專利名稱：水利水電工程地質(zhì)信息的三維統(tǒng)一模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程地質(zhì)三維模型的構(gòu)建方法，特別是涉及耦合多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型構(gòu)建與分析方法。
背景技術(shù)：
水利水電工程大都在高山峽谷條件下作業(yè)，由于地質(zhì)條件惡劣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)信息眾多等原因，給工程地質(zhì)勘測、樞紐布置與設(shè)計、地下工程施工管理等帶來了極大的困難。在水利水電工程地質(zhì)勘察勘探的各個階段，需要獲得各種地質(zhì)信息，包括地表地形、地層界面、斷層、地下水位、風(fēng)化層厚度分布以及物探、化探資料等，以便對施工提供有效的參考數(shù)據(jù)。但這些通過測量、勘探等手段獲得的直接信息，往往都是一些離散不連續(xù)的數(shù)據(jù)，地質(zhì)工作者很難直接利用這些數(shù)據(jù)分析出它們在地質(zhì)體中的分布規(guī)律。即使能夠預(yù)測各種信息在所研究地質(zhì)區(qū)域中的分布值，面對大量的輸出數(shù)據(jù)，地質(zhì)工作者仍然會感到困難。
傳統(tǒng)的工程地質(zhì)資料的處理和分析方法一般采用二維、靜態(tài)的方式。這種方法所能描述的空間地質(zhì)構(gòu)造的起伏變化，直觀性差、往往不能充分揭示其空間變化規(guī)律，難以使人們直接、完整、準(zhǔn)確地理解和感受地下的地質(zhì)情況，越來越不能滿足工程地質(zhì)師、設(shè)計人員的實際作業(yè)需求。在水利水電工程建設(shè)要求不斷提高和計算機技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，本發(fā)明涉及的水利水電工程地質(zhì)三維建模與分析是一項亟待解決的關(guān)鍵問題，受到廣大水利水電工作者的密切關(guān)注。
國外的三維地質(zhì)建模與分析研究雖然開展較早，并已開發(fā)了一系列較為成熟的商業(yè)建模軟件包，如法國Earth Decision Sciences公司的GOCAD、美國Dynamic Graphics公司的EarthVision、澳大利亞Surpac國際軟件公司的SurpacVision等，但其主要是面向油藏工程、采礦工程等領(lǐng)域，難以在我國水利水電工程領(lǐng)域推廣使用。
另外，目前一般采用傳統(tǒng)的GRID或TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，其數(shù)據(jù)存儲量與精度之間的矛盾較突出；而由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的復(fù)雜性、非線性等特征，利用確定的解析函數(shù)或線性插值難以表示其復(fù)雜多變的幾何形態(tài)。而且此類技術(shù)方案的分析功能單一，不能滿足水利水電工程地質(zhì)多方面分析的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，而提出一種水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，通過基于非均勻有理B樣條(NURBS)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，耦合多種來源的所有有效數(shù)據(jù)實現(xiàn)水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建，并結(jié)合工程實際情況對該模型進(jìn)行一系列分析，從而為分析復(fù)雜地質(zhì)條件下水利水電工程勘測、設(shè)計與施工中的地質(zhì)問題提供可靠的數(shù)據(jù)信息。
一種水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，通過基于非均勻有理B樣條(NURBS)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，耦合多種來源的所有有效數(shù)據(jù)實現(xiàn)水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建，并結(jié)合工程實際情況對該模型進(jìn)行一系列分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數(shù)據(jù)的空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析；基于NURBS、TIN和BRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類幾何建模，根據(jù)它們之間的空間關(guān)系進(jìn)行布爾操作運算，并進(jìn)行可靠性分析與檢驗，完成三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建；基于三維統(tǒng)一模型完成一系列的水利水電工地質(zhì)分析。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明成功解決了復(fù)雜地質(zhì)體信息存儲量大與分析要求高的矛盾。本發(fā)明從幾何性、合理性、原始數(shù)據(jù)精度和反饋信息四個方面為模型提供了一套系統(tǒng)完整的可靠性分析與檢驗手段，確保模型的客觀準(zhǔn)確性。本發(fā)明的基于三維統(tǒng)一模型的水利水電工程地質(zhì)分析方法，包括巖體質(zhì)量可視化分級、三維模型任意剖切分析、二維剖面自動生成、大壩和地下工程地質(zhì)分析、巖體面積體積計算、等值線自動生成等，為分析復(fù)雜地質(zhì)條件下水利水電工程勘測、設(shè)計與施工中的地質(zhì)問題提供了有力的技術(shù)手段。本發(fā)明對水利水電工程可實現(xiàn)簡單快速的建模，并提供便捷的模型反饋機制、公共數(shù)據(jù)通道，能快速耦合新的數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型的及時更新，為水利水電工程勘測、設(shè)計與施工提供了全新的技術(shù)支持。


