水利水電工程地質信息的三維統一模型構建方法
2023-04-24 16:54:41 1
專利名稱：水利水電工程地質信息的三維統一模型構建方法
技術領域：
本發明涉及工程地質三維模型的構建方法，特別是涉及耦合多源數據實現水利水電工程地質三維統一模型構建與分析方法。
背景技術：
水利水電工程大都在高山峽谷條件下作業，由於地質條件惡劣、地質構造複雜、地質信息眾多等原因，給工程地質勘測、樞紐布置與設計、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勘察勘探的各個階段，需要獲得各種地質信息，包括地表地形、地層界面、斷層、地下水位、風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據。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的數據，地質工作者很難直接利用這些數據分析出它們在地質體中的分布規律。即使能夠預測各種信息在所研究地質區域中的分布值，面對大量的輸出數據，地質工作者仍然會感到困難。
傳統的工程地質資料的處理和分析方法一般採用二維、靜態的方式。這種方法所能描述的空間地質構造的起伏變化，直觀性差、往往不能充分揭示其空間變化規律，難以使人們直接、完整、準確地理解和感受地下的地質情況，越來越不能滿足工程地質師、設計人員的實際作業需求。在水利水電工程建設要求不斷提高和計算機技術不斷發展的條件下，本發明涉及的水利水電工程地質三維建模與分析是一項亟待解決的關鍵問題，受到廣大水利水電工作者的密切關注。
國外的三維地質建模與分析研究雖然開展較早，並已開發了一系列較為成熟的商業建模軟體包，如法國Earth Decision Sciences公司的GOCAD、美國Dynamic Graphics公司的EarthVision、澳大利亞Surpac國際軟體公司的SurpacVision等，但其主要是面向油藏工程、採礦工程等領域，難以在我國水利水電工程領域推廣使用。
另外，目前一般採用傳統的GRID或TIN數據結構進行三維地質建模，其數據存儲量與精度之間的矛盾較突出；而由於地質結構體的複雜性、非線性等特徵，利用確定的解析函數或線性插值難以表示其複雜多變的幾何形態。而且此類技術方案的分析功能單一，不能滿足水利水電工程地質多方面分析的需要。
發明內容
本發明為了解決上述現有技術所存在的缺陷，而提出一種水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，通過基於非均勻有理B樣條(NURBS)、不規則三角網(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數據結構，耦合多種來源的所有有效數據實現水利水電工程地質三維統一模型的構建，並結合工程實際情況對該模型進行一系列分析，從而為分析複雜地質條件下水利水電工程勘測、設計與施工中的地質問題提供可靠的數據信息。
一種水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，通過基於非均勻有理B樣條(NURBS)、不規則三角網(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數據結構，耦合多種來源的所有有效數據實現水利水電工程地質三維統一模型的構建，並結合工程實際情況對該模型進行一系列分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數據的空間地質結構進行解析；基於NURBS、TIN和BRep混合數據結構對其進行分類幾何建模，根據它們之間的空間關係進行布爾操作運算，並進行可靠性分析與檢驗，完成三維統一模型的構建；基於三維統一模型完成一系列的水利水電工地質分析。
與已有技術相比，本發明成功解決了複雜地質體信息存儲量大與分析要求高的矛盾。本發明從幾何性、合理性、原始數據精度和反饋信息四個方面為模型提供了一套系統完整的可靠性分析與檢驗手段，確保模型的客觀準確性。本發明的基於三維統一模型的水利水電工程地質分析方法，包括巖體質量可視化分級、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分析、巖體面積體積計算、等值線自動生成等，為分析複雜地質條件下水利水電工程勘測、設計與施工中的地質問題提供了有力的技術手段。本發明對水利水電工程可實現簡單快速的建模，並提供便捷的模型反饋機制、公共數據通道，能快速耦合新的數據實現模型的及時更新，為水利水電工程勘測、設計與施工提供了全新的技術支持。
