水利水电工程地质三维统一建模方法研究
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Geostation在水利项目中的应用指南一前言地质勘察工作主要分为外业和内业两大块。
其中,地质工程这一行业发展至今,外业勘察技术手段不外乎地质野外测绘、钻探、物探几种常用手段,而这几种常用手段除钻探及物探设备可以不断更新外,其他方面几十年来并无颠覆性的革新技术出现。
因此,地质工程行业的发展主要突破口在于地质数据的内业整理。
虽然内业整理,从老一辈的手绘地质图到现在二维CAD绘地质图,已经是一巨大飞跃。
但今天,为了更有效率更节约成本,显然扁平化的勘察设计已经不能满足要求。
这时,BIM概念应运而生。
为了实现地质模块的三维化,适于地质建模的专业软件逐渐被开发,其中主要一款软件为Geostation。
GeoStation软件是华东院重点研发的计算机辅助软件,按照工程地质勘察和土木工程设计业务需求,集数据管理、地质建模、分析计算、二维出图、土木设计等模块于一体。
GeoStation主要基于Bentley MicroStation V8i CAD平台开发,通过Microsoft SQL Server和Project Wise两个数据服务平台,实现用户及客户端对工程地质数据库和Documents的异地远程访问、存储。
系统具有数据管理、地质建模(三维设计)、二维出图、计算分析、WEB浏览等模块,各模块之间通过网络和数据库实现无缝集成。
GeoStation已经应用于中国10多项大型、巨型水电水利工程项目,建立了数十个工程地质数据库和三维地质模型。
二模型意义GeoStation主要服务于水电、水利工程,通过执行其他行业标准对系统做定制开发,能广泛地应用于工民建、地铁、公路、桥梁、城市、海洋、石油、矿山等地质工程领域。
由于Geostation涉及地质领域众多,但在各个领域所执行的准则又不尽相同,因此,需要建立各个地质领域的三维建模标准。
在水利领域,地质三维模型的主要作用有以下:①能将地质钻孔立体反映在图件中,利于纠错;②能更直观有效的反映地面以下的地层情况,包括透镜体、暗浜的范围;③能方便地质解译分析与评价;④能更方便的指导施工开挖,沉桩等。
水利水电工程的施工测量方法与要求一、引言水利水电工程是一项综合性极强的工程项目,其中施工测量是工程实施中不可或缺的一部分。
施工测量不仅为工程的施工提供了基础数据,还为工程的实施提供了科学、准确的指导。
本文将详细探讨水利水电工程的施工测量方法与要求。
二、水利水电工程施工测量的主要任务水利水电工程施工测量的主要任务包括:建立施工控制网,进行场地平整,施工放样,竣工测量以及变形监测等。
这些任务贯穿了工程的整个生命周期,从规划设计到施工,再到竣工验收,都对工程质量有着重要影响。
三、水利水电工程施工测量的主要方法1、常规测量法:包括经纬仪、水准仪、钢卷尺等传统测量工具的使用,这种方法主要适用于精度要求较高,且需要人工操作的测量任务。
2、GPS测量法:利用全球定位系统(GPS)进行测量,这种方法具有高精度、高效率、自动化等优点,适用于大规模、复杂的施工环境。
3、数字摄影测量法:通过数字摄影技术获取大量的图像信息,再利用计算机视觉和图像处理技术对图像进行分析处理,这种方法能够提供准确的三维信息,适用于地形复杂、难以直接进行测量的地区。
4、遥感测量法:利用卫星或飞机等遥感设备对目标区域进行遥感成像,再通过图像处理和分析技术提取有用的信息,这种方法能够快速获取大面积的测量数据,适用于大型水利水电工程的施工测量。
四、水利水电工程施工测量的要求1、精度要求:施工测量的精度要求根据工程的具体情况确定,一般来说,误差应控制在允许范围内,以保证工程的顺利进行。
2、测量方法的要求:应根据工程的具体情况选择合适的测量方法,如常规测量法、GPS测量法、数字摄影测量法或遥感测量法等。
同时,对于不同的测量阶段和测量任务,也应选择合适的测量方法和工具。
3、测量数据处理的要求:对于每次测量所获得的数据,应及时进行处理和分析。
数据处理应遵循一定的原则和方法,以保证数据的准确性和可靠性。
同时,还应根据工程需要,对数据进行统计、整理和分析,为工程施工提供科学依据。
三维地质建模技术在滦平抽水蓄能电站中的应用摘要:三维地质建模技术在工程地质勘察中具有重要的作用,不仅可以展示地质信息,还可进行工程三维协调设计。
通过对滦平抽水蓄能电站枢纽区的三维地质模型构建,阐述了整个三维地质建模的流程,实现工程的三维数字化,效果显著。
关键词:抽水蓄能电站;三维地质建模;GeoBIMApplication of 3-D Geological Modeling Technique in Luan Ping Pumped Storage Power StationYANG Wei(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited,Kunming,650051,China)Abstract:3-D Geological Modeling Technique plays an importantrole in hydropower engineering geological investigation,not only displays geological body,but also realizes 3-D design of engineering. Taking 3-D Geological Modeling of in LuanPing pumped storage power station for example,The whole process of 3D geological modeling is described.The 3D digitalization of the project is realized and theeffect is remarkable.Key words:pumped storage power station;3-D Geological Modeling;GeoBIM0 引言随着信息技术的发展,三维建模技术及三维建模软件应运而生,EarthVision,3DGMS,GOCAD等,在各领域[1-8]进行了广泛应用并取得了一定的成果。
三维地质建模方法研究进展摘要:随着计算机技术和空间信息技术的发展,三维地质建模越来越受到人们的关注。
目前,三维地质建模已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域,为经济社会高质量发展提供辅助决策支持。