圖1是本發(fā)明的NURBS-TIN-BRep多源混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建示意圖；圖3是本發(fā)明的三維地質(zhì)建模流程圖；圖4是構(gòu)建的某實際水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型；圖5是基于三維地質(zhì)模型的巖體質(zhì)量可視化分級建模流程；圖6是構(gòu)建的某實際工程壩區(qū)巖級三維模型；圖7是基于三維地質(zhì)模型進(jìn)行的數(shù)字鉆孔分析。
具體實施例方式
本發(fā)明所提出的水利水電工程地質(zhì)信息的三維統(tǒng)一模型構(gòu)建方法，采用的技術(shù)方案主要內(nèi)容包括耦合多源數(shù)據(jù)的水利水電工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間解析、水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建及分析。
1、耦合多源數(shù)據(jù)的水利水電工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間解析，具體步驟包括將水利水電工程原始地質(zhì)數(shù)據(jù)分為地表空間數(shù)據(jù)，包括地形、地質(zhì)點、遙感圖像；以及地下空間數(shù)據(jù)，包括鉆孔、平硐、物探。按照三維建模的要求進(jìn)行地形三維數(shù)字化處理、地層巖性劃分和褶皺斷層構(gòu)造的空間解析，將以上原始數(shù)據(jù)分別按照直接可用數(shù)據(jù)(如鉆孔、平硐屬性數(shù)據(jù)，表格存儲)和間接圖形數(shù)據(jù)(如三維地形、實測剖面、解譯得到的地層界線、褶皺/斷層構(gòu)造跡線等，AutoCAD平臺)進(jìn)行耦合，完成剖面制作；并引入平衡剖面技術(shù)檢驗剖面是否符合實際；最后將所有的橫、縱剖面和平切面等按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層歸類和三維轉(zhuǎn)換處理，在三維環(huán)境下檢查各層點、線對象的耦合一致性，為三維地質(zhì)建模提供客觀準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2、水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建，具體步驟包括將建模對象分為自然地質(zhì)對象(包括地形類、地層類、斷層類和界限類)和人工對象(包括大壩、地下建筑物、鉆孔、平硐等)，基于NURBS、TIN和BRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)對其進(jìn)行分類幾何建模，根據(jù)它們之間的空間關(guān)系進(jìn)行布爾操作運算，并進(jìn)行可靠性分析與檢驗，完成耦合地質(zhì)信息和工程建筑物信息的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建。
(1)三維數(shù)字地形NURBS簡化建模。地表地形是地質(zhì)形態(tài)中最直接最基本的部分，而數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)不僅是整個地質(zhì)模型建立過程中所有運算操作的受體，同時也是其重要的組成部分，它必須滿足存儲量小、精確度高且易于圖形操作運算的要求。
本發(fā)明采用基于TIN模型的NURBS簡化建模算法構(gòu)建DTM，其算法步驟如下處理等高線，若等高線密度太稀，則通過線性插值進(jìn)行加密；生成TIN模型，基于整理好的等高線，在GIS環(huán)境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三維DTM，并消除等高線過于密集或采集信息缺乏所造成的細(xì)小、狹長三角形，獲得高精度的TIN模型；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將所產(chǎn)生的TIN模型從GIS環(huán)境中轉(zhuǎn)化到所開發(fā)的NURBS處理系統(tǒng)中形成多邊形mesh曲面，并保證三角形沒有丟失或產(chǎn)生變化；獲取控制點，在NURBS系統(tǒng)中從mesh曲面按u或v方向等間距提取足夠多的分布均勻且連續(xù)的輪廓線，并進(jìn)行離散化處理，反算得到相應(yīng)的控制信息點數(shù)據(jù)；擬合NURBS地形曲面，根據(jù)控制點數(shù)據(jù)利用NURBS算法重新擬合生成地形控制曲面；生成NURBS地形輪廓體，按照研究區(qū)域?qū)⑸鲜鯪URBS曲面進(jìn)行范圍界定并裁剪，獲得簡化的NURBS地形模型，進(jìn)而以BRep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成相應(yīng)的地形輪廓體模型。