圖1是本發明的NURBS-TIN-BRep多源混合數據結構示意圖；圖2是本發明的水利水電工程地質三維統一模型的構建示意圖；圖3是本發明的三維地質建模流程圖；圖4是構建的某實際水利水電工程地質三維統一模型；圖5是基於三維地質模型的巖體質量可視化分級建模流程；圖6是構建的某實際工程壩區巖級三維模型；圖7是基於三維地質模型進行的數字鑽孔分析。
具體實施例方式
本發明所提出的水利水電工程地質信息的三維統一模型構建方法，採用的技術方案主要內容包括耦合多源數據的水利水電工程地質結構空間解析、水利水電工程地質三維統一模型的構建及分析。
1、耦合多源數據的水利水電工程地質結構空間解析，具體步驟包括將水利水電工程原始地質數據分為地表空間數據，包括地形、地質點、遙感圖像；以及地下空間數據，包括鑽孔、平硐、物探。按照三維建模的要求進行地形三維數位化處理、地層巖性劃分和褶皺斷層構造的空間解析，將以上原始數據分別按照直接可用數據(如鑽孔、平硐屬性數據，表格存儲)和間接圖形數據(如三維地形、實測剖面、解譯得到的地層界線、褶皺/斷層構造跡線等，AutoCAD平臺)進行耦合，完成剖面製作；並引入平衡剖面技術檢驗剖面是否符合實際；最後將所有的橫、縱剖面和平切面等按照統一的標準進行分層歸類和三維轉換處理，在三維環境下檢查各層點、線對象的耦合一致性，為三維地質建模提供客觀準確的基礎數據。
2、水利水電工程地質三維統一模型的構建，具體步驟包括將建模對象分為自然地質對象(包括地形類、地層類、斷層類和界限類)和人工對象(包括大壩、地下建築物、鑽孔、平硐等)，基於NURBS、TIN和BRep混合數據結構(如圖1所示)對其進行分類幾何建模，根據它們之間的空間關係進行布爾操作運算，並進行可靠性分析與檢驗，完成耦合地質信息和工程建築物信息的水利水電工程地質三維統一模型的構建。
(1)三維數字地形NURBS簡化建模。地表地形是地質形態中最直接最基本的部分，而數字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)不僅是整個地質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、精確度高且易於圖形操作運算的要求。
本發明採用基於TIN模型的NURBS簡化建模算法構建DTM，其算法步驟如下處理等高線，若等高線密度太稀，則通過線性插值進行加密；生成TIN模型，基於整理好的等高線，在GIS環境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三維DTM，並消除等高線過於密集或採集信息缺乏所造成的細小、狹長三角形，獲得高精度的TIN模型；數據轉換，將所產生的TIN模型從GIS環境中轉化到所開發的NURBS處理系統中形成多邊形mesh曲面，並保證三角形沒有丟失或產生變化；獲取控制點，在NURBS系統中從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的輪廓線，並進行離散化處理，反算得到相應的控制信息點數據；擬合NURBS地形曲面，根據控制點數據利用NURBS算法重新擬合生成地形控制曲面；生成NURBS地形輪廓體，按照研究區域將上述NURBS曲面進行範圍界定並裁剪，獲得簡化的NURBS地形模型，進而以BRep數據結構生成相應的地形輪廓體模型。
(2)地層類地質對象建模。建模過程中最重要的是解決不同接觸關係地層間的精確匹配的問題。為此，本發明提出一種簡單的裁剪-疊加方法來縫合鄰接地層間的結構面，具體步驟為首先根據各自的地質數據分別建立相鄰地層的上部結構面，然後計算兩曲面的交線，以交線為邊界對結構面進行裁剪，從而得到兩地層間的結合面，最後通過疊加兩者能夠很好的吻合。
其中，對於多值褶皺構造地層，考慮到褶皺要素產狀，本發明提出了典型構造輪廓線方法，其步驟如下基於褶皺地層界面上的鑽孔點和剖面線匯總數據，分析褶皺要素產狀及其幾何形態特徵；然後以剖面線為基礎構造反映褶皺空間特徵的輪廓線，為了不丟失信息，根據褶皺的要素產狀，儘量選取有特徵的鑽孔點，如樞紐點、轉折端部位點等，結合剖面線趨勢插入新的典型輪廓線；最後加入邊界約束條件，根據輪廓線集合進行NURBS曲面擬合構造，形成相應的褶皺光滑曲面，進而構建出相應的褶皺地層實體模型。
(3)斷層類地質對象建模。