本文根据三维地质建模方法的研究现状,归纳总结了基于钻孔信息的三维地质建模方法、基于剖面的地质建模方法、多条件约束地质建模方法以及特殊地质体建模方法的研究进展,并对其未来发展进行了展望。
关键词:地质建模;三维;钻孔;剖面;地层三维地质建模技术目前已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域。
所谓三维地质建模,就是运用计算机和信息技术,使用适当的数据结构,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,在三维环境下,建立起能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的定量的数学模型,并应用于地质分析的技术[1-6]。
通过三维地质模型,可以把空间分布不均匀、不连续、通过野外工程勘测或其它仪器测量获得散乱的地质信息通过数学曲面和拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型和图形图像[4]。
三维地质模型能够直观有效地表达各种地质结构、地质现象间的拓扑关系,从而迅速提高专业技术人员对地下空间的认识,最大限度发挥空间信息优势,为地质勘探、矿产资源开发利用、城市地下空间管理等提供辅助决策支持,积极主动服务经济社会发展。
1. 三维地质建模方法分类三维地质建模方法简要分类如下:1)从尺度方面,可分为宏观建模和微观建模。
宏观建模主要关注地质现象的区域特征,数据来源主要是地质露头、钻孔、地质解释资料等;微观建模要关注岩石、矿物等的微观特征,数据来源可以是岩石切片、照片和通过仪器直接得到的三维点云等。
通常的地质建模多指宏观建模。
2)从对地质体内部属性的处理分析,可分为结构建模和属性建模。
水利水电工程地质三维统一建模方法研究张峰摘要:三维地质建模技术依托三维地质建模软件在水利水电工程中取得了较好的应用效果,解决了各类原始资料的整理和归纳,各种资料的快速查询和统计,各类地质对象的快速建模,三维地质模型的快速分析,二维图件批量出图,三维图件编绘,地质模型与建筑物模型结合CAE分析,地质专业与设计专业协同等问题,大大减少了二维设计中出现的错误,提高了工作效率,为整个工程的三维设计工作打下了坚实基础。
关键词:水利水电工程;地质;三维建模前言水利水电工程经常面临复杂的地层及构造,涉及到的地质信息日趋增多且更加复杂化、多元化,二维静态表达方式对地质资料分析缺乏直观性,难以真实反映出地质情况。
由此,采用三维地质建模,借助信息化技术及数字化技术,大大提高了数据收集、处理效果,实现地层界面、断层等的可视化分析,下面将详细介绍具体应用流程及方法。
1三维地质建模基本流程1.1准备数据对原始数据进行筛选,并对筛选出的数据建模。
用于建模的数据除了地形数据、物探数据、勘探数据以外,还包括试验数据。
分别对这些数据整理归纳,录入到数据库中,将不同地质点的数据,最后导入软件中作为原始数据,全面检查及复核,保证数据真实、完整。
1.2建模流程首先,将整理好的各类基础地质资料录入到地质数据库内,然后再将数据导入地形面,这样一来,可以将地质资料转换为空间点及线数据。
绘制特征,依据不同地质对象特点,在这之前要先绘制控制剖面,加密建模数据,将得到各类地质对象的控制线模型,随后就可以初步将大面模型拟合出来。
然后形成三维地质模型,通过合并、剪切等基础操作,实体与面的分割操作后,将得到最终的三维地质体模型。
地质平面图是一个二维坐标,有X、Y、Z三个值,这三个值均是通过地形DEM内插方式得到,然后将二维坐标再转换为三维坐标,即得到(X,Y,Z)。
使用TIN模型构筑数据网络,这里主要指钻探数据,这是形成三维模拟基本形态的重要步骤。
由钻孔数据、探槽数据共同组成了地下三维地质体构网,必须先进行钻孔数据分层处理,主要得到含矿层、覆盖层等地质信息,然后才能进行三维地质体构网,完成这项工作以后,才能进行TIN构网,得到各深度DEM数据。
实施水利工程三维协同设计的探讨随着信息化技术的发展和应用,三维协同设计对于水利工程的设计与施工也有了广泛的应用。
水利工程三维协同设计是利用CAD、GIS、BIM等多种软件集成进行设计和管理的过程,旨在提高设计的可视化和可操作性,实现高效、优质、安全的工程施工和运行管理。
本文将探讨三维协同设计在水利工程中的实施过程和应用。
一、三维协同设计的优势1.高效性三维协同设计可以避免因为传统二维设计所带来的无效甚至是错误信息的冗余,模型中的每一个元素都可以被有效的追踪并精细的设计。
主要利用虚拟化技术将目标物体转化为三维实体进行建模,在设计时,可以直观地看到产品的各个角度,从而帮助人员更快速、准确地发现潜在问题和发现解决方案。
2.协同性三维协同设计集成了多种设计软件,可以实现数据联通和共享,方便各个专业之间的信息交换和协同工作,进行真正意义上的协同设计。
采用BIM模型技术,可以实现各种信息的共享,如设计、施工、维护的数据资料等,大大提高了设计的沟通效率而减少协调的工作,节约了设计成本。
3.可视化三维协同设计可以将设计成果以三维模型的方式直观表现出来,让人言传身教,利用数字化技术实现高清晰度和高保真度的立体建筑模型演示,使设计者和建筑师对设计方案有更好的认识。
可通过软件进行交互,更直观地反映出每个专业之间的作用、缺陷和共同合作。
这样,就能及时解决各个专业的冲突,并减轻人工管理的负担。
1、数据准备在进行水利工程的三维协同设计之前,首先需要准备好数据。
这些数据包括工程地形、地貌、环境因素、地下水、污染物来源、管道通道等,还需要搜集历史资料、当地法律法规、建设规划等,以便建立一个全面的基础数据信息库。
2、快速建模建立好基础数据信息库后,采用多个虚拟化技术对地形和设施进行快速建模。
通过建立基本的3D模型,可以更好地了解不同地区的环境和基础设施。
可以同时针对不同的区域进行模拟,以便更好地计算项目的需求和成本。
3、模型优化模型优化是将模型精细化的过程,也是协同设计中的重要环节。
大型水利水电工程地质信息三维建模与分析研究共3篇大型水利水电工程地质信息三维建模与分析研究1大型水利水电工程地质信息三维建模与分析研究随着人们对自然资源的开采和利用需求日益增长,对于大型水利水电工程的建设也越来越重视。
而在大型水利水电工程建设过程中,地质信息的获取和准确分析是至关重要的,因为这直接关系着工程的品质、稳定性和耐久性。
而传统的两维平面图建模方式已经无法满足现代工程建设的要求。
因此,为了更加准确、高效地利用地质信息进行大型水利水电工程建设,三维建模技术在这一领域里得到了广泛应用。
通过三维建模技术,可以将地质信息以更加直观、立体、真实的形式呈现出来,以此来更好地帮助工程师和相关技术人员进行决策分析,从而达到优化工程设计、减少因地质原因导致的工程事故的目的。