(2)地層類地質(zhì)對象建模。建模過程中最重要的是解決不同接觸關(guān)系地層間的精確匹配的問題。為此，本發(fā)明提出一種簡單的裁剪-疊加方法來縫合鄰接地層間的結(jié)構(gòu)面，具體步驟為首先根據(jù)各自的地質(zhì)數(shù)據(jù)分別建立相鄰地層的上部結(jié)構(gòu)面，然后計算兩曲面的交線，以交線為邊界對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行裁剪，從而得到兩地層間的結(jié)合面，最后通過疊加兩者能夠很好的吻合。
其中，對于多值褶皺構(gòu)造地層，考慮到褶皺要素產(chǎn)狀，本發(fā)明提出了典型構(gòu)造輪廓線方法，其步驟如下基于褶皺地層界面上的鉆孔點和剖面線匯總數(shù)據(jù)，分析褶皺要素產(chǎn)狀及其幾何形態(tài)特征；然后以剖面線為基礎(chǔ)構(gòu)造反映褶皺空間特征的輪廓線，為了不丟失信息，根據(jù)褶皺的要素產(chǎn)狀，盡量選取有特征的鉆孔點，如樞紐點、轉(zhuǎn)折端部位點等，結(jié)合剖面線趨勢插入新的典型輪廓線；最后加入邊界約束條件，根據(jù)輪廓線集合進(jìn)行NURBS曲面擬合構(gòu)造，形成相應(yīng)的褶皺光滑曲面，進(jìn)而構(gòu)建出相應(yīng)的褶皺地層實體模型。
(3)斷層類地質(zhì)對象建模。
對于兩相交斷層或斷層錯斷地層的構(gòu)造建模，其錯斷位移在實際情況下會有不同。本發(fā)明所采用方案具體步驟包括當(dāng)錯斷位移較小時，采用直接錯斷法；當(dāng)錯斷位移較大，則采用分盤匹配法，以使所建立的模型滿足精度要求。直接錯斷法首先對主斷層建模，然后在精度允許情況下，將被錯斷層兩部分按照錯動方式直接連接成一個整體，利用NURBS技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，最后通過布爾運算利用主斷層切割被錯斷層即可。分盤匹配法則對被錯斷層的不連續(xù)兩部分分別進(jìn)行構(gòu)造建模，并在構(gòu)建過程中，調(diào)整其與主斷層相交處的邊界，使其邊界線均位于主斷層體上即可。
而對于斷裂構(gòu)造發(fā)育極其復(fù)雜的工程區(qū)域，由于所形成的斷層網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，本發(fā)明提出了又在上述建模方法中加入了面向歷史構(gòu)造的處理，其主要步驟為根據(jù)斷層網(wǎng)絡(luò)中各個斷層的產(chǎn)狀、構(gòu)造特征和錯動關(guān)系分析各自的歷史形成過程，利用拓?fù)渑判蛩惴?，建立其活動結(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型，對它們發(fā)育構(gòu)造形成的先后關(guān)系進(jìn)行排序，然后依序針對其錯斷位移大小，在兩相交斷層構(gòu)造的基礎(chǔ)上實現(xiàn)復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)的三維建模。該方法中的面向歷史過程，充分考慮了斷層的構(gòu)造形成和相互交錯情況，重構(gòu)模型不僅精確揭示了區(qū)域內(nèi)斷層在地質(zhì)巖體中的空間展布，而且真實地再現(xiàn)了歷史形成條件下的斷層空間拓樸關(guān)系。
(4)界限類地質(zhì)對象建模。界限類對象主要包括人為劃分的強、弱、微不同等級的風(fēng)化、卸荷界限，以及地下水位分界面等，該類對象最大的特點是分布不連續(xù)，不同級別的風(fēng)化、卸荷界限會發(fā)生交叉現(xiàn)象。針對采樣數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量的不同提出相應(yīng)的處理方法，本發(fā)明所采取得的具體步驟包括對采樣數(shù)據(jù)充足、精度高的區(qū)域，根據(jù)其剖面線三維分布特點，直接進(jìn)行NURBS擬合；對于采樣數(shù)據(jù)不足的區(qū)域，首先對長度或?qū)挾炔蛔愕钠拭婢€進(jìn)行三維延伸，可依據(jù)剖面線自身趨勢并結(jié)合該曲線垂向上的地形形態(tài)進(jìn)行推斷；然后基于這些剖面線數(shù)據(jù)，將該區(qū)域風(fēng)化或卸荷界限作為一個連續(xù)的整體構(gòu)建NURBS曲面；最后利用地形相似法將該曲面與地形、地層整合于一起進(jìn)行分析、調(diào)整，而對于不存在風(fēng)化或卸荷的區(qū)域，則進(jìn)行裁剪處理。這樣，基于有限的采樣數(shù)據(jù)可以獲得盡可能真實、誤差較小的界限曲面。
(5)人工對象建模。包含大壩、建基面、地下廠房系統(tǒng)、導(dǎo)流洞等與地質(zhì)條件密切相關(guān)的人工建筑物以及鉆孔、平硐等勘探對象。相對于地質(zhì)對象，人工對象的幾何建模工作相對簡單，本發(fā)明采用NURBS技術(shù)建模，便于與地質(zhì)對象進(jìn)行布爾操作運算，且具有精度高、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點。具體步驟包括對于土石壩，首先根據(jù)填筑材料、結(jié)構(gòu)型式及功能的不同劃分為幾個區(qū)；然后根據(jù)各分區(qū)形體參數(shù)(包括高度、寬度、坡度)、控制高程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行NURBS圖形建模；最后按照分區(qū)間層次拓?fù)潢P(guān)系連接組合，通過布爾合并運算完成整體大壩模型的構(gòu)建。對于混凝土壩，則可以直接根據(jù)描述其體形的一系列函數(shù)或曲線方程及相應(yīng)的控制點坐標(biāo)，生成其三維幾何模型；若得不到曲線方程，可以提取各平切面圖中不同高程的大壩平切輪廓線，利用NURBS技術(shù)擬合大壩實體模型。對于地下建筑物，是由若干條地下洞室組成的集合；對于每一個地下洞室對象，洞室斷面形態(tài)控制洞室的幾何形態(tài)，洞室中心線則控制其空間位置。根據(jù)這兩項數(shù)據(jù)，再加上控制坐標(biāo)，則利用路徑掃描法快速實現(xiàn)洞室三維建模。