對於兩相交斷層或斷層錯斷地層的構造建模，其錯斷位移在實際情況下會有不同。本發明所採用方案具體步驟包括當錯斷位移較小時，採用直接錯斷法；當錯斷位移較大，則採用分盤匹配法，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，然後在精度允許情況下，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技術進行構建，最後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兩部分分別進行構造建模，並在構建過程中，調整其與主斷層相交處的邊界，使其邊界線均位於主斷層體上即可。
而對於斷裂構造發育極其複雜的工程區域，由於所形成的斷層網絡錯綜複雜，本發明提出了又在上述建模方法中加入了面向歷史構造的處理，其主要步驟為根據斷層網絡中各個斷層的產狀、構造特徵和錯動關係分析各自的歷史形成過程，利用拓撲排序算法，建立其活動結點網絡模型，對它們發育構造形成的先後關係進行排序，然後依序針對其錯斷位移大小，在兩相交斷層構造的基礎上實現複雜斷層網絡的三維建模。該方法中的面向歷史過程，充分考慮了斷層的構造形成和相互交錯情況，重構模型不僅精確揭示了區域內斷層在地質巖體中的空間展布，而且真實地再現了歷史形成條件下的斷層空間拓樸關係。
(4)界限類地質對象建模。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，不同級別的風化、卸荷界限會發生交叉現象。針對採樣數據數量和質量的不同提出相應的處理方法，本發明所採取得的具體步驟包括對採樣數據充足、精度高的區域，根據其剖面線三維分布特點，直接進行NURBS擬合；對於採樣數據不足的區域，首先對長度或寬度不足的剖面線進行三維延伸，可依據剖面線自身趨勢並結合該曲線垂向上的地形形態進行推斷；然後基於這些剖面線數據，將該區域風化或卸荷界限作為一個連續的整體構建NURBS曲面；最後利用地形相似法將該曲面與地形、地層整合於一起進行分析、調整，而對於不存在風化或卸荷的區域，則進行裁剪處理。這樣，基於有限的採樣數據可以獲得儘可能真實、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、導流洞等與地質條件密切相關的人工建築物以及鑽孔、平硐等勘探對象。相對於地質對象，人工對象的幾何建模工作相對簡單，本發明採用NURBS技術建模，便於與地質對象進行布爾操作運算，且具有精度高、數據量小的優點。具體步驟包括對於土石壩，首先根據填築材料、結構型式及功能的不同劃分為幾個區；然後根據各分區形體參數(包括高度、寬度、坡度)、控制高程和內部結構形態進行NURBS圖形建模；最後按照分區間層次拓撲關係連接組合，通過布爾合併運算完成整體大壩模型的構建。對於混凝土壩，則可以直接根據描述其體形的一系列函數或曲線方程及相應的控制點坐標，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技術擬合大壩實體模型。對於地下建築物，是由若干條地下洞室組成的集合；對於每一個地下洞室對象，洞室斷面形態控制洞室的幾何形態，洞室中心線則控制其空間位置。根據這兩項數據，再加上控制坐標，則利用路徑掃描法快速實現洞室三維建模。
(6)模型可靠性分析。本發明從以下四個方面為模型提供完整系統的可靠性分析與檢驗①模型組成部分的幾何性檢查，即檢查構造過程中地質對象在幾何結構及拓撲關係上是否正確。分別需要檢查線的連續性、面的連續性和拓撲性、體的封閉性和相關拓撲結構的合理性，若發現錯誤，則需進行修正或者重新構造。②地質結構合理性的檢查，即檢查或驗證所擬合的地質結構面或體的整體趨勢是否合理。可利用地質平面圖、橫剖面圖、平切剖面圖以及地質趨勢面分析同時進行對比檢查。③原始數據的精度檢驗，即驗證原始數據(鑽孔、平硐)是否被保留，所形成的面是否與原始數據點相一致。一般選取大部分鑽孔、平硐數據作為地質構造建模的原始樣本集，而留下5~6組作為檢驗樣本集進行精度檢驗。④模型的反饋檢查與檢驗，即利用後期獲得的勘探資料對重構模型的局部進行有效的檢查與檢驗。信息反饋和相應的誤差檢測分析機制是減少數據誤差、提高模型精度的有效方法，為後續的勘探、設計和施工提供有力的地質依據。
