的地质信息众多，给工程设计带来很大的困难，需要进行系统且方便

快速的管理。而基于三维地质模型建立相应的地质信息数据库，将空间图形与其属性数据进行有机链接，可实现整个工程区域内地质信息的可视化管理与查询，为工程人员全方位、动态地分析和利用所需要的地质信息提供帮助。

三维地质模型广泛应用于水利水电工程、油气藏工程、地热能开采、地下工程、地震分析等领域，应用空间十分广阔。三维地质建模的主要目的之一是预测一个或多个地质变量的空间变化 。在地质工程中， 往往是地层、裂隙、断层等的空间展布特征及其物理力学参数 。对某一研究的相关地质变量由于不可能进行连续的量测 ，因此往往取一些有代表性的点 ，作为采样点 。然后 ，再运用各种不同的预测技术 ，来推测出整个研究区的该地质变量的空间变化规律。常用的预测技术有: 地学统计预测、反向距离插值、直接体预测和条件模拟等。对地质特征的解译 ， 一般包括条件化和离散化两个方面 ，即是以岩性或岩土类型等控制特征为条件，将地质信息进行离散化，从而确定地质边界和相关特征描述。

在水利水电工程地质分析过程中，地质模型对于区域地质特征的概括、不同细部区域地质分析、以及灌浆分析、地下洞室、地下厂房设计施工等均有十分重要的意义。当前水利水电工程领域地质模型涵盖了地形、地层、断层、夹层体、节理裂隙等地质信息，已经能够较为完整地描述区域地质情况。通过勘探数据建立的地质模型，为坝体选址，工程施工、灌浆分析等提供指导，地质模型的作用基本上贯穿了从设计、施工，到运行管理的水利水电工程全部周期。

通过地质模型，设计人员能够对区域总体地质情况有所了解，为坝体选址提供指导。在坝体选址过程中能够有效避免有缺陷的区域，并且为水库减少滑坡等事故提供指导；在地下工程施工过程中，地质模型能够对地下工程施工过程中，缺陷部位进行预测，有效避免因为地质情况不明造成的工程事故；在灌浆分析过程中，可以通过预测的节理裂隙分布情况，实时获取灌浆分析数据，为灌浆帷幕安全稳定提供支持。总而言之，地质模型在水利水电工程领域中具有十分重要的意义。

然而，在水利水电工程领域目前来讲，地质模型的精度问题是一个十分突出的问题，地质模型的精度直接影响到模型能否真实再现实际地质情况，为工程设计施工决策提供准确的信息。而地质模型的精度，则直接与所能够获取的实际地

质信息直接相关，而在当今水利水电工程技术水平下，地质信息多是通过钻孔数据，地形勘探，地质接露面等信息，整合分析得到基础地质信息，然后通过某种方式形成地质模型。

5 结论

本文首先详细介绍了三维可视化建模技术的发展历程，并对三维地质模型建立过程做了简单的描述，最后对地质模型的应用以及当前地质模型发展趋势、目前存在的问题以及局限性做了分析。对三维地质可视化建模技术有了整体清晰的认识，三维地质可视化建模技术今后的发展必然与原始数据采集处理、建模技术改进、以及细部地质特性建立密切相关。

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