(6)模型可靠性分析。本發(fā)明從以下四個方面為模型提供完整系統(tǒng)的可靠性分析與檢驗①模型組成部分的幾何性檢查，即檢查構(gòu)造過程中地質(zhì)對象在幾何結(jié)構(gòu)及拓?fù)潢P(guān)系上是否正確。分別需要檢查線的連續(xù)性、面的連續(xù)性和拓?fù)湫?、體的封閉性和相關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性，若發(fā)現(xiàn)錯誤，則需進(jìn)行修正或者重新構(gòu)造。②地質(zhì)結(jié)構(gòu)合理性的檢查，即檢查或驗證所擬合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面或體的整體趨勢是否合理?？衫玫刭|(zhì)平面圖、橫剖面圖、平切剖面圖以及地質(zhì)趨勢面分析同時進(jìn)行對比檢查。③原始數(shù)據(jù)的精度檢驗，即驗證原始數(shù)據(jù)(鉆孔、平硐)是否被保留，所形成的面是否與原始數(shù)據(jù)點相一致。一般選取大部分鉆孔、平硐數(shù)據(jù)作為地質(zhì)構(gòu)造建模的原始樣本集，而留下5~6組作為檢驗樣本集進(jìn)行精度檢驗。④模型的反饋檢查與檢驗，即利用后期獲得的勘探資料對重構(gòu)模型的局部進(jìn)行有效的檢查與檢驗。信息反饋和相應(yīng)的誤差檢測分析機制是減少數(shù)據(jù)誤差、提高模型精度的有效方法，為后續(xù)的勘探、設(shè)計和施工提供有力的地質(zhì)依據(jù)。
(7)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建。本發(fā)明利用三維幾何對象的任意布爾切割算法，基于上述四類地質(zhì)對象構(gòu)成的三維地質(zhì)幾何模型，利用工程建筑物模型對其進(jìn)行一系列圖形操作運算，構(gòu)建水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一幾何模型。為了更真實清楚地表達(dá)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)間的物理特征和視覺差別，采用表面紋理和顏色來渲染各種地質(zhì)對象。巖體表面紋理的描繪沒有必要過于細(xì)致，采用擾動函數(shù)法來模擬，通過擾動物體表面法線方向來模擬表面凹凸紋理的真實感效果，滿足感官的觀察需要。該方法對原表面上的法線方向附加一個擾動函數(shù)，此函數(shù)使得原來法線方向的光滑、緩慢的變化方式變得劇烈而短促，通過光照形成了表面凹凸粗糙的顯示效果，不同的擾動函數(shù)控制生成不同的紋理。根據(jù)該算法，結(jié)合地質(zhì)制圖標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)實際的巖性描述和巖石照片，形成一套新的三維圖例庫，可對各巖層體、巖脈等進(jìn)行表面紋理描繪，而其它結(jié)構(gòu)體如斷層、軟弱巖帶、地下水位線、風(fēng)化卸荷帶等則用標(biāo)準(zhǔn)顏色醒目地顯示，獲得逼真且特征鮮明的效果。最終的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型能夠滿足地質(zhì)確定性、可視性和可快速修改性的要求。
3、基于三維統(tǒng)一模型的水利水電工程地質(zhì)分析。
上述三維模型已經(jīng)能夠全方位、動態(tài)地顯示(旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等)，并采用“層次化”和“即用即得”操作方式，可按需要顯示單個地質(zhì)體，在一定程度上能夠表達(dá)地質(zhì)實體的整體輪廓、空間位置關(guān)系及其厚度屬性等信息。然而，這遠(yuǎn)未完全滿足研究復(fù)雜地質(zhì)條件對工程影響分析的需要，地質(zhì)工程師和設(shè)計、施工人員需要在此模型基礎(chǔ)上能獲得更多對工程建筑物設(shè)計和施工有用的地質(zhì)信息和操作，真正做到對水利水電工程優(yōu)化設(shè)計與快速施工提供有效的技術(shù)支持。本發(fā)明基于三維統(tǒng)一模型的水利水電工程地質(zhì)分析內(nèi)容主要包括(1)基于三維地質(zhì)模型的工程巖體質(zhì)量可視化分級分析，具體步驟如下①提取地質(zhì)結(jié)構(gòu)體并分類。從三維地質(zhì)模型中提取各種地質(zhì)元素結(jié)構(gòu)體，如地層、斷層、侵入體等，根據(jù)巖級分類方案各地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否與巖級一致，若一致則將其歸為無需處理的地質(zhì)體，否則歸類為需處理的地質(zhì)體進(jìn)入下一步。
②連續(xù)巖體合并處理。對于需要處理的地質(zhì)體又可分為兩部分，一部分是相鄰兩個或兩個以上的相同巖級的地質(zhì)體，另一部分則是在同一地質(zhì)體內(nèi)存在不同巖級分類的地質(zhì)對象。前者可以直接利用簡單的布爾并運算將相同巖級的地質(zhì)體合并為一個實體，并賦以相應(yīng)的巖級類別；而后者則需要較為復(fù)雜的處理。