(7)三維統一模型的構建。本發明利用三維幾何對象的任意布爾切割算法，基於上述四類地質對象構成的三維地質幾何模型，利用工程建築物模型對其進行一系列圖形操作運算，構建水利水電工程地質三維統一幾何模型。為了更真實清楚地表達不同地質結構間的物理特徵和視覺差別，採用表面紋理和顏色來渲染各種地質對象。巖體表面紋理的描繪沒有必要過於細緻，採用擾動函數法來模擬，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，此函數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，不同的擾動函數控制生成不同的紋理。根據該算法，結合地質製圖標準，依據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、巖脈等進行表面紋理描繪，而其它結構體如斷層、軟弱巖帶、地下水位線、風化卸荷帶等則用標準顏色醒目地顯示，獲得逼真且特徵鮮明的效果。最終的水利水電工程地質三維統一模型能夠滿足地質確定性、可視性和可快速修改性的要求。
3、基於三維統一模型的水利水電工程地質分析。
上述三維模型已經能夠全方位、動態地顯示(旋轉、平移、放大、縮小等)，並採用「層次化」和「即用即得」操作方式，可按需要顯示單個地質體，在一定程度上能夠表達地質實體的整體輪廓、空間位置關係及其厚度屬性等信息。然而，這遠未完全滿足研究複雜地質條件對工程影響分析的需要，地質工程師和設計、施工人員需要在此模型基礎上能獲得更多對工程建築物設計和施工有用的地質信息和操作，真正做到對水利水電工程優化設計與快速施工提供有效的技術支持。本發明基於三維統一模型的水利水電工程地質分析內容主要包括(1)基於三維地質模型的工程巖體質量可視化分級分析，具體步驟如下①提取地質結構體並分類。從三維地質模型中提取各種地質元素結構體，如地層、斷層、侵入體等，根據巖級分類方案各地質結構是否與巖級一致，若一致則將其歸為無需處理的地質體，否則歸類為需處理的地質體進入下一步。
②連續巖體合併處理。對於需要處理的地質體又可分為兩部分，一部分是相鄰兩個或兩個以上的相同巖級的地質體，另一部分則是在同一地質體內存在不同巖級分類的地質對象。前者可以直接利用簡單的布爾並運算將相同巖級的地質體合併為一個實體，並賦以相應的巖級類別；而後者則需要較為複雜的處理。
③不連續部分切割處理，即處理巖級分類存在不連續部分的地質體。先通過巖級分類方案構造出三維地質模型中不存在的新的巖級結構面，並與風化卸荷界限曲面一起，對上述地質體進行多種布爾運算(差、並)，獲得各類巖級的不連續巖體。
④模型組合檢查與修改。對上述連續的和不連續的巖體進行組合，同樣從模型的幾何性、合理性和精度對比三個方面進行檢查，若發現錯誤或誤差較大，則對其進行相應的修改更新。
⑤模型表示及輸出。根據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行三維映射描繪，尤其是巖體質量較差且對工程影響較大的巖級應採用相對醒目的顏色或紋理；確定之後即可渲染輸出。
(2)水利水電工程地質模型的任意剖切分析。主要內容包括①三維剖切分析，針對工程建築物布置和大壩高度等進行的與工程密切相關的不同位置橫、縱剖面圖和不同高程的平切圖是水利水電工程地質分析中的重要內容。基於三維統一模型，運用NURBS技術和布爾切割算法，可以進行任意方向、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，為了滿足大多數工程師的習慣和工程地質圖成果輸出的需要，還需進一步通過數學映射將三維剖切圖轉化為規範的二維CAD剖面圖，該方法分三步進行首先獲得三維剖切圖，與上述三維地質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，將所作的剖切面複製平移一小段距離(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剖切圖，這將有利於提高二維轉化的運算效率；其次處理所得三維剖切圖，對於平切圖，若其走向與正北方向有一定的角度，只需將其旋轉到一致的方向即可；對於垂直切面圖，若存在轉折點則首先對其切割展開，然後通過旋轉使其方向垂直視覺即可；最後轉化二維剖面圖，對處理好的三維剖切圖通過投影將其轉化並保存為二維CAD剖面圖，其組成單元為直線和二維多段線。
