孙文举1 付长旺2
南水北调中线干线工程建设管理局天津分局 天津 300000
摘要：三维统一建模方法指的是在现有的条件下，把对大量的地质资料和地质人员分析判断的结果抽象成可视化的地质模型，把复杂的空间关系变成可视化，通过旋转模型，从不同的角度观察模型。这种技术可以充分的利用计算机分析和管理的手段，对其全过程实施信息化处理，是一种实践证明的工程地质的先进处理办法。实践证明，三维信息处理系统在水利水电工程地质管理中发挥着重要的作用。本文概述了水利水电工程地质三维统一建模，以供参考。
关键词：水利水电工程;三维统一建模;方法
随着我国经济的持续发展和西部大开发战略的实施，水利水电事业呈现出勃勃生机，有一大批在建或待建的大中型水利水电工程；这些工程大都处于高山峡谷，其地质构造复杂、地质信息众多，给工程勘测、设计与施工带来了极大的困难。传统二维静态的地质处理与分析方式已难以满足工程地质师、设计人员的实际需求，作为构筑其数字化、可视化设计与施工的基础，水利水电工程地质三维建模与分析是一项具有挑战性、亟待研究解决的关键问题，受到人们广泛而密切的关注。
1水利水电三维地质统一建模的要素和特点
1.1三维地质统一建模的要素
研究得出，一个完整的三维统一建模包括地形、地层、断层、岩性、风化线、结构面、覆盖层、地下水位线、基岩分界线等基本要素。根据每个要素的几何形态，可以把这些要素分为三大类：面状要素、点状要素及体状要素。面状要素指的是一个抽象的三维表面，可以用不规则三角网格和规则网格来具体的描述；体状的要素一般可以抽象成一个三维的实体，用实体模型来具体的描述。
1.2三维地质统一建模的特点
经过实地勘察，总结出三维统一建模的特征：（1）该模型可以全方位的对数据进行动态的显示，所表达的地质轮廓和地质构造更加直观、准确、有效；（2）该模型可以解剖和分析三维模型，从不同的剖面和角度对地质结构进行综合的研究和分析；（3）对于地下的建筑物，该技术的成功运用能帮助我们得出建筑物本身的地质模型，可以更清楚的显示其他的地质条件而进行设计；（4）该技术可以帮助工作人员以整体三维地质模型为基础，重新构建三维岩体的模型，并对其进行三维可视化的分析，能对填挖区域表面积和填挖体的工程量进行准确快速的计算。
1.3NURBS-TIN-BRep混合数据结构
工程地质的数据表达方式即数据结构是三维地质建模的基础，水利水电工程区域的地质构造复杂、信息量大、分析要求高，选择合适且实用的三维数据结构极为关键．目前表达三维实体的数据结构主要包括基于曲面表示和基于体元表示的两类结构：前者在表达空间对象的边界、可视化和几何变换等方面具有明显的优势，而后者则能很好地表达空间对象的内部信息．通过对比分析，考虑到水利水电工程主要关注地质条件、地质构造环境对工程设计和施工的影响，而非地质体内部的微观属性，同时体视化技术尚不成熟，因此经过大量探索研究，提出了面向水利水电工程三维地质建模的以非均匀有理B样条(non-uniformrationalB-spline，NURBS)结构为主、结合不规则三角网(triangulatedirregularnetwork，TIN)模型和边界表示(boundaryrepresentation，BRep)结构的3种面表示的混合数据结构。
2三维统一建模的建构过程
2.1读取和处理数据
一般情况，建模需要的地质材料包括钻孔数据、剖面图数据、曲面数据、表面离散点数据。钻孔数据和表面离散点数据一般以表格的形式表示，剖面图用AutoCAD格式表示，曲面数据用GeoEngine系统数据格式表示，需要在建模的时候对这些数据进行综合的运用。
2.2使用GRID和TIN模型结合的方法建模
地表使用Grid模型构建地面高程数据网，在地表形成三维地形。地理平面图的数据是二维坐标，只用X、Y值代表，Z值用地形DEM内插具体得出。二维剖面图数据（x、y）可以转换为三维坐标（X、Y、Z）如下图：