③不連續(xù)部分切割處理，即處理巖級分類存在不連續(xù)部分的地質(zhì)體。先通過巖級分類方案構(gòu)造出三維地質(zhì)模型中不存在的新的巖級結(jié)構(gòu)面，并與風(fēng)化卸荷界限曲面一起，對上述地質(zhì)體進(jìn)行多種布爾運算(差、并)，獲得各類巖級的不連續(xù)巖體。
④模型組合檢查與修改。對上述連續(xù)的和不連續(xù)的巖體進(jìn)行組合，同樣從模型的幾何性、合理性和精度對比三個方面進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)錯誤或誤差較大，則對其進(jìn)行相應(yīng)的修改更新。
⑤模型表示及輸出。根據(jù)模型中的各級別分類巖體的具體情況，選擇合適的顏色或紋理對其進(jìn)行三維映射描繪，尤其是巖體質(zhì)量較差且對工程影響較大的巖級應(yīng)采用相對醒目的顏色或紋理；確定之后即可渲染輸出。
(2)水利水電工程地質(zhì)模型的任意剖切分析。主要內(nèi)容包括①三維剖切分析，針對工程建筑物布置和大壩高度等進(jìn)行的與工程密切相關(guān)的不同位置橫、縱剖面圖和不同高程的平切圖是水利水電工程地質(zhì)分析中的重要內(nèi)容。基于三維統(tǒng)一模型，運用NURBS技術(shù)和布爾切割算法，可以進(jìn)行任意方向、任意位置、任意深度的三維實時剖切分析。
②二維剖面圖自動生成，為了滿足大多數(shù)工程師的習(xí)慣和工程地質(zhì)圖成果輸出的需要，還需進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)映射將三維剖切圖轉(zhuǎn)化為規(guī)范的二維CAD剖面圖，該方法分三步進(jìn)行首先獲得三維剖切圖，與上述三維地質(zhì)剖切圖的生成過程類似，要改動的只是剖切面需作兩個相互平行的剖面，將所作的剖切面復(fù)制平移一小段距離(一般取0.1~0.5m)即可，要注意平移方向，得到包含所需剖面信息的一塊極薄的三維地質(zhì)剖切圖，這將有利于提高二維轉(zhuǎn)化的運算效率；其次處理所得三維剖切圖，對于平切圖，若其走向與正北方向有一定的角度，只需將其旋轉(zhuǎn)到一致的方向即可；對于垂直切面圖，若存在轉(zhuǎn)折點則首先對其切割展開，然后通過旋轉(zhuǎn)使其方向垂直視覺即可；最后轉(zhuǎn)化二維剖面圖，對處理好的三維剖切圖通過投影將其轉(zhuǎn)化并保存為二維CAD剖面圖，其組成單元為直線和二維多段線。
③鉆孔、平硐模擬與優(yōu)化布置，鉆孔、平硐是獲取水利水電工程樞紐區(qū)地下地質(zhì)情況的重要勘探手段，然而實際工作中勘探工作量和時間是有限的，而且勘探費用昂貴，因此如何布置勘探以獲取更多更優(yōu)的地質(zhì)信息是每個勘察項目必然面對的問題?；谒鶚?gòu)建的三維地質(zhì)模型，工程地質(zhì)人員可以直接在模型上進(jìn)行鉆孔、平硐優(yōu)化布置，并進(jìn)行數(shù)字勘探，確定最優(yōu)勘探位置。這樣不僅能夠有效地減少鉆孔、平硐數(shù)量，降低費用，同時還提高了勘探質(zhì)量，降低了工作強度。
(3)主體工程三維地質(zhì)分析。工程地質(zhì)條件的好壞對水利水電工程建筑物的方案選擇和設(shè)計往往起到?jīng)Q定性的作用，尤其是其主體工程，如大壩、導(dǎo)流洞、地下廠房等，三維地質(zhì)模型和巖級模型的建立為地質(zhì)人員和設(shè)計、施工人員搭起了一座橋梁。其主要內(nèi)容包括①大壩工程地質(zhì)分析。大壩是水利水電工程中最重要的擋水建筑物，對地基巖體的地質(zhì)條件有很高的要求。在大壩設(shè)計和施工中，以三維巖級模型為主，可以進(jìn)行建基面開挖與基礎(chǔ)處理分析、針對大壩重點部位的剖切分析等，對壩基或壩肩巖體的地質(zhì)條件加以充分地分析研究，為建基面的方案選擇與優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。
②地下工程地質(zhì)分析。目前水利水電工程中地下建筑物的數(shù)量增加很快，其規(guī)模也愈來愈大。大跨度、高邊墻地下廠房及長隧洞的興建，必然會遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件和大量的地質(zhì)問題，給地下工程設(shè)計與施工帶來較大的困難?；谌S地質(zhì)模型或巖級模型，可對地下洞室提供多方面的地質(zhì)分析地下洞室群地質(zhì)開挖分析、針對地下洞室關(guān)鍵部位的剖切分析、地下洞室布置方案選擇的地質(zhì)評價、地下工程施工開挖的宏觀超前地質(zhì)預(yù)報、以及結(jié)合地質(zhì)模型的地下洞室施工過程動態(tài)分析等，它們?yōu)閺?fù)雜地下工程設(shè)計與施工中遇到的工程地質(zhì)問題提供了一種有效的分析手段。
(4)其它常用分析工具。主要包括①巖體面積、體積計算。巖土體開挖和回填是水利水電工程建設(shè)中必不可少的環(huán)節(jié)，在對三維地質(zhì)模型進(jìn)行開挖切割或置換回填后，需要快速方便地計算相應(yīng)的表面面積和填挖處理巖體工程量的體積。為了獲得精確的計算結(jié)果，需直接對NURBS自由曲線曲面進(jìn)行積分運算。對于NURBS曲面上的任一點計算相應(yīng)的法矢量，同時用離散的方法將曲面區(qū)域劃分為一系列矩形區(qū)域，每一區(qū)域經(jīng)過變量代換后應(yīng)用Gauss-Legendre求積公式求出該小塊區(qū)域?qū)?yīng)的面積和體積，然后經(jīng)過求和即可得到整個區(qū)域的表面面積和總體體積。