③鑽孔、平硐模擬與優化布置，鑽孔、平硐是獲取水利水電工程樞紐區地下地質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的地質信息是每個勘察項目必然面對的問題。基於所構建的三維地質模型，工程地質人員可以直接在模型上進行鑽孔、平硐優化布置，並進行數字勘探，確定最優勘探位置。這樣不僅能夠有效地減少鑽孔、平硐數量，降低費用，同時還提高了勘探質量，降低了工作強度。
(3)主體工程三維地質分析。工程地質條件的好壞對水利水電工程建築物的方案選擇和設計往往起到決定性的作用，尤其是其主體工程，如大壩、導流洞、地下廠房等，三維地質模型和巖級模型的建立為地質人員和設計、施工人員搭起了一座橋梁。其主要內容包括①大壩工程地質分析。大壩是水利水電工程中最重要的擋水建築物，對地基巖體的地質條件有很高的要求。在大壩設計和施工中，以三維巖級模型為主，可以進行建基面開挖與基礎處理分析、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條件加以充分地分析研究，為建基面的方案選擇與優化調整提供依據。
②地下工程地質分析。目前水利水電工程中地下建築物的數量增加很快，其規模也愈來愈大。大跨度、高邊牆地下廠房及長隧洞的興建，必然會遇到複雜的地質條件和大量的地質問題，給地下工程設計與施工帶來較大的困難。基於三維地質模型或巖級模型，可對地下洞室提供多方面的地質分析地下洞室群地質開挖分析、針對地下洞室關鍵部位的剖切分析、地下洞室布置方案選擇的地質評價、地下工程施工開挖的宏觀超前地質預報、以及結合地質模型的地下洞室施工過程動態分析等，它們為複雜地下工程設計與施工中遇到的工程地質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中必不可少的環節，在對三維地質模型進行開挖切割或置換回填後，需要快速方便地計算相應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果，需直接對NURBS自由曲線曲面進行積分運算。對於NURBS曲面上的任一點計算相應的法矢量，同時用離散的方法將曲面區域劃分為一系列矩形區域，每一區域經過變量代換後應用Gauss-Legendre求積公式求出該小塊區域對應的面積和體積，然後經過求和即可得到整個區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分析中，最常用的等值線圖是等高線圖。基於三維地質模型，不僅能夠獲得更高質量的地形等高線，還可自動生成地質體內各地質界面的等高線圖，以便進一步分析。其自動生成原理很簡單，某一地質界面是一個光滑的空間曲面，令平面z＝c(c為常數)與該曲面求交，即可得出一條等高線；當不斷改變常數c的大小後，就可獲得一組等高線。
本發明提出了耦合多源數據的水利水電工程地質三維統一模型的構建方法，對各種來源的地質數據進行耦合解析，保證了所有有效數據成為建模可利用的信息；以面向對象的分類思想，基於混合數據結構實現了地質對象的擬合構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、原始數據精度和反饋信息四個方面進行模型可靠性分析，確保模型解釋符合真實情況；對地質、人工對象模型進行布爾運算構建水利水電工程地質三維統一模型，並能快速耦合新的數據實現模型的及時更新。現有技術主要採用鑽孔數據或者簡單地對鑽孔和二維剖面數據進行疊加來完成三維建模，數據源較為單一；模型的建立過程中沒有進行完整系統的可靠性分析，模型的精度和可信度不高；沒有考慮工程建築物與地質實體的耦合統一。
本發明一個實施例如下某水利水電工程地處高山峽谷，壩段及鄰近區域地質構造相當複雜，地層普遍變質，褶皺強烈，斷裂發育，複雜的工程地質條件給工程設計與施工帶來了很大的困難。根據工程實際情況，選擇研究區域為一長方形，沿河流方向呈北東向展布，長1700m，寬1560m，面積約2.7平方公裡。該工程的原始工程地質勘測資料豐富，其中壩址段主要包括5m等高線地形圖，鑽探14743.43m/100孔，平硐15519.2m/72個，經過解譯分析得到一系列二維成果1幅區域工程地質平面圖，8個橫剖面圖，5個縱剖面圖，19個不同高程的平切面圖，以及其它各種沿建築物軸線剖切的剖面圖等。
基於上述基本資料，如圖2所示，為本發明水利水電工程地質三維統一模型的構建示意圖結合面向對象技術，幾何建模206所包含的數據包括原始勘探數據201、二維地質剖面數據202以及工程設計數據203，其結合面向對象技術205和混合數據結構，所建立的模型種類包括由自然地質對象208的地形類、地層類、斷層類和界限類對象210所構成的三維地質模型209，和人工對象211(包含鑽孔平硐、大壩工程、地下工程和壩肩開挖213)所建立的工程建築模型212，再加上對原始勘探數據201所做的改進的地質趨勢面分析204，對所生成的三維地質模型209進行補充驗證，最終獲得工程地質三維統一模型214。
