复杂地质体三维建模与可视化技术应用

　　目前地质工程中采用的地理信息系统通常都是利用二维的地表地物无数和属性信息来进行表现的，而要将其扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统依然存在着一定的难度。 通过对地质工程项目中不同阶段内容的分析和研究也可以看出，整个工程的周期相对较长并且有着一定的复杂性，这样就会存在大量的地质信息资料，而利用三维模型图形图像来进行管理相对以往的数据库以及图表等要更加有效。 在建立地质工程复杂地质体的三维模型时，还需要对岩层界面以及结构面组合关系等内容进行详细的分析，从而利用可视化的技术来对反映出地质结构的整体面貌，地质工作者也可以对地质工程中的岩层以及地质活动规律进行更好的勘探和检测。

　　1 复杂地质体可视化技术的应用分析

　　在利用三维建模软件 TITAN 勘测时需要明确三维建模软件的基本应用原理，同时在建立镇三维实体模型的过程中也需要通过平行的剖面数据来对三维空间的复杂性状物进行整理和开发。 目前应用的三维建模软件都是由北京东方泰坦科技有限公司开发的，其中三维建模软件 TITAN 属于地学综合信息系统中的一项重要组建，整个组件也是框架建模中的一个重要部分，其中主要组成部分有以下几方面内容：首先，剖面的数据处理模块、建立剖面数据以及为建立三维实体模型提供一系列平行剖面组成的框架数据等等，并且数据剖面是由多边形、环形以及点元素来构成的。 其次，在处理对应关系模块时，要建立起不同模块之间的相对应的关系，其中包括了剖面之间、多边形之间、点之间等等内容，建立三维实体模型剖面对应关系也需要在建立建模元素或自荐的三维空间中建立起相应的联系。 最后，模型处理模块在建立实体模型模块时候要利用剖面数据以及剖面剑的对应关系来建立起三维实体模型，这样在对模型进行任意切割、计算面积以及对体积的处理上也要按照标准的要求来进行。 利用三维建模软件来进建模时可以将三维建模以及图形处理引擎紧密的联系在一起，这样适用的范围就会更加广泛。 同时，针对一些相对专业的地质内容建模还需要填充一些新的专业模块，比如地质工程模块等等。 而相比其他国家的三维建模软件，我国在针对复杂地质体建模与分析的针对性上还存在着一定的不足，这样在进行专业性的地质工程中就体现不出特殊性，因此还需要对其进行进一步的分析和研究，从而加以改进和完善。

　　2 地质工程复杂地质体三维建模和可视化的关键技术问题分析

　　2.1 离散数据的插值与拟合地质信息的插值和拟合函数要根据实际勘测数据建立，实测数据越丰富精确，得到的地质模型越能够真实描绘出这些信息的空间分布规律。 对于不同的地质信息，需采用不同的拟合函数。 地表地形测量数据（X 坐标、Y 坐标和地表高程Z）、地下水位埋深测量信息（地下水位测点地表 X 坐标、Y 坐标和水位埋深 h） 等的曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟合。

　　2.2 三维数据结构地质工程地质体一般是不规则形体， 在计算机图形学中曲线和曲面总是分别通过很多微小直线段和微小三角面逼近，来模拟地层岩性界线和岩层曲面，即岩层界面（和地表曲线、地下水位面等地质层面界线）和岩层曲面都分别是许多微小直线段和微小三角面的集合。 这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构， 比如地质工程地质体空间中的点由有三位坐标分量表示，微小直线段由其两个端点组成，地质层面界线由所有属于该边界的微小直线段组成，而岩层曲面由微小三角面组成。 有效的三维数据结构能够确保人机交互和查询的实现。

　　2.3 曲面求交地质体中存在大量各种层面，包括地表、地下水位面、地层层面等，当出现地层不整合、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形时，就自然会遇到曲面间求交的问题；地质体三维模型的上部边界是地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面，即超出部分不应显示。 同样的，当显示多层地层时，下面的每一岩层应以其上一岩层为边界。 因此，为了可视化地层界面必须要解决地层面与地表或其他地层面的求交问题。 另一方面，在剖面图成图时，地质界线的绘制是通过显示剖面（平面）与各种地质界面（曲面）求交所得出的交线。 因此曲面求交包括地质界面（层面）之间的相交，和地质界面与剖面的相交两类问题。

　　2.4 三维拓扑结构分析从地质学角度看， 拓扑是地质对象间关系的表格，拓扑表存储层位间上覆、下伏和交切等的地层学关系及地质空间位置关系。 拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。 例如，考虑多层地层，上一个岩层的底面和与其相邻的下一个岩层的顶面是上下岩层这两个实体的公共部分或共享边界，它们之间的拓扑关系就是相邻和同一的关系，在存储数据时只存储上一个岩层的底面或其相邻的下一个岩层的顶面，即相邻岩层的边界曲面可以存为一个地层曲面，大大减少数据存储量。 评价地质模型系统的优缺点往往决定于描述地质对象所用的拓扑结构。

　　3 复杂地质体三维建模与可视化技术的初步开发与应用

　　3.1 地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究基于离散采样数据的插值与拟合的思想， 即将离散数据转化为连续曲线曲面，地质工程复杂地质体三维建模与可视化的过程是，从勘探数据库中提取各种地质信息的坐标位置及岩土体的物理力学参数，通过不同的拟合与插值函数得到地质层面（曲面）和地质实体的三维计算机图形显示，表达地质信息在研究区域内的分布规律。 生成地质岩层面和地质实体后，实现从任意角度观察建立的模型，实现根据指定的剖面走向、倾向和倾角生成垂直剖面。

　　3.2 初步开发工程勘测空间数据库管理。 工程勘测空间数据库在收集整理现场勘测数据后录入各分项数据表，这些数据表不仅包括地质信息的位置数据，更重要的是提供属性数据。 以地层岩性数据表为例，要求录入钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性（地层名称）、地层代码（地层年代）、岩层走向、岩层倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据。 随着工程勘测的进展，能够方便地修改补充和管理勘测数据。

　　4 结论

　　地质工程复杂地质体的三维建模与可视化研究对于地质工程岩土体结构的研究、直观表达地质体信息在地质工程岩土体中的分布规律和指导地质工程项目的勘测施工都具有重要意义。 地质工程岩土体是复杂的不规则形体， 存在各种地质岩性层面和结构面，完全表达地质信息及岩层和结构面间的位置、 相互切割和组合关系，地质工程复杂地质体的三维建模与可视化研究是大有作为的。