②等值線圖自動生成。在水利水電工程地質(zhì)分析中，最常用的等值線圖是等高線圖?；谌S地質(zhì)模型，不僅能夠獲得更高質(zhì)量的地形等高線，還可自動生成地質(zhì)體內(nèi)各地質(zhì)界面的等高線圖，以便進(jìn)一步分析。其自動生成原理很簡單，某一地質(zhì)界面是一個光滑的空間曲面，令平面z＝c(c為常數(shù))與該曲面求交，即可得出一條等高線；當(dāng)不斷改變常數(shù)c的大小后，就可獲得一組等高線。
本發(fā)明提出了耦合多源數(shù)據(jù)的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建方法，對各種來源的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合解析，保證了所有有效數(shù)據(jù)成為建?？衫玫男畔?；以面向?qū)ο蟮姆诸愃枷耄诨旌蠑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了地質(zhì)對象的擬合構(gòu)造建模和人工對象建模，提供可供選擇的建模機制；從幾何性、合理性、原始數(shù)據(jù)精度和反饋信息四個方面進(jìn)行模型可靠性分析，確保模型解釋符合真實情況；對地質(zhì)、人工對象模型進(jìn)行布爾運算構(gòu)建水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型，并能快速耦合新的數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型的及時更新?，F(xiàn)有技術(shù)主要采用鉆孔數(shù)據(jù)或者簡單地對鉆孔和二維剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加來完成三維建模，數(shù)據(jù)源較為單一；模型的建立過程中沒有進(jìn)行完整系統(tǒng)的可靠性分析，模型的精度和可信度不高；沒有考慮工程建筑物與地質(zhì)實體的耦合統(tǒng)一。
本發(fā)明一個實施例如下某水利水電工程地處高山峽谷，壩段及鄰近區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，地層普遍變質(zhì)，褶皺強烈，斷裂發(fā)育，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件給工程設(shè)計與施工帶來了很大的困難。根據(jù)工程實際情況，選擇研究區(qū)域為一長方形，沿河流方向呈北東向展布，長1700m，寬1560m，面積約2.7平方公里。該工程的原始工程地質(zhì)勘測資料豐富，其中壩址段主要包括5m等高線地形圖，鉆探14743.43m/100孔，平硐15519.2m/72個，經(jīng)過解譯分析得到一系列二維成果1幅區(qū)域工程地質(zhì)平面圖，8個橫剖面圖，5個縱剖面圖，19個不同高程的平切面圖，以及其它各種沿建筑物軸線剖切的剖面圖等。
基于上述基本資料，如圖2所示，為本發(fā)明水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建示意圖結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)，幾何建模206所包含的數(shù)據(jù)包括原始勘探數(shù)據(jù)201、二維地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)202以及工程設(shè)計數(shù)據(jù)203，其結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)205和混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所建立的模型種類包括由自然地質(zhì)對象208的地形類、地層類、斷層類和界限類對象210所構(gòu)成的三維地質(zhì)模型209，和人工對象211(包含鉆孔平硐、大壩工程、地下工程和壩肩開挖213)所建立的工程建筑模型212，再加上對原始勘探數(shù)據(jù)201所做的改進(jìn)的地質(zhì)趨勢面分析204，對所生成的三維地質(zhì)模型209進(jìn)行補充驗證，最終獲得工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型214。
如圖3所示，為本發(fā)明三維地質(zhì)建模流程圖。基于所獲得數(shù)據(jù)資料301，其工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析實現(xiàn)過程包括以下步驟(1)建立地形輪廓體305。①處理地形等高線302確定地質(zhì)整體模型的平面范圍，修剪或者補齊等高線使之落入此平面范圍內(nèi)，并調(diào)整好地理位置的坐標(biāo)(使坐標(biāo)數(shù)量級最小)。②按照技術(shù)方案中的基于TIN模型303的NURBS簡化算法生成三維地形數(shù)字模型304。③確定地質(zhì)模型最低高程，用最低高程平面和地形面去切割由研究區(qū)域確定的垂直柱體，構(gòu)建三維地形輪廓體305。