首先,大型水利水电工程的三维地质模型建模,需要准确的地质数据支持。
这包括了地质勘探、测量、图像采集与处理等一系列的数据支持。
特别是在水文地质方面,需要对水文特征、水文地理学、水文物理学等各种水文学知识进行深入了解,并将其应用于实际工程中。
通过这些数据的采集和处理,可以建立起三维地质模型的基础数据。
其次,三维建模技术需要通过先进的计算机软件和硬件来实现。
具体来说,需要的工具包括CAD、GIS、DEM、VRML、BIM等一系列专业软件的配置,以及相应的计算机硬件支持。
这些工具具有相对丰富的建模、分析和展示功能,可以快速地、高效地将实际地质信息组织成为各种三维模型,大大提高了地质信息的可视化程度。
最后,三维建模技术需要通过一系列的数据分析技术来进行精细的分析。
通过实时的数据录入和数据分析,可以更加准确地预测和判断工程中各种潜在的地理风险和障碍物,从而提前采取措施进行风险控制和减少损失。
总之,大型水利水电工程地质信息三维建模与分析研究,是一个不断深入的过程。
建立起准确的地质数据,具备优良的三维建模工具,掌握一定的数据分析理论,是保证三维建模技术应用效果的关键。
上海国土资源doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.006工程地质三维模型精细构建方法研究王 军1,2(1. 上海市地质调查研究院,上海 200072;2. 上海市地质资料信息专业技术服务平台,上海 200072)摘 要:上海三维城市地质信息系统有很好的地质建模基础,但是由于地质数据及其应用本身所具有的复杂性和不确定性,建立的三维地质模型与实际的地质条件之间还有不小的差距。
本文结合上海地质条件和钻孔数据情况,对当前的钻孔自动建模方法流程进行了分解、对实现过程缺陷进行了剖析,从工程地质条件分析、数据预处理方法、建模算法优化三个层面开展了建模流程的精细优化,并选择典型的中山公园场地进行建模验证和精度分析,通过将建模结果与人工生成的成果图进行精度评估,取得了较好的建模效果。
关键词:工程地质;三维模型;精细建模中图分类号:P642.4;TP311.521 文献标志码:A 文章编号:2095-1329(2023)03-0034-09三维地质建模是一门综合运用现代空间信息理论来研究地质体及其内部物理、化学属性的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达,并运用科学计算可视化技术对其进行真三维再现与交互的科学与技术。
由于地质数据及其应用本身所具有的复杂性、不确定性、信息不完备等特点,使得三维地质建模成为制约三维GIS研究及其应用的主要难点之一。
而钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义,根据钻孔数据直接构建三维地层实体模型也一直是国内外研究的热点。
多年来,上海开展的三维城市地质调查、地质资料信息服务集群化与产业化等工作,积累了大量的地质资料,尤其工程地质勘察的钻孔资料,入库钻孔数多达84万个,数据基础非常扎实,并且上海现有三维信息系统中有专门的“工程地质钻孔地质建模”功能模块,专业人员在软件中指定任意的空间范围,即可自动建立对应区域的三维模型,对建立的模型还可以进行任意切割、基坑开挖、隧道模拟等,实时建模,方便快捷。
地质建模方法
地质建模的方法包括但不限于以下几种:
1. 多元数据融合:基于信息技术和大数据技术的全新建模技术,将地质勘探数据和建模所需数据进行优化整合,统一管理,并建立对应的数据库结构,为后期的建模工作提供高效精准的信息服务,从而全面提高建模效率以及建模精度。
2. 地质界面构建:三维地质建模的核心环节,通过点、线、面、向量等元素,完成三维地质曲面的构建,构建方法主要有三角剖分、轮廓线表面重建等几种。
3. 地质空间插值:主要用于对未采样位置的高程值以及属性值的初步预测,以及降噪工作,提高地质界面的真实感以及可视化效果。
4. 地质界面交切处理。
此外,还有Civil 3D地质建模方法等,此方法主要应用于道路、管线设计。
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三维地质建模技术方法及实现步骤三维地质建模是基于实地采集的地质数据,通过计算机技术和地质知识,将地质对象在计算机环境中进行模拟和可视化呈现的过程。
它主要用于地质勘探、资源评价和地质灾害预测等领域。
下面将介绍三维地质建模技术的方法以及实现步骤。
一、三维地质建模技术方法1.数据采集:通过地质勘探和测量技术,获取地质数据,包括地质剖面、地下水位、岩性、构造等。
数据采集应选择合适的刻度、密度和时刻,以保证三维模型的准确性和真实性。
2.数据预处理:对采集到的地质数据进行预处理,主要包括数据清洗、数据调整和数据融合等。
数据清洗是指对数据中的异常值和噪声进行处理,以保证数据的可靠性。
数据调整是指对不同数据之间的尺度、坐标和分辨率进行调整,以便进行统一处理。
数据融合是指将不同类型的数据进行整合,获得更准确和全面的地质信息。
3.数据分析与处理:根据采集到的地质数据,利用地质统计学、地质物理学和地质学模拟方法等进行数据的分析与处理,以获得地质对象的空间分布特征和属性参数。
这些分析和处理的方法包括:无标度变异函数、地质统计学插值方法和多点模拟等。
4.三维网格建模:根据地质数据的特征和属性,选择适当的三维网格建模方法。
常用的三维网格建模方法包括地形插值、体素网格建模、几何模型和随机模型等。
其中,体素网格建模是最常用的方法之一,它将地质对象分割成一系列的体素元素,用来表达地质体的几何和属性特征。
5.模型验证与修正:通过与实际地质观测数据进行比对,验证三维地质模型的准确性和可靠性。
如果发现模型存在误差或不合理之处,需要通过调整和修正模型,使之与实际情况相符。
6.可视化与分析:利用计算机技术和三维可视化软件,将三维地质模型进行可视化呈现。
通过对模型进行旋转、放大和镜像等操作,可以观察和分析地质对象的空间形态和内部结构,以提供决策依据和技术支持。
二、三维地质建模实现步骤1.数据采集:根据实际的地质勘探任务,选择合适的地质探测技术和设备,进行野外地质数据的采集。
三维地质建模技术在水利水电工程中的应用发布时间:2021-06-17T13:45:06.260Z 来源:《基层建设》2021年第7期作者:孙应座[导读] 摘要:目前,我国水利水电工程发展很快,为经济建设带来重要支持。
云南兴宏建筑有限公司云南德宏 6784003摘要:目前,我国水利水电工程发展很快,为经济建设带来重要支持。
水利水电工程经常面临复杂的地层及构造,涉及到的地质信息日趋增多且更加复杂化、多元化,二维静态表达方式对地质资料分析缺乏直观性,难以真实反映出地质情况。
