摘要：地質工程復雜地質體中的各種地質信息，可以通過野外勘探實測或監測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數據，工程地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規律有一個整體和直觀的把握。各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節理、風化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學、巖土體的物理力學參數或數據的等值面\\(線\\)等，都可以看作是三維空間中的函數，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規律、提高對于地質規律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監測的目的。

關鍵詞：地質體可視化技術

0引言

現有的地理信息系統\\(GIS\\)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質結構的地質信息系統還有差距。一個大型地質工程項目從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段，乃至到工程運行期的管理與監測期，建設周期長，往往積累了大量的地質資料，用三維模型圖形圖像來表達、解釋和管理如此龐大的資料比光靠數據庫和圖表圖紙等傳統手段來得有效的多。建立地質工程復雜地質體的三維模型，處理巖層界面與結構面組合關系，逼真反映地下地質結構全貌，將為地質工程工作者分析研究工程地質現象和發現掌握巖土體結構規律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。

1復雜地質體可視化研究與開發現狀

TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開發的TITAN地學綜合信息系統中的一個組件，是基于框架建模的思想研制開發而成的，利用平行或基本平行的剖面數據建立起三維空間任意復雜形狀物體的真三維實體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：①剖面數據處理模塊，建立剖面數據，為建立三維實體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數據，數據剖面由多邊形、環和點元素組成；②對應關系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環之間和點之間的對應關系，為建立三維實體模型提供剖面間的――對應關系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯系；③模型處理模塊，建立實體模型，用剖面數據和剖面間的對應關系建立起三維實體模型，并且可以對模型進行任意切割、計算面積和體積的處理。此軟件只是三維建模與圖形處理的引擎，適用面廣泛。但在面向具體專業時，需要添加或擴充專業模塊，比如工程地質專業模塊等?？v觀國內外幾種軟件的研究與開發現狀，對于地質工程專業的復雜地質體建模與分析的針對性不強，沒有充分體現地質工程專業的特殊性，不能夠很好地滿足地質工程生產與研究的實際需要。

2地質工程復雜地質體三維建模和可視化的關鍵技術問題分析

2.1離散數據的插值與擬合地質信息的插值和擬合函數要根據實際勘測數據建立，實測數據越豐富精確，得到的地質模型越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規律。對于不同的地質信息，需采用不同的擬合函數。地表地形測量數據\\(X坐標、Y坐標和地表高程Z\\)、地下水位埋深測量信息\\(地下水位測點地表X坐標、Y坐標和水位埋深h\\)等的曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數據的插值和擬合?？臻g曲面插值函數有以下構造方法，如與距離成反比的加權方法\\(Shepard方法\\)，徑向基函數插值法\\(Multiquadric方法\\)，平面彈性理論插值法等，它們同樣適用于單個連續地層界面、地球物理勘探數據、地球化學勘探數據以及巖土體物理力學參數在地質體空間的分布。
2.2三維數據結構地質工程地質體一般是不規則形體，在計算機圖形學中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近，來模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面\\(和地表曲線、地下水位面等地質層面界線\\)和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構，比如地質工程地質體空間中的點由有三位坐標分量表示，微小直線段由其兩個端點組成，地質層面界線由所有屬于該邊界的微小直線段組成，而巖層曲面由微小三角面組成。有效的三維數據結構能夠確保人機交互和查詢的實現。
2.3曲面求交地質體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當出現地層不整合、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表或其他地層面的求交問題。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面\\(平面\\)與各種地質界面\\(曲面\\)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面\\(層面\\)之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。
2.4三維拓撲結構分析從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。例如，考慮多層地層，上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系，在存儲數據時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個地層曲面，大大減少數據存儲量。評價地質模型系統的優缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構。
2.5可視化技術地質工程復雜地質體可視化是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據轉換為形象直觀便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數據中構造出地質工程中對于邊破穩定性和地下硐室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數據做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。通過離散地表地形測量數據的插值計算并用不同顏色表達高程的差異達到山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態的可視化。

3復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發與應用

3.1地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究基于離散采樣數據的插值與擬合的思想，即將離散數據轉化為連續曲線曲面，地質工程復雜地質體三維建模與可視化的過程是，從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的物理力學參數，通過不同的擬合與插值函數得到地質層面\\(曲面\\)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區域內的分布規律。生成地質巖層面和地質實體后，實現從任意角度觀察建立的模型，實現根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。
3.2初步開發工程勘測空間數據庫管理。工程勘測空間數據庫在收集整理現場勘測數據后錄入各分項數據表，這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，更重要的是提供屬性數據。以地層巖性數據表為例，要求錄入鉆孔編號、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性\\(地層名稱\\)、地層代碼\\(地層年代\\)、巖層走向、巖層傾向、巖層傾角、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和管理勘測數據。

4小結

地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究對于地質工程巖土體結構的研究、直觀表達地質體信息在地質工程巖土體中的分布規律和指導地質工程項目的勘測施工都具有重要意義。地質工程巖土體是復雜的不規則形體，存在各種地質巖性層面和結構面，完全表達地質信息及巖層和結構面間的位置、相互切割和組合關系，地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究是大有作為的。