(2)處理原始地質(zhì)數(shù)據(jù)306和二維解譯圖形資料307。①地質(zhì)對象分圖層存儲從所有圖形中提取出整個地質(zhì)模型中涉及到的具體地質(zhì)信息，分類存儲于地層類預(yù)處理數(shù)據(jù)、斷層類預(yù)處理數(shù)據(jù)和界限類預(yù)處理數(shù)據(jù)中；進(jìn)行圖層篩選，在要處理的圖形中添加所需要的圖層，給每個地質(zhì)信息賦相應(yīng)的圖層。②規(guī)范化處理統(tǒng)一比例和坐標(biāo)基點。③二維剖面三維化處理建立所有剖面位置端點坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實際坐標(biāo)將所有二維剖面自動進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換。
(3)構(gòu)建三維地質(zhì)模型。首先基于上述處理過的數(shù)據(jù)資料，分類進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的NURBS構(gòu)造308，并根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間關(guān)系完成地質(zhì)曲面的整合309；然后以地形輪廓體305和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面為對象進(jìn)行布爾切割運算，得到各類三維地質(zhì)體310，進(jìn)而耦合得到相應(yīng)的三維地質(zhì)幾何模型311；最后經(jīng)過紋理映射312、模型的檢查與檢驗313之后，得到最終的三維地質(zhì)模型314。
(4)構(gòu)建工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型。在三維地質(zhì)模型314和工程建筑物模型構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)技術(shù)方案中水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建方法，得到該水利水電工程地質(zhì)的三維統(tǒng)一模型，如圖4所示。該模型信息量大，包含21個不同的巖層、河床覆蓋層、13個與工程關(guān)系密切的大斷層、4條云斜煌斑巖脈、數(shù)十條深裂縫、強卸荷弱風(fēng)化下限與弱卸荷下限、地下水位面，以及拱壩、導(dǎo)流洞、地下洞室群等水工建筑物。
(5)基于統(tǒng)一模型進(jìn)行工程地質(zhì)分析。基于所構(gòu)建的三維統(tǒng)一模型按照技術(shù)方案實施一系列分析工作，包括該工程巖體質(zhì)量可視化分級建模(流程如圖5所示、實現(xiàn)模型如圖6所示)、三維任意剖切分析(數(shù)字鉆孔如圖7所示)、二維剖面自動生成、大壩建基面模擬分析、大壩地質(zhì)剖切分析、地下洞室三維地質(zhì)模型分析、地下建筑物設(shè)計方案調(diào)整等。
權(quán)利要求
1.一種水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，通過對基于非均勻有理B樣條(NURBS)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的耦合，對所有建模對象實現(xiàn)三維統(tǒng)一建模，并對該三維模型進(jìn)行合理分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數(shù)據(jù)的空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析；基于NURBS、TIN和BRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類幾何建模，根據(jù)它們之間的空間關(guān)系進(jìn)行布爾操作運算，并進(jìn)行可靠性分析與檢驗，完成三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建；基于三維統(tǒng)一模型完成一系列的水利水電工地質(zhì)分析。
2.如權(quán)利要求1所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述對耦合多源數(shù)據(jù)的地質(zhì)空間進(jìn)行解析的步驟，還包括以下步驟將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，完成剖面制作；檢驗剖面是否符合實際；所有的橫、縱剖面和平切面進(jìn)行分層歸類和三維轉(zhuǎn)換處理，在三維環(huán)境下檢查各層點、線對象的耦合一致性。
3.如權(quán)利要求2所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述原始數(shù)據(jù)包括屬于直接可用數(shù)據(jù)的鉆孔、平硐屬性數(shù)據(jù)，表格存儲，和屬于間接圖形數(shù)據(jù)的三維地形、實測剖面、解譯得到的地層界線、褶皺/斷層構(gòu)造跡線及AutoCAD平臺。
4.如權(quán)利要求1所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述建模對象包括自然地質(zhì)對象和人工對象建模，其中，自然地質(zhì)對象又包括地形類、地層類、斷層類和界限類地質(zhì)對象。
