真三维地学模拟系统与水利工程应用（吴立新1 沙从术2）

 
<P>摘要：水利工程涉及工程地质与岩土开挖问题，在场址选择、渠涵选线、工程施工、沉陷与变形监测全过程中，需要一系列的地质调查、工程勘察、围岩结构及其稳定性分析基础工作。真三维地学模拟的主要目的是基于钻孔数据并综合地球物理与地球化学等多源地学数据来建立研究区域的集成地学空间数据库，并利用真三维体元来构建研究区域的数字化的真三维地层环境模型，从而在可视化环境中实现地层任意剖切、量算、揭层显示和开挖设计，以及各类地学统计、查询与空间分析。该文以煤矿地质环境建模为例，介绍了国产真三维地学模拟系统GeoMo3D的基本功能，进而分析了GeoMo3D在南水北调工程中的应用前景。 </P>
<P>关键词：南水北调；水利工程；真三维地学模拟；地学数据集成；可视化；GeoMo3D </P>
<P>中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1672－1683(2003)02－0020－06</P>
<P>1 学术名词界定</P>
<P>首先介绍并界定几个学术名词，以便后续阅读和理解：1）地学（Geosciences，也称earth science），字面意义为关于地球的科学。实际上，地学可以理解为地理Geography、地质Geology、地球物理Geophysics和大地测量Geodesy等地学相关学科的统称，因其英文名称之前缀均为Geo[1]。基于地学的人类工程问题包括采矿工程、隧道工程、岩土工程、水利工程等。2）三维地学模拟（3D Geosciences Modelling, 3D GM）：该词是加拿大工程地质学家Simon Houlding先生于1994年在其著作[2]中提出的，主要表征利用地质勘探与工程设计数据来进行地质体及地下开挖三维建模的过程。这里的Modelling是一个动名词，表示“建模”或“构模”，是一种行为，一个过程。3）三维地学模拟系统（3D Geosciences Modelling System, 3D GMS）：该词由吴立新等于2003年在“3D GIS与3D GMS中的空间构模技术”[1]一文中首先采用，表示为一种用于三维地学建模的系统，包括软件、硬件、数据、人员和相关规范等。4）三维地学模型（3D Geosciences Model, 3D GM）：该词可泛指一切利用计算机和非利用计算机建立起来的、按一定比例缩小了的地学模型，如军事沙盘模型、地下掩体模型、地质环境和水利工程模型等，其中包括基于3D GMS建立的三维地质模型（3D Geological Model，3D GM）；5）3D GM有双重意义，既是名词又是动名词，即三维地质模型或三维地学模拟。</P>
<P>2 三维地学模拟理论现状</P>
<P>传统的地质信息模拟与表达方式主要有两种：1）采用平面图和剖面图进行表达（如底板等高线图、采掘工程平面图、地质剖面图、钻孔剖面图等），其实质是将3D地质环境中地层、矿体与地质现象投影到某一2D平面（XY平面、XZ平面或YZ平面）上进行表达；2）采用透视和轴侧投影原理，将3D地质环境中的地层、矿体与地质现象进行透视制图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强3D视觉效果，便于3D理解和想象。两种方式均存在空间信息的损失与失真问题，而且制图过程繁杂，信息更新困难，难以满足现代大型、复杂工程的需要。</P>
<P>3D GMS是随着科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，而在20世纪90年代开始为人们所重视。区别于GIS（地理信息系统），3D GMS的主旨是针对地质信息模拟与表达方法的不足和缺陷，借助于计算机和科学可视化技术，直接从3D 空间的角度、以数字化的形式去理解、表达和再现地质体与地质环境，进而辅助工程设计、施工与决策。</P>
<P>目前，关于3D GMS的空间维数问题，学术届尚存在一些不同称谓、理解和认识。笔者曾对此进行了讨论和分析，认为：“无论是2.75D GIS还是假3D GIS、假3D GMS，抑或是3D CM（注：3D城市模型），它们与真3D GIS或真3D GMS的本质区别在于：前者只描述3D空间实体的外部轮廓，不表达其内部属性；而后者则是以体元的方式在描述3D空间实体的外部轮廓的同时，还表达其内部属性”[1]。为统一认识，建议“采用一个较中性的词——“准”（quasi），将2.75D GIS和假3D GIS统称为准3维GIS，将假3D GMS称为准3D GMS”[1]。</P>
<P>可以基于地学建模的数学模型、高程特征和属性特征的差异来区分有关系统的空间维数，如表1所示。所谓真3D GMS，它是将3D空间坐标（x, y, z）作为独立参数来进行地学空间实体对象的几何建模，采用3D 矢量构模或3D体元构模方式来表达空间实体的实际轮廓及其非均值的内部属性。所建立的模型不仅可以实现真3D可视化，还可以在体内进行3D空间内插、在体外进行3D空间推估等复杂空间分析操作。</P>
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<P>近年，国内外学者吸收科学可视化、计算机图形图像学中的体视化理论与技术在真三维地学建模理论与方法方面进行了积极探索[3－9]；同时，吸收3D GIS的空间拓扑表达与描述方面的成果在地质体对象的拓扑关系表达与组织方面进行了有益的探索[8－12]。应该说，3D GMS 和3D GIS是当今地学领域并行发展的两个高新技术领域，前者以地球表面及其内部为研究对象，后者以地球表面及其上部为研究对象。两者的有机结合即构成对整个地球系统的统一描述与表达，因而可以统称为地学中的地球信息学（Geo－informatics）[1]。</P>
<P>3 三维地学模拟方法现状</P>