由此,采用三维地质建模,借助信息化技术及数字化技术,大大提高了数据收集、处理效果,实现地层界面、断层等的可视化分析,下面将详细介绍水利水电工程中的具体应用流程及方法。
关键词:三维地质建模技术;水利水电工程;地质建模1三维地质建模技术研究现状三维地质建模是指采用适当的数据结构在计算机中建立能反映地质构造的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型。
三维地质建模是一种基于勘探钻孔、地质剖面图、地质平面图、地表等值线、物探资料等稀疏数据进行空间插值形成地质立体模型的三维可视化方法,其本质是一个用于模拟地下空间结构和地质现象的数学建模过程。
自1993年加拿大学者Houlding正式提出三维地学建模的概念以来,各国学者对地质建模及地学信息可视化技术进行了深入的研究与探讨,提出了一系列的建模算法。
法国Nancy大学的J.L.Mal-let教授提出了离散光滑插值(DSI)算法,并基于该算法研发了国际上最著名的三维地质建模软件Go-CAD。
DSI算法是三维地学可视化领域内里程碑式的技术,标志着三维地质曲面建模技术取得了重大突破。
三维地质建模最先在油气勘探、采矿设计和矿山管理中得到应用,然后扩展到其他相关领域,如水文地质、工程地质、环境地质、城市地质勘探、城市地下空间管理等。
经过多年的发展,国外在理论、程序开发以及实例应用等方面均取得了大量的成果,也开发出不少商业软件。
基于地质数据库的三维地质建模技术及应用探讨随着三维建模技术的不断发展与应用,基于地质数据库的三维地质建模技术已经成为地质学、矿产勘探等领域不可或缺的工具。
本文从三个方面探讨了这一技术的研究现状、应用价值与未来发展方向。
一、基于地质数据库的三维地质建模技术研究现状在当前三维建模技术的主流成果中,基于地质数据库的三维地质建模技术占有相当重要的地位。
地质数据库建模技术可以将不同详细度、不同类型、不同地域的地质数据以一种有机的方式统一起来,并通过三维呈现方式清晰地表现地质现象、矿产富含区域等。
目前,基于地质数据库的三维地质建模技术主要有以下研究方向:1. 数据模型方向。
目前三维地质建模采用的数据模型主要分为两类:基于网格的模型和基于对象的模型。
前者是以网格作为三维空间的整体,通过对网格的控制来模拟不同地质特征,后者则以对象为单位进行建模,可以更加快速地处理不同类型的三维地质数据。
2. 渲染技术。
渲染是三维地质建模的重要环节,决定了建模结果的可视化效果。
目前使用的渲染技术主要有三种:立体造型、贴图和光线追踪。
不同的渲染技术适用于不同类型的地质结构,选择正确的渲染技术有利于优化建模结果。
3. 数据空间分析。
数据空间分析技术能够根据矿床分布、横向规律等数据统计的结果,用于精确估算储量、矿化程度等方面。
二、基于地质数据库的三维地质建模技术应用价值1. 地质学研究。
基于地质数据库的三维地质建模技术是地质学领域的重要工具,可以对不同地质体进行立体分析、可视化展示和模拟,帮助地质学家更好地理解和研究地球内部构造,进而推进整个地质学领域的科学发展。
2. 矿产勘探。
基于地质数据库的三维地质建模技术为矿产勘探的开发提供了技术支撑。
依靠系统性、高度精准的三维建模分析方法,可以更加全面地认知区域内矿产结构类型,有效提高勘探效率,减少资源浪费。
3. 工程建设。
基于地质数据库的三维地质建模技术应用于工程领域,不仅能够辅助工程设计,还可以通过模拟地层变化等预测不同自然灾害(如地震、泥石流等)的发生和爆发影响,进而对项目风险管理提供有效支持。
三维协同设计在水利水电工程设计中的应用陈亚军何文波王浩民(黑龙江省水利水电勘测设计研究院哈尔滨 150080摘要 :工程勘测设计是水利水电工程建设中的重要环节和依据 , 设计手段的变迁共经历了三个时代,即手工绘图时代 -电脑绘图时代 -三维协同设计时代,目前三维设计手段已经成为工程设计技术的发展方向与趋势。
三维协同设计之所以能迅速成为 CAD 技术的主流,是因为它有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性,本文论述了三维协同设计与二维设计的强大优势,并把三维协同设计手段运用到实际水利水电工程设计中。
关键词 :三维协同设计;水利水电; Bentley中图分类号 :文献标识码 :A 文章编号 :1 引言随着计算机及信息技术的迅速发展和日趋完善, 三维技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等行业得到了广泛的应用, 但在水利水电行业却鲜有涉及。
为了全面提高水利水电工程设计质量、效率和水平 , 优化设计流程 , 提高设计信息的共享与复用性, 适应水利行业信息化、数字化发展趋势的客观需要, 满足客户或业主对设计成果可视化、直观化的基本要求,提高勘测设计市场的综合竞争力, 黑龙江省水利水电勘测设计研究院引进国际上先进的 BENTLEY 三维设计软件平台, 在消化吸收的基础上, 结合水利水电工程的特点, 深入研究了三维设计的方法和工作模式, 初步掌握了该平台在水利水电工程设计中的应用方法, 积累了应用经验。
2 三维协同设计的优势三维协同设计之所以能迅速成为 CAD 技术的主流,是因为它有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性。
其主要作用是使参与项目的各专业相互交流、相互沟通、相互协调, 以最大程度将设计中因为协调不畅而产生的问题最小化和最少化,大大提高设计团队的效率和设计产品的质量。
表 -1对二维、三维设计从性能、效率等诸多方面进行了比较, 三维设计显示了其对结构描述更真实、更准确、更全面的强大优势, 克服了二维设计中可想而不可见的缺点,是技术进步的必然趋势。
三维设计在水利水电行业中的应用探讨摘要:水利水电工程是一个复杂的领域,需要使用先进的技术和软件来进行设计。
近年来,随着科技的不断发展,水利水电工程的三维设计软件得到了快速发展。
本文将探讨水利水电工程的三维设计软件,并得出以下结论。
首先,地质三维建模需要基于地表、地下空间及地质数据,并可采用CATIA软件进行设计。
CATIA是一种功能强大的三维建模软件,可以支持地质数据的可视化和模拟。
通过CATIA软件,可以将地质数据转换为三维模型,从而更好地理解地质情况,并为水利水电工程的设计提供有力的支持。
其次,在地表建模方面,可以采用不规则三角网格(TIN),这种方法可以更好地反映地表的真实情况,提高模型的精度。
同时,在地层建模方面,可以增加虚拟钻孔来提高模型的精度。
虚拟钻孔可以模拟真实的钻孔过程,从而更好地了解地下情况,并为水利水电工程设计提供更加精确的数据。