如圖3所示，為本發明三維地質建模流程圖。基於所獲得數據資料301，其工程地質三維統一模型的構建與分析實現過程包括以下步驟(1)建立地形輪廓體305。①處理地形等高線302確定地質整體模型的平面範圍，修剪或者補齊等高線使之落入此平面範圍內，並調整好地理位置的坐標(使坐標數量級最小)。②按照技術方案中的基於TIN模型303的NURBS簡化算法生成三維地形數字模型304。③確定地質模型最低高程，用最低高程平面和地形面去切割由研究區域確定的垂直柱體，構建三維地形輪廓體305。
(2)處理原始地質數據306和二維解譯圖形資料307。①地質對象分圖層存儲從所有圖形中提取出整個地質模型中涉及到的具體地質信息，分類存儲於地層類預處理數據、斷層類預處理數據和界限類預處理數據中；進行圖層篩選，在要處理的圖形中添加所需要的圖層，給每個地質信息賦相應的圖層。②規範化處理統一比例和坐標基點。③二維剖面三維化處理建立所有剖面位置端點坐標資料庫，根據實際坐標將所有二維剖面自動進行三維轉換。
(3)構建三維地質模型。首先基於上述處理過的數據資料，分類進行地質結構面的NURBS構造308，並根據地質結構空間關係完成地質曲面的整合309；然後以地形輪廓體305和地質結構面為對象進行布爾切割運算，得到各類三維地質體310，進而耦合得到相應的三維地質幾何模型311；最後經過紋理映射312、模型的檢查與檢驗313之後，得到最終的三維地質模型314。
(4)構建工程地質三維統一模型。在三維地質模型314和工程建築物模型構建完成的基礎上，根據技術方案中水利水電工程地質三維統一模型的構建方法，得到該水利水電工程地質的三維統一模型，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個與工程關係密切的大斷層、4條雲斜煌斑巖脈、數十條深裂縫、強卸荷弱風化下限與弱卸荷下限、地下水位面，以及拱壩、導流洞、地下洞室群等水工建築物。
(5)基於統一模型進行工程地質分析。基於所構建的三維統一模型按照技術方案實施一系列分析工作，包括該工程巖體質量可視化分級建模(流程如圖5所示、實現模型如圖6所示)、三維任意剖切分析(數字鑽孔如圖7所示)、二維剖面自動生成、大壩建基面模擬分析、大壩地質剖切分析、地下洞室三維地質模型分析、地下建築物設計方案調整等。
權利要求
1.一種水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，通過對基於非均勻有理B樣條(NURBS)、不規則三角網(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數據結構實現多源數據的耦合，對所有建模對象實現三維統一建模，並對該三維模型進行合理分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數據的空間地質結構進行解析；基於NURBS、TIN和BRep混合數據結構對其進行分類幾何建模，根據它們之間的空間關係進行布爾操作運算，並進行可靠性分析與檢驗，完成三維統一模型的構建；基於三維統一模型完成一系列的水利水電工地質分析。
2.如權利要求1所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述對耦合多源數據的地質空間進行解析的步驟，還包括以下步驟將原始數據進行耦合，完成剖面製作；檢驗剖面是否符合實際；所有的橫、縱剖面和平切面進行分層歸類和三維轉換處理，在三維環境下檢查各層點、線對象的耦合一致性。
3.如權利要求2所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述原始數據包括屬於直接可用數據的鑽孔、平硐屬性數據，表格存儲，和屬於間接圖形數據的三維地形、實測剖面、解譯得到的地層界線、褶皺/斷層構造跡線及AutoCAD平臺。
4.如權利要求1所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述建模對象包括自然地質對象和人工對象建模，其中，自然地質對象又包括地形類、地層類、斷層類和界限類地質對象。
