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摘要：在可视化学识与计算机图形学的全面更新进步下，三维地质建模及可视化是如今社会各界的研究焦点。地质建模可视化方法为地质施工人员在3D空间勘测地质构造、研究地质特征带来了新技术与措施，能为建筑规划设计带来明确的参考标准。这篇文章我们根据工程地质勘测资料为研究切入点，探索工程地质三维建模和可视化的具体算法和技术措施。
关键词：工程地质；三维建模；可视化技术；研究应用
前言
地质三维可视化是当前数字化项目的关键要素，是如今数字地质等行业的探索焦点。通常，地质数据信息，涉及地表地貌、地层环境、断层、地下水位、风化层分布情况及多类物探化探数据，都能在野外测量得出。这些信息通常是离散数据分布，地质施工人员无法根据这些资料掌握地质体的分布特征，对于这些实测数据，人们希望能够运用可视化技术明确显示出地质分布状况。所以，地质三维建模及可视化技术的探索发展是计算机广泛应用于地质探索的一个必经之路。
一、地质三维建模及可视化基础
1.地质三维可视化及实现技术
1.1概述
可视化属于心智处理程序，推动人们对事物的勘测及建立概念等。可视化的一般作用就是透视不可见的理论知识，把抽象知识生动的展示出来。由于钻井技术的更新进步，人们在地下的工程操作逐渐增多，开发规模逐渐增大，掌握了更全面丰富的数据，为了解地质构造、物质储量带来了更广泛的素材资料。但是，这些大量的数字公式展示的数据资料，人们的认知有着较大难度，可视化技术能够形象的表达出事物特征，在大量数据资料中了解隐形特点。可视化技术包括很多科目种类，如计算机图形学、多媒体技术和数据库资源等，一般思想就是根据图形表达数据信息。一般原理如图1有：
①数据预处理。对原始数据分析处理，减弱噪音及提取感兴趣的信息，并做一定修改完善、再增添一些标记，经过转换得到一致的数据模式。
②建立几何模型。在预处理之后的信息资料反映出抽象物质的几何图形，分析出物质对象几何属性，确保数据有一定的图形特征。
③模型绘制。利用可视化技术，如几何空间映射法、特征可视化等技术措施，在处理研究的基础上，把几何图元绘制出科学的图形形式，通过动态、静态各形式来展示，并且要依靠人类的视觉分析，把数据绘制出便于人类理解掌握的形式，获得隐性数据信息。
1.2地质三维可视化内容
地质三维可视化既要明确绘制出三维地质模型，还要在模型前提下做一定处理分析，如剖切、挖方等。这就要求把地质数据库控制、地质可视化探究、决策分析等协调统一，创建数据信息—模型—探究有机统一体，所以，地质三维可视化内容有：
（1）基础地质数据管理：在地质勘测期间，由钻孔掌握的原始信息是地质对象特点研究的重要参考条件，且在勘测项目的全面落实下，还要对数据查找和补充，因此对这些地质信息科学的规划和组织是很关键的。
（2）地质变量的空间检测：地质变量通常是在三维分布上逐渐改变的，然而勘测信息仅仅是离散分布，所以一定要在二维和三维的空间范围内，对地质变量数据预测分析。
（3）地质数据可视化分析：地质数据的可视化分析是地质勘查和研究的前提条件，因此要对地质信息采取二维及三维的可视化分析，如钻孔平面图、柱状图、三维剖切图及3D效果等，确保不了解地质情况的人们对地质空间特点有个清晰的认识，增强对复杂地形的了解和辨认，为勘测工作、试验项目提供必要的验证依据。
（4）空间分析处理：空间分析是地质信息可视化的深入拓展，既要地质可视化，也要地质探究情况可视化，如地质剖面、基坑开挖模拟等，并对分析结果采取各种面积、体积等规格的测量及地质空间拓扑关系的查找、处理分析等。
2.地质层面插值与拟合
地质层面数字化模拟建设是地质三维建模及可视化的前提。由三角剖分图通过建造三角网技术建造层面，一是因原始数据中各点距离远，要实施插值加密方法；二是，插值曲面不平整，难以分析出层面上各点坐标轴的坡向和坡面，不适宜地层面模拟技术，所以利用离散数据拟合与插值的技术措施建立三维地质体。