关键词:三维设计;水利水电;应用1水利水电工程三维设计软件的选择当今,水利水电工程的建设已经离不开三维设计软件,因为三维设计软件能够提供更为准确和直观的设计方案,帮助工程师们更好地完成项目。
然而,如何选择一款合适的三维设计软件,却是一个需要认真考虑的问题。
本文将介绍三维设计软件的选择标准,并初步筛选出三款设计平台,以供读者参考。
首先,三维设计软件需要具备建模、渲染、数据管理等能力。
建模能力是指软件能够快速建立三维模型,渲染能力是指软件能够将模型进行色彩、纹理等处理,使其更加真实。
数据管理则是指软件能够有效地管理工程数据,方便工程师进行项目管理和维护。
此外,三维设计软件还需要与专业软件相互协调,比如需要与CAD、BIM 等软件相互配合,以便于工程师进行数据共享和协作。
在软件选择上,需要综合考虑可行性、兼容性、经济性等原则。
可行性是指软件是否能够满足工程师的设计需求,包括建模、渲染、数据管理等方面。
兼容性则是指软件是否与其他专业软件相兼容,以便于数据共享和协作。
三维地质建模标准一、建模方法1.1概述三维地质建模是一种通过对地质数据进行分析、理解和模拟,以构建三维地质模型的方法。
该方法广泛应用于地质勘探、矿产资源评价、地质灾害预测等领域。
1.2建模过程三维地质建模过程一般包括以下步骤:(1)数据收集:收集与地质相关的数据,如地形地貌、地质构造、岩石类型、矿产分布等。
(2)数据预处理:对收集的数据进行清洗、整理、转换等操作,以满足建模需要。
(3)模型建立:利用专业软件,根据处理后的数据建立三维地质模型。
(4)模型质量评估:对建立的模型进行质量评估,包括准确性、精度、完整性等方面。
(5)模型应用:将建立的模型应用于实际工程中,如矿产资源评价、地质灾害预测等。
二、数据规范2.1数据来源三维地质建模所需的数据来源应可靠、准确、完整,包括但不限于以下来源:(1)实地勘测数据;(2)地球物理数据;(3)地质调查数据;(4)遥感影像数据;(5)矿产资源数据等。
2.2数据格式三维地质建模所需的数据格式应统一、规范,包括以下格式:(1)GeoTIFF;(2)ESRIShapefile;(3)AutoCADDXF等。
三、模型质量评估3.1准确性评估模型准确性的评估应基于实际地质情况和建模数据进行对比和分析,一般采用专家评审、实地考察、统计检验等方法进行评估。
3.2精度评估模型精度的评估应采用专业的测量和计算方法,对模型的细节和整体进行评估,一般包括平面精度和高度精度两个方面。
3.3完整性评估模型完整性的评估应考虑模型的覆盖范围、模型特征的完整性和地质特征的完整性等方面,以确保模型能够全面反映地质情况。
四、模型应用标准4.1矿产资源评价利用三维地质模型可以精确预测矿产资源的分布和储量,为矿业开发提供科学依据。
应用标准包括矿产资源的类型、分布范围、储量估算等。
4.2地质灾害预测三维地质模型可以揭示地质构造特征和岩体结构特征,能够预测和评估地质灾害的风险和影响,为灾害防治提供参考。
中国科学 E 辑: 技术科学 2007年 第37卷 第3期: 455~466收稿日期: 2006-11-28; 接受日期: 2006-12-08国家自然科学基金(批准号: 50479048, 50539120)和国家杰出青年科学基金(批准号: 50525927)资助项目 * E-mail: dzhong@《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 水利水电工程地质三维统一建模方法研究钟登华* 李明超 刘 杰(天津大学水利水电工程系, 天津 300072)摘要 针对水利水电工程地质的三维建模与分析问题, 提出了面向水利水电工程地质建模的混合数据结构; 以面向对象的分类思想, 基于混合数据结构实现了地形类、地层类、断层类、界限类4类地质对象的拟合构造与几何建模, 并提供可供选择的建模机制, 为解决倒转褶皱、复杂断层等建模难点发展了新的方法;集成地质对象和人工对象模型, 实现了水利水电工程地质三维统一模型的构建.基于三维统一模型可进行一系列水利水电工程地质分析应用, 包括岩体质量可视化分级、三维模型任意剖切分析、大坝和地下工程地质分析等, 为分析复杂地质条件下水利水电工程勘测、设计与施工中的地质问题提供了理论基础和技术手段.关键词 三维统一模型 工程地质 地质分析 水利水电工程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[1]. 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.三维地质建模与分析问题是国内外相关领域研究的热点和难点, 如数学地质、矿山地质、油气藏地质、水文工程地质以及计算机科学等[2]. Houlding [2]最早提出了三维地学建模(3D geoscience modeling)的概念, 并阐述了一些基本的实现技术和方法, 如空间地质数据库的建立、三角网生成与固化、地质体边界连接等; Mallet [3]针对地质体建模的特殊性和复杂性, 采用离散光滑插值技术来模拟地质体, 并作为GOCAD 的核心技术, 得到了许多地球物理公司和石油公司的支持[4]; de Kemp [5]则运用三维Bézier 工具对复杂地质结构进行可视化建模, 并与 Sprague [6]合作发展了Bézier-NURBS 混合曲面来拟合构造三维地质结构面; Courrioux 等人[7]基于V oronoi 图实现了地质对象实体的自动重构; 柴贺军等人[8]结合溪洛渡水电站研制开发了一套岩体结构三维可视化系统, 在一定程度上建立了三维地质模型构图, 并能够进行一些简单456中国科学E辑技术科学第37卷的剖切分析; 武强等人[9]提出了在原始数据有限情况下有效耦合多种地质数据的建模方法, 并建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构[10]. 上述成果丰富和发展了三维地质建模的理论与方法.总的来说, 国外在这方面的研究开展较早, 并已发展了一系列较为成熟的商业建模软件包, 如GOCAD, EarthVision, GemCom和Surpac等, 但它们主要面向油气藏工程和采矿工程等领域, 由于性能要求高、价格昂贵和不同的地质应用目的, 难以在我国水利水电工程地质领域推广使用; 国内也有类似的成果, 同时在水利水电三维地质建模方面也开展了大量研究, 但存在模型数据存储量与精度之间的矛盾和分析功能较为单一的问题, 离实际应用还有一定距离. 因此有必要深入研究实现水利水电工程三维地质建模与分析的理论和技术方法.