5.如權利要求4所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述對地形類地質對象建模的過程，包括以下步驟處理等高線，若等高線密度太稀，則通過線性插值進行加密；生成TIN模型，基於整理好的等高線，在GIS環境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三維DTM，並消除等高線過於密集或採集信息缺乏所造成的細小、狹長三角形，獲得高精度的TIN模型；數據轉換，將所產生的TIN模型從GIS環境中轉化到所開發的NURBS處理系統中形成多邊形mesh曲面，並保證三角形沒有丟失或產生變化；獲取控制點，在NURBS系統中從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的輪廓線，並進行離散化處理，反算得到相應的控制信息點數據；擬合NURBS地形曲面，根據控制點數據利用NURBS算法重新擬合生成地形控制曲面；生成NURBS地形輪廓體，按照研究區域將上述NURBS曲面進行範圍界定並裁剪，獲得簡化的NURBS地形模型，進而以BRep數據結構生成相應的地形輪廓體模型。
6.如權利要求4所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述對地層類地質對象建模的過程中，實現鄰接地層間結構面的縫合，包括以下步驟首先根據各自的地質數據分別建立相鄰地層的上部結構面，然後計算兩曲面的交線，以交線為邊界對結構面進行裁剪，將得到的兩地層間的結合面進行疊加，使其吻合。
7.如權利要求4所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述對斷層類地質對象建模的過程，包括以下步驟當錯斷位移較大，則採用分盤匹配法，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，然後在精度允許情況下，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技術進行構建，最後通過布爾運算利用主斷層切割被錯斷層。
8.如權利要求4所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述斷層類地質對象建模的過程，包括以下步驟對被錯斷層的不連續兩部分分別進行構造建模，並在構建過程中，調整其與主斷層相交處的邊界，使其邊界線均位於主斷層體上。
9.如權利要求1所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述模型可靠性分析與檢驗的過程，包括以下步驟檢查構造過程中地質對象在幾何結構及拓撲關係上是否正確；檢查或驗證所擬合的地質結構面或體的整體趨勢是否合理；驗證原始數據(鑽孔、平硐)是否被保留，所形成的面是否與原始數據點相一致；利用後期獲得的勘探資料對重構模型的局部進行有效的檢查與檢驗。
10.如權利要求1所述的水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，其特徵在於，所述基於三維統一模型的水利水電工程地質分析，包括以下內容工程巖體質量可視化分級分析；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剖切分析；地下洞室三維地質模型分析及地下建築物設計方案調整分析。
全文摘要
一種水利水電工程地質三維統一模型的構建與分析方法，通過對基於非均勻有理B樣條(NURBS)、不規則三角網(TIN)和邊界表示(BRep)的混合數據結構實現多源數據的耦合，對所有建模對象實現三維統一建模，並對該三維模型進行合理分析，該方法包括以下步驟對耦合多源數據的空間地質結構進行解析；基於NURBS、TIN和BRep混合數據結構對其進行分類幾何建模，根據它們之間的空間關係進行布爾操作運算，並進行可靠性分析與檢驗，完成三維統一模型的構建；基於三維統一模型完成一系列的水利水電工地質分析。與已有技術相比，本發明成功解決了複雜地質體信息存儲量大與分析要求高的矛盾。可實現簡單快速的建模，並提供便捷的模型反饋機制、公共數據通道，能快速耦合新的數據實現模型的及時更新。
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 優先權日2006年4月4日
發明者鍾登華, 李明超, 劉傑, 宋洋 申請人:天津大學