上式中的（x0、y0,、z0）是剖面的起点地理坐标；（X、Y）是剖面图中地层线的X、Y坐标，xs、ys是剖面图的水平和垂直的比例尺，α是剖面的方位角。地下地质体采用TIN模型把钻探数据构网，最后形成地质体的三维模拟形态。
2.3对模型数据进行分析和处理
该模型的分析系统可以提供单截面分析、多截面分析、剖面分析、挖洞分析、探勘布置分析、等值线分析、试验曲线和洞室漫游等可视化的分析，使用者应该根据工程的需要选择科学合理的分析方法。自动切剖面功能有4种方法可以得出剖面的参数：①给出水平面高程，形成平切面的地质图；②给出剖面两端的坐标形成垂直剖面图；③给出剖面的起点、剖面的方向和剖面的长度形成垂直剖面图；④给出折线剖面的端点及拐点的坐标形成垂直剖面图。
3对三维统一建模的可视化分析
三维统一建模最突出的优点是可以直观的看清每个单元之间空间分布的真实情况以及他们之间相互联系的情况。它不但能对已经完成的勘探工作进行验证，还可以给后续的工程提供可靠的理论依据。具体表现在：（1）三维统一建模对勘探地区的地质轮廓做了形象的展示；（2）三维统一建模给我们详细的展现了地质体所在的地层以及岩性，给施工人员选择适合的挖洞地质提供了有利的依据，所以在具体施工之前应该先具体分析地质模型进行模拟钻孔、模拟平硐、模拟挖洞的情况，使盲目施工造成的经济损失尽可能的减少，使工作效率得到大大的提高；（3）在已构建的三维模型上任意的切割地质剖面，进而得出所需要的详细的地
质信息，比传统的野外探测计算，对模型的可视化分析更加方便和快捷。
4最终的三维统一模型
为了使不同结构间的视觉差别和物力特征表达的更加真实清楚，使用表面颜色和纹理来对各种地质对象进行渲染，对岩体表面纹理的描绘不必过于细致，可以用扰动函数法进行模拟，通过扰动物体表面法线方向来模拟表面凹凸纹理的真实效果，以达到满足感官观察需要的目的。该方法是在原来表面的法线方向附加一个扰动的函数P(u,v)，此函数使得原来法线方向的光滑、缓慢的变化方式变得短促而剧烈,以光照使得表面形成了凹凸粗糙的效果，不同的扰动函数的控制下生成的纹理也不同。根据该计算方法，并结合地质图的制图标准，根据实际的岩石照片和对岩性的描述，可以形成一套新的三维图例库，可以描绘各岩层体和岩脉的表面纹理，其他的结构体如断层、软弱岩带、风化卸荷带、地下水位线等应该使用标准的颜色进行显示，以获得特征鲜明逼真的效果。通过对模型的修改和完善，构建起最终的三维统一的模型，其特点和要求可以总结为：确定性、可视性和可快速修改性等。
结语
三维统一建模是一项比较系统复杂的工程，在具体的建模的过程中，需要合理的运用相关的地质知识，分析和筛选材料，建模以后还要根据具体情况对其进行核实，采用交互式的编辑工具对其进行完善工作。研究表明：GeoEngine系统除了其较强的显示、三维建模、渲染性能之外，还有管理空间数据和编辑二维图件的功能，可以充分的达到水利水电工程信息化管理的具体要求。三维统一模型使一系列水利水电工程的地质分析的应用技术得以实现，为水利水电工程地质勘测、地质设计、施工管理的水平、施工的效率和质量的提高提供了先进的理论方法和技术手段。
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[3]钟登华.李明超.王刚.大型水电工程地质信息三维可视化分析理论与应用[J].天津大学学报,2011(12):46-52
论文作者:孙文举1,付长旺2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/7
标签：地质论文; 建模论文; 模型论文; 剖面论文; 数据论文; 剖面图论文; 要素论文; 《防护工程》2018年第25期论文;