我们紧密依托实际工程, 融合水利水电工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多个交叉学科的先进理论与技术, 提出实现水利水电工程地质统一建模的技术方法, 主要解决3个关键问题: (ⅰ) 适合于水利水电工程地质的三维数据结构问题. 目前常用的数据结构所建立的三维地质模型数据存储量大, 无法满足实际分析应用的要求, 必须探寻合适的数据结构, 解决复杂地质体信息量大与工程地质分析要求高的矛盾. (ⅱ) 耦合多源数据的水利水电工程地质三维建模问题. 如何从错综复杂的地质数据中系统地构造出各种地质结构的三维模型, 并保证模型的精度满足实际要求. (ⅲ) 基于水利水电工程地质模型的分析应用问题. 如何能够将所建立的模型有效地应用于水利水电工程勘测、设计与施工中去, 为工程建设服务. 本文将围绕这3个问题的解决展开深入的探索研究.1面向水利水电工程地质建模的混合数据结构1.1 NURBS-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-uniform rational B-spline, NURBS)结构为主、结合不规则三角网(triangulated irregular network, TIN)模型和边界表示(boundary representation, BRep)结构的3种面表示的混合数据结构.NURBS技术是STEP标准(ISO, 1991)中自由型曲线曲面的唯一表示方法, 对标准的解析图形和自由型曲线曲面提供了统一的数学描述[11]; 针对复杂地质体形态的无规律性变化, 进行地质曲面NURBS几何建模, 具有节省存储空间、计算机处理简便易行、数据库管理方便并可以保证空间唯一性和几何不变性等优点, 应用价值很高[12]. TIN模型精度高但占用存储空间大, 作为构建三维数字地形NURBS简化模型的一种中间转换表达方式. BRep结构通过边界面来定义实体, 为地质对象提供了一种有效的体描述方式[13], 边界面可以是任何可定向的自由曲面; 这里它用来组织NURBS曲面间的拓扑关系, 构造复杂的地质体. 由这三种表达方式构成的混合数据结构如图1, 并设计了点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形、Mesh 和BRep实体等7种基本几何元素的数据结构. 该结构不仅能有效表达地质对象的几何形态和第3期钟登华等: 水利水电工程地质三维统一建模方法研究 457 拓扑空间关系, 而且便于将相关的地质属性信息与几何对象结合; 模型精度高且数据存储量小, 布尔运算速度快, 能够满足水利水电工程地质三维建模与分析的需要.图1 三维地质建模混合数据结构图1.2 地质结构单元实体模型传统的地质单元划分通常将本身是一个整体的地质结构体剖分为诸多所定义的最小单元体的集合[9]. 一般情况下, 基于此类地质单元的三维实体重构模型虽然能够满足精度要求, 但往往不可避免地增加空间或时间的开销, 对于水利水电工程区域大规模数据整体建模应用, 必然影响地质分析速度, 不能实时响应用户操作, 无法得到满意的效果. 因此, 在混合数据结构的基础上, 遵循客观地质规律, 以各类单个地质结构整体作为相应的地质单元, 提出通用的地质结构单元实体重构模型.NURBS 地质结构面实际上是由各层面上的离散点和线数据构建而成的, 而地质结构体又是基于不同结构面而组成的[14]. 假设重构模型空间研究区域为Ω, 则基于地质结构单元的整体地质模型数学定义如下:112112,, (1, 2,..., ),(), (1, 2,...,;1, 2),'({}),(), 1, 2,..., ; 1, 2,..., ),i n i i m i i i ik k ijij ik ik ik i i i M Mc Mc S S Sl i n S s i n j Sl s v v S S i n k m Ω==⎧=⎪⎪⎪⎛⎞⎪=∪∪=⎜⎟⎨⎜⎟⎪⎝⎠⎪===⎪⎪=∈∂∪∂==⎩P ∪∪ (1) 式中M Ω表示研究区域Ω的整体Brep 实体地质模型; n 为Ω中包含的地质结构单元实体总数; M ci 表示Ω中的第i 个地质结构单元BRep 实体模型; S i 1和S i 2分别是构成M ci 的上、下(或左、右)主结构面, 它们由其层面上的点集P i 1和P i 2通过NURBS 技术拟合构造而成; ∂S ij 是结构曲面S ij 上所有边界顶点的集合; Sl ik 则表示连接S i 1和S i 2形成闭合实体M ci 的第k 个边界面, 它是由边界顶点集合{v ik }形成的简单NURBS 曲面; m i 为第i 个单元中连接边界面的数目.图2给出了一个简单地质结构单元的实体模型, 由空间分割原理可知, 任何具有复杂几何458中国科学E辑技术科学第37卷形态的对象都可分解为有限个简单单元形状, 通过(1)式重构地质模型, 可以完整、快速及客观地描述复杂地质体的空间几何形态.图2 地质结构单元实体模型2水利水电工程地质对象分类建模2.1水利水电工程地质对象分类在水利水电工程地质领域, 所研究的地质空间对象包含大量复杂不规则的地表地形、地层、覆盖层、褶皱构造、断层、侵入体、层间层内错动带、节理以及深裂缝等. 众多的地质信息使得地质体在人们眼中显得杂乱无章, 难以对其获得清楚的理解与认识. 基于面向对象技术采用分类的思想, 将实际工程中可能遇到的地质对象的几何形态特征和属性特征进行认真分析, 特征相似的对象可归为一个大类, 形成相应的层次结构关系, 从而有利于三维地质模型的构建. 根据对各类工程地质对象的特征分析和相应建模方法的不同, 水利水电工程地质对象分类结构如图3.图3 水利水电工程地质对象分类结构图2.2分类建模实现(1) 三维数字地形的NURBS简化建模: 地表地形是地质形态中最直接最基本的部分, 而数字地形模型(digital terrain model, DTM)不仅是整个地质模型建立过程中所有运算操作的受体, 同时也是其重要的组成部分, 它必须满足存储量小、精确度高且易于图形操作运算的要求. 这也一直是建立真正实用的三维地质模型的一个制约性问题.第3期钟登华等: 水利水电工程地质三维统一建模方法研究459目前常采用规则格网和TIN模型来实现三维数字地形, 但前者数据量虽小但精度较低, 而后者精度虽高但数据量太大, 两者均无法直接满足需要. 因此引入NURBS技术构建DTM, 但由于实测的原始等高线往往不能很好地描述悬崖、沟壑, 出现不连续的现象, 难以直接用来建立NURBS-DTM, 而TIN模型能够很好地表示这些特殊复杂地形的造型, 我们提出了基于TIN模型的NURBS简化建模算法, 该算法可描述如下: (ⅰ) 处理等高线. 若等高线密度太稀或太密, 则进行插值加密或稀疏. (ⅱ) 生成TIN模型. 