二、基于多层DEM的三维地质建模
三维地质建模属于地质可视化的重要前提，一般思想就是以地质钻孔为离散点，通过空间插值及曲面拟合而成的地质结构曲线图，进而形成科学的数字仿真模型，采取可视化算法，对数字仿真模型分析研究，绘制出清晰的三维地质结构图。
1.三维地质数据模型建立特点
三维地质模型通常是对建模的信息表达，既要展示出地质规格特征，如地层颜色、厚深底、岩芯构造等，还要显示出地层空间拓扑结构等。并且，要从地质体空间数据研究、查找和信息决策等角度出发。所以，三维地质模型要有明确性、可视性等特点：
1）明确性。在以往的二维形势下，地质剖图只是有一些剖面，且各剖面分散存在，在实际处理剖面构造时需要操作人员凭经验推测，这就缺乏一定的确定性。当前的三维地质模型则有明显改善，只要模型确立后，就能把数据结构保留在计算机设备。在这种形势下，地质勘测对象是在地质体中，把各种形式下的体质形态确定下来。
2）可视性。三维地质模型通常是在数据集网络存储的基础上进行，要利用一定的可视化技术才能在计算机设备上表达出来，为人们提供各种方式进行观察了解。
2.基于多层DEM三维地质建模算法
DEM的建立，一般是利用数字存储来体现物体位置高程的集合，是用以表达区域D上地质三维向量系列{Vi=（Xi，Yi，Zi），I =1，2，…，n}，其中（Xi，Yi）∈D是平面坐标，Zi是（Xi，Yi）对应的高程。于工程而言，地层曲面复杂，无法用公式表达，只能采用曲面大致描述；实际运行数据，大部分需要空间插值进行计算。
三、三维地质可视化分析技术
1.三维剖切
结合地质体勘测需求，这里我们利用垂直剖切和倾斜剖切两种技术方法，能够形成垂直剖切面、倾斜剖切面。这些面层涉及多个地层，一般是很多类型种类的区域面积，各区域分别对应各地质层，颜色对应一致，为了科学描绘出剖切图中的复杂区域，就要采取一定的三角剖分措施，进而辨别出各三角形所属地层，用对应颜色进行准确填色。
2.虚拟钻孔
在实现地质建模之后，利用虚拟钻孔就能得到区域范围内的各种钻孔信息，是钻孔数据信息的补充，并能表达该位置的岩芯结构，来验证建立的三维地质模型的科学性。分析虚拟钻孔，孔径要合理，利用圆柱面来模拟虚拟孔，虚拟钻孔能够以地质体与圆柱面差运算的形式进行，如图2.所以，测算出圆柱面与各层面的交点数据，明确交点的地质情况，就能得出邻近点的高程差，得到地层厚度，把各交点顺次相连，形成虚拟钻孔柱状图，如图3
3.隧道及管道模拟
隧道模拟通常是为隧道地质构造带来了又一新型技术。其所模拟的隧道挖掘，一般为隧道路线规划带来参考条件。这里我们提到的隧道体元措施，一般思路是：把隧道当做地质体与隧道体实施差运算的巷道，最主要的就是利用大规模隧道体元，根据预期路径叠加来建造隧道体，隧道体元通常是曲边梯形薄片。如图：
四、总结
地质三维可视化是如今GIS科研行业的焦点之一，对于地质构造复杂、地质勘查信息制约，怎样确保地质三维可视化模型的科学性及评价模型的稳定性，也是我们后期研究的重点。对于地质建模，因勘测技术的更新和新数据的替换，使得地质建模很复杂，最佳方法就是在已有建模前提下做一定修改。因此，地质三维建模及可视化技术广泛应用于数字化工程领域中，逐渐受到各界重视，我们要致力于对这方面的探索分析工作，全面取得新成果。
参考文献：
[1] 熊祖强.工程地质三维建模及可视化技术研究[D].中国科学院武汉岩土力学研究所，2007.
[2] 孙波.工程地质三维建模与应用技术研究[D].中国科学院大学，2014.
[3] 曾钱帮.工程地质三维建模与可视化技术应用开发[D].中国科学院地质与地球物理研究所，2002.
论文作者:吕建中,郭忠正,朱永平
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/22
标签：地质论文; 建模论文; 数据论文; 钻孔论文; 技术论文; 模型论文; 质体论文; 《基层建设》2017年5期论文;