5.如權(quán)利要求4所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述對地形類地質(zhì)對象建模的過程，包括以下步驟處理等高線，若等高線密度太稀，則通過線性插值進(jìn)行加密；生成TIN模型，基于整理好的等高線，在GIS環(huán)境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三維DTM，并消除等高線過于密集或采集信息缺乏所造成的細(xì)小、狹長三角形，獲得高精度的TIN模型；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將所產(chǎn)生的TIN模型從GIS環(huán)境中轉(zhuǎn)化到所開發(fā)的NURBS處理系統(tǒng)中形成多邊形mesh曲面，并保證三角形沒有丟失或產(chǎn)生變化；獲取控制點，在NURBS系統(tǒng)中從mesh曲面按u或v方向等間距提取足夠多的分布均勻且連續(xù)的輪廓線，并進(jìn)行離散化處理，反算得到相應(yīng)的控制信息點數(shù)據(jù)；擬合NURBS地形曲面，根據(jù)控制點數(shù)據(jù)利用NURBS算法重新擬合生成地形控制曲面；生成NURBS地形輪廓體，按照研究區(qū)域?qū)⑸鲜鯪URBS曲面進(jìn)行范圍界定并裁剪，獲得簡化的NURBS地形模型，進(jìn)而以BRep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成相應(yīng)的地形輪廓體模型。
6.如權(quán)利要求4所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述對地層類地質(zhì)對象建模的過程中，實現(xiàn)鄰接地層間結(jié)構(gòu)面的縫合，包括以下步驟首先根據(jù)各自的地質(zhì)數(shù)據(jù)分別建立相鄰地層的上部結(jié)構(gòu)面，然后計算兩曲面的交線，以交線為邊界對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行裁剪，將得到的兩地層間的結(jié)合面進(jìn)行疊加，使其吻合。
7.如權(quán)利要求4所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述對斷層類地質(zhì)對象建模的過程，包括以下步驟當(dāng)錯斷位移較大，則采用分盤匹配法，以使所建立的模型滿足精度要求。直接錯斷法首先對主斷層建模，然后在精度允許情況下，將被錯斷層兩部分按照錯動方式直接連接成一個整體，利用NURBS技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，最后通過布爾運算利用主斷層切割被錯斷層。
8.如權(quán)利要求4所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述斷層類地質(zhì)對象建模的過程，包括以下步驟對被錯斷層的不連續(xù)兩部分分別進(jìn)行構(gòu)造建模，并在構(gòu)建過程中，調(diào)整其與主斷層相交處的邊界，使其邊界線均位于主斷層體上。
9.如權(quán)利要求1所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述模型可靠性分析與檢驗的過程，包括以下步驟檢查構(gòu)造過程中地質(zhì)對象在幾何結(jié)構(gòu)及拓?fù)潢P(guān)系上是否正確；檢查或驗證所擬合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面或體的整體趨勢是否合理；驗證原始數(shù)據(jù)(鉆孔、平硐)是否被保留，所形成的面是否與原始數(shù)據(jù)點相一致；利用后期獲得的勘探資料對重構(gòu)模型的局部進(jìn)行有效的檢查與檢驗。
10.如權(quán)利要求1所述的水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，其特征在于，所述基于三維統(tǒng)一模型的水利水電工程地質(zhì)分析，包括以下內(nèi)容工程巖體質(zhì)量可視化分級分析；三維任意剖切分析及二維剖面自動生成分析；大壩建基面模擬分析及大壩地質(zhì)剖切分析；地下洞室三維地質(zhì)模型分析及地下建筑物設(shè)計方案調(diào)整分析。
全文摘要
一種水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建與分析方法，通過對基于非均勻有理B樣條(NURBS)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的耦合，對所有建模對象實現(xiàn)三維統(tǒng)一建模，并對該三維模型進(jìn)行合理分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數(shù)據(jù)的空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析；基于NURBS、TIN和BRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類幾何建模，根據(jù)它們之間的空間關(guān)系進(jìn)行布爾操作運算，并進(jìn)行可靠性分析與檢驗，完成三維統(tǒng)一模型的構(gòu)建；基于三維統(tǒng)一模型完成一系列的水利水電工地質(zhì)分析。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明成功解決了復(fù)雜地質(zhì)體信息存儲量大與分析要求高的矛盾。可實現(xiàn)簡單快速的建模，并提供便捷的模型反饋機制、公共數(shù)據(jù)通道，能快速耦合新的數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型的及時更新。
文檔編號G06T17/05GK1858803SQ20061001342
公開日2006年11月8日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者鐘登華, 李明超, 劉杰, 宋洋 申請人:天津大學(xué)