基于整理好的等高线, 在GIS环境中利用Delaunay算法生成TIN格式的三维DTM, 并消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺乏所造成的细小、狭长三角形, 获得高精度的TIN模型. (ⅲ) 数据转换. 将所产生的TIN模型从GIS环境中转化到所开发的NURBS处理系统中形成多边形mesh曲面, 并保证三角形没有丢失或产生变化. (ⅳ) 获取控制点. 在NURBS系统中从mesh曲面按u或v方向等间距(根据所需精度可取任意值)提取足够多的分布均匀且连续的轮廓线, 并进行离散化处理, 反算得到相应的控制信息点数据. (ⅴ) 拟合NURBS地形曲面. 根据NURBS算法所设计的函数FitSurface(U-spans, V-spans和Stiffness)重新拟合生成地形控制曲面, 其参数分别表示u和v方向网格数和曲面柔韧度(一般取0.01, 该值越大曲面越平直). (ⅵ) 获得NURBS地形轮廓体. 按照研究区域将上述NURBS曲面进行范围界定并裁剪, 获得简化的NURBS地形模型; 进一步利用计算机图形学的布尔操作运算, 获得整个区域的地形轮廓体模型.该建模方法思路清晰简单, 较复杂的图形和数学运算封装在底层, 处理速度快, 实用性强. 实践表明[14], 所得到的NURBS-DTM存储量较之TIN模型降低了一个数量级, 而模型精度仍在国家测绘局一级标准范围内, 不仅可进行各种可视化地形分析, 更为三维地质建模提供了可行的基础.(2) 地层类地质结构建模: 地层类对象主要包括地层、覆盖层和层间错动带三类地质结构, 下面将主要以地层为主来说明该类地质对象的几何建模方法.对于单个连续的成层地层面, 根据(1)式可知, 区域内单个连续的地层结构体是由上、下两个地层面和周边4个边界面闭合而成. 实际上, 我们可以对已建立的区域地形轮廓体和上、下两个地层结构面进行布尔切割运算, 更精确简便地获得对应的地层体.对于多个成层构造地层, 其接触关系有整合接触、平行不整合接触和角度不整合接触3种, 而从空间几何角度而言, 在相互邻接的地层之间一般存在4种空间关系(图4): 包含、覆盖、相交和多层相交. 若这些相互关联的地层面分别利用各自的地质数据进行构建, 它们的结合面将难以精确地匹配到一起. 这里提出一种简便的裁剪-叠加方法来缝合邻接地层间的结构面. 以图4中T1和T2地层的包含关系为例, 该方法实现过程如下(图5): (ⅰ) 根据各自的地质数据分别建立地层T1和T2的上部NURBS结构面S1和S2, 如图5(a); (ⅱ) 计算曲面S1和S2的相交线l1和l2, 如图5(b); (ⅲ) 以曲线l1和l2为边界对曲面S2进行裁剪, 从而得到两地层T1和T2间的结合面S3, 如图5(c).这样, 所获得的曲面即可成为地层T1的下底面, 然后与地层T2进行叠加, 两者即可很好地缝合在一起; 其他邻接关系的地层可采用类似的方法进行处理.对于褶皱构造地层, 可分为两种情况: 一是对于不含多值面的褶皱地层, 其建模方法同上; 二是对于含有多值面的褶皱地层, 即平面上一点p(x,y), 在地层的上、下界面对应的z值不460中国科学E辑技术科学第37卷图4 地层空间关系示意图图5 两个邻接地层的缝合唯一, 如倒转褶皱, 此时地层界面的模拟构造不能再笼统地将离散点和剖面线数据进行插值拟合, 而只能通过轮廓线来形成, 具体算法步骤如下: (ⅰ)汇总褶皱地层界面上的钻孔点和剖面线(包括横、纵剖面和平切面等)数据, 如图6(a), 分析褶皱要素产状及其几何形态特征. (ⅱ) 以剖面线为基础构造反映褶皱空间特征的轮廓线. 为了不丢失信息, 根据褶皱的要素产状, 尽量选取有特征的钻孔点, 如枢纽点和转折端部位点等, 结合剖面线趋势插入新的典型轮廓线, 如图6(b). (ⅲ) 加入边界约束条件, 利用NURBS曲面技术, 根据已形成的轮廓线集合拟合形成相应的褶皱光滑曲面, 如图6(c). (ⅳ)同理可形成该褶皱的另一界面, 进而运用BRep结构构建出褶皱地层实体模型, 如图6(d).图6 倒转褶皱几何模型构造(a)数据汇总; (b)构造轮廓线; (c) NURBS褶皱面; (d)褶皱地层实体(3) 断层类地质对象建模: 断层类对象主要包括断层、侵入体、深裂缝和层内错动带4类地质结构. 断层处理是三维地质建模的难点之一, 目前仍处于探索阶段[9]. 断层建模的主要问题在于连接剖面之间断层轨迹线的多解性, 以及缺乏对断层变形和对其进行三维外推的丰富信息[4]; 而在水利水电工程地质构造复杂的区域, 众多的断层互相交错发育, 在地质岩体内形成了极其复杂的断层网络. 因此, 除了精确构造单个断层外, 还要从整个断层网络系统出发, 正确处理好多个断层相交的错动问题, 下面将主要对两个以上的交错断层三维建模进行阐述.对于两相交断层(或单个断层错断地层), 首先引入以下两个约束条件: (ⅰ) 边界约束(OnTsurf约束), 即相应于主断层的上升盘与下降盘的被错断层边界任何时刻都应该位于该主断层上; (ⅱ) 矢量连接约束(VecLink约束), 即被错断层由错动引起的位移可通过在主断层的第3期钟登华等: 水利水电工程地质三维统一建模方法研究461上升盘和下降盘之间设置位移向量λ来实现. 针对图7中的两种不同情况, 分别提出不同的方法进行构造建模: (ⅰ) 直接错断法, 适用于图7(a)中被错断层错动位移较小(一般|λ|<1.0 m)的情况, F1错断F2, F1是一个完整体, 而F2被分成两个微小错距的不连续部分. 首先对断层F1进行单元实体建模; 然后对断层F2直接按错动方式将其两部分连接起来, 进行NURBS整体建模; 最后通过布尔运算, 利用F1体切割F2体, 这样构造出的交错模型不仅能够满足精度要求, 同时还直接满足了上述两个约束条件. (ⅱ) 分盘匹配法, 适用于图7(b)中被错断层错动位移较大(一般|λ|≥1.0 m)的情况, 图中F3错动F4, F3是一个完整体, F4则被F3切割为相对位移较大的不连续两部分. 此时, 若仍把F4连接为一个整体进行构建, 则在转折处易产生较大的突变, F4和F3在交错处难以精确吻合, 误差较大. 因此考虑把位于F3上升盘和下降盘的F4不连续两部分分别进行构造建模, 这样能够满足VecLink约束; 在构建过程中, 调整F4两部分与F3相交处的边界, 使其边界线均位于F3断层体上, 以满足OnTsurf约束.图7 不同错动位移下的两相交断层(a)错动位移小; (b)错动位移大对于断裂构造极其发育的工程区域, 众多的断层相互交错形成复杂的断层网络, 如图8(a)实例, 共包含7条存在相互关系的断层. 对此我们提出了面向历史构造的复杂断层网络建模方法, 主要实现过程: 根据断层网络中各个断层的产状、构造特征和错动关系分析各自的历史形成过程, 建立其活动结点(activity on vertex, AOV)网络模型(如图8(b)), 利用拓扑排序算法[15]并结合断层构造分析, 对它们发育构造形成的先后关系进行排序, 得到该模型的拓扑序列, 即断层形成的先后顺序为F304→F45→F48→F31→F49→F33→F47, 然后依序根据其错断位移大小, 在两相交断层构造的基础上实现复杂断层网络的三维建模, 最后得到的该断层网络整体三维模型如图8(c), 相应高程的模型平切图如图8(d). 该方法面向历史过程充分考虑了断层的构造形成和相互交错情况, 重构模型不仅精确揭示了区域内断层在地质岩体中的空间展布, 而且真实地再现了历史形成条件下的断层空间拓扑关系.(4) 界限类地质对象建模: 界限类对象主要包括人为划分的强、弱、微不同等级的风化、卸荷界限以及地下水位分界面等. 由于风化卸荷作用外动力对岩体的影响是一个随机动态的过程, 且需要地质人员去辨识分析, 该类对象建模的难点在基础数据难于获得, 分布不连续, 不同级别的风化、卸荷界限会发生交叉现象. 对此, 针对不同区域数量与质量参差不齐的采样数据, 提出不同的处理方法. (ⅰ) 对于采样数据充足且精度较高的区域如坝区, 数据汇总后直接拟合获得相应的NURBS界限面. (ⅱ) 对于采样数据不足的区域, 首先利用地形相似法, 依据462中国科学E辑技术科学第37卷图8 复杂断层网络构造建模(a)复杂断层网络实例, 高程135.0 m; (b) AOV网络模型; (c)断层网络整体三维模型; (d)模型平切图, 高程135.0 m原始数据自身趋势并结合其垂向地形形态进行推断延伸; 然后组合所有数据, 将该区域界限作为一个连续的整体来构建NURBS曲面; 最后将该曲面与相关地形、地层整合于一起进行分析、调整和裁剪, 由于调整NURBS曲面上的控制点并不影响其他区域, 易于调整不合理之处, 而对于不存在风化或卸荷的区域, 则进行裁剪处理. 这样, 基于有限的采样数据可以获得误差相对较小的界限面, 且符合其分布不连续的特点.(5) 人工对象建模: 在水利水电工程建设及地质勘探中, 所包含的人工对象有大坝、建基面、地下工程(包括地下厂房系统、导流洞等)等与地质条件密切相关的水工建筑物以及钻孔、平硐等相关勘探对象. 为了能够与地质对象进行布尔操作运算, 所有人工对象亦均采用NURBS技术建模, 具有精度高且数据量小的优点. 相对于上述地质对象, 人工对象的几何建模相对简单, 本文不再赘述; 而且若已有CAD或其他常用数据格式的三维模型, 则可直接利用其三维参数进行NURBS建模, 效率极高.3水利水电工程地质三维统一模型的建立3.1三维统一几何模型的建立在水利水电工程建设中, 工程建筑与地质环境是相互作用、相互制约的, 应将两者作为一个统一的系统来分析研究, 因此我们提出建立水利水电工程地质三维统一模型, 为分析工程地质问题提供新的手段.第3期钟登华等: 水利水电工程地质三维统一建模方法研究463基于上述地质对象和人工对象分类建立的几何模型, 系统考虑各部分对象之间的空间关系, 采用三维几何对象的任意布尔切割算法[14], 完整地构建研究区域内工程地质的三维统一几何模型, 其主要过程如下:(1) 建立地层几何模型: 在三维地质模型中, 地层结构体属于定义局限对象, 在模型中处于主体地位, 在地质历史过程中是早期形成的, 是各种地质构造的作用对象, 因此首先需要集合各个岩层单元实体T={T1, T2, T3, …, T n}(n表示岩层数), 形成相应的三维地层几何模型.(2) 建立地质几何模型: 由于地质体结构空间的不连续性、不均匀性和不确定性, 实际地质内部的结构关系非常复杂, 不仅包括以岩性为要素的不同地层, 还包括对地层形成破坏的断层、岩脉侵入体、错动带、深裂缝等软弱结构. 以第(1)步建立起来的三维地层几何模型为对象, 利用已建立的地质构造结构单元实体集合S={F1, F2,…,F m1}∪{D1, D2,…,D m2}∪{B1, B2,…, B m3}∪{C1, C2,…, C m4}∪… (m1, m2, m3和m4分别表示断层数、岩脉数、错动带数和深裂缝数), 对S中的每个元素和集合T进行体与体间的布尔差运算, 并将集合S与被破坏的地层结构体按相应的空间位置关系正确地组合起来. 这样就由各类地质结构体及其拓扑关系建立了能客观真实地反映工程区域内地质条件情况的三维地质几何模型.(3) 构建统一的工程地质模型: 地质实体是水利水电工程建设的基本载体, 以三维地质几何模型为对象, 利用工程建筑物模型对地质模型进行操作运算, 既有面与体之间的切割运算,如大坝建基面开挖对地表地质体的剖切; 也有体与体之间的布尔差运算, 如地下洞室群、钻孔、平硐等对内部地质体的挖除. 经过一系列的图形运算, 最后建立起统一的三维工程地质模型. 该模型能够同时反映地质信息和在真实地质条件下工程建筑物未来的建设状况, 为水利水电工程设计与施工优化提供有效的帮助.3.2模型的可靠性分析建立精确、有效的工程地质三维统一模型是所有研究和使用人员的共识, 模型的精度与可靠性必然是人们关注的焦点, 这也是模型能否真正应用于工程实践的关键, 因此对模型的可靠性检查与检验便是三维建模工作中极其重要的一环. 实际上, 可靠性分析贯穿于整个模型建立过程的始终, 无论在建模初期或中间阶段, 还是在模型建立之后, 都应进行相关的检查与检验. 结合工程实际, 主要从以下4个方面进行模型的可靠性分析: (ⅰ)模型对象的几何性检查, 即检查构造过程中地质对象在几何结构及拓扑关系上是否正确. 分别需要检查线的连续性、面的连续性和拓扑性、体的封闭性和相关拓扑结构的合理性, 若发现错误, 则需进行修正或者重新构造. (ⅱ)地质结构合理性的检查, 即检查或验证所拟合的地质结构面或体的整体趋势是否合理. 可利用地质平面图、横纵剖面图、平切图以及地质趋势面分析同时进行对比检查, 从三维模型能快速获得已知位置的二维剖面图, 与原有CAD剖面进行对比验证, 来检查不同地层间、断层间以及断层与地层间的交切情况, 和断层两侧地层形态的一致性等, 若误差较大则需进行确认修改. (ⅲ) 原始数据的精度检验, 即验证原始数据(钻孔、平硐等)是否被保留, 所形成的面是否与原始数据点相一致. 检验要求地质结构面在钻孔和平硐勘探位置与实际所测得的坐标点及其岩性分层能够吻合, 达到一定的误差要求. 一般选取大部分钻孔、平硐数据作为地质构造建模的原始样本集, 而留下5~6组作为检验样本集进行精度检验. (ⅳ) 模型的反馈检查与检验, 即利用后期获得的勘探资料对重构模型的局部进行有效的检查与检验.。