<P>3D空间构模方法研究是目前3D GMS 和3D GIS领域研究的热点。过去十余年中，提出了20余种空间构模方法。若不区分准3D 和真3D，则空间构模方法可以归纳为面模型（Facial Model）、体模型（Volumetric Model）和混合模型(Mixed Model) 3大类构模体系，如表2所示。</P>
<P>基于面模型的构模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物（建筑物）及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可能是非封闭的。基于采样点的TIN模型和基于数据内插的Grid模型，通常用于非封闭表面模拟；而B－Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section－TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质构模。通过表面表示形成3D空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，缺点是无拓扑描述和内部属性记录而难以进行3D空间查询与分析。</P>
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<P>体模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。可以根据体元的规整性分为规则体元和非规则体元两个大类。规则体元包括CSG－tree、Voxel、Octree、Needle和Regular Block共5种模型, 如图1所示。规则体元通常用于水体、污染和环境问题构模，其中Voxel、Octree模型是一种无采样约束的面向场物质（如重力场、磁场）的连续空间的标准分割方法，Needle和Regular Block可用于简单地质构模。非规则体元包括TEN、Pyramid、TP、Geocelluar、Irregular Block、Solid、3D－Voronoi和GTP（广义三棱柱，Generalized Tri－Prism）共8种模型，如图2所示。非规则体元均是有采样约束的、基于地层界面和地质构造的面向实体的3D模型。通过对体的描述实现3D目标的空间表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算、显示和刷新速度较慢。</P>
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<P>此外，人们还提出了混合模型，其目的是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与非规则体元的优点，取长补短。但在程序与软件实现中，混合模型尚未能很好解决。</P>
<P>在众多的体元模型中，GTP[8，9,13,14]是专门针对实际地质钻孔出现偏斜而提出的一种可以不受三棱柱棱边平行即（钻孔垂直）限制的体元构模方法，并将TP构模称为其特例。而且，基于TIN边退化和TIN面退化，可以由GTP导出Pyramid模型和TEN模型，如图3所示。GTP构模原理是：用GTP的上下底面的三角形集合所组成的TIN面来表达不同的地层面，然后利用GTP侧面的空间四边形面来描述层面间的空间关系，用GTP柱体来表达层与层之间内部实体。其特点是充分结合钻孔数据，利用钻孔数据的不同分层来模拟地层的分层实体并表达地层面的形态。基于点、TIN边、侧边、TIN面、侧面和GTP先后定义了8组[8,9]和6组拓扑关系[13、14]，据此可以方便地实现空间邻接和空间邻近查询与分析。而且，GTP数据结构易于扩充，当有新的钻孔数据或其它空间数据加入时，只需在局部修改TIN的生成以及在局部修改GTP的生成，而不需改变整个体的结构，这样使得GTP的局部细化与动态维护很方便。</P>
<P>4 三维地学模拟软件现状</P>
<P>利用计算机辅助三维地质信息的采集、存储、管理、分析、制图以及建立3D GM并进行相应的空间分析和决策一直是地质研究、地质勘探、工程地质、水文地质、矿业工程、水利工程科技工作者的梦想。随着人类岩土与地质工程活动（包括采矿、隧道与水利工程建设等）加剧，对3D GM的需求也愈来愈强烈。西方发达国家在20世纪70年代初就将CAD技术应用于地质、矿业领域；早期的采矿计算机辅助设计（采矿CAD）、地质统计分析软件包、地质绘图软件包以及矿床块段构模等是3D GM的萌芽和孕育阶段。之后，随着地质工作计算机化要求的日益提高以及三维地震勘探技术的发展，为三维地质模拟的研究和软件开发提供了新的动力。</P>
<P>自20世纪80年代以来，围绕矿山、地质和岩土工程应用，国际上开发了多种3D GMS软件。以1988年法国Nancy大学的 J.L.Mallet教授推出了GOCAD（地质对象计算机辅助设计）为例，其目的是满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计需要。在20世纪90年代初期，受微机性能的限制，所开发的系统一般基于UNIX操作系统和用于工作站环境（如LYNX，Vulcan/MapTek, Datamine, Mincom, Medysystem, Surpac，M－K Eagles等）；20世纪90年代中期以来，随着微机性能的提高，一些3DGMS软件开始移植到Windows操作系统和微机环境（如Micromine, Gemcom, Mincom, Geoquest, SiteView, Geovisual, MineMap, PC－Mine, microLYNX, Vulcan, GeoCAD等）；20世纪90年代后期，随着网络技术的发展和NT操作系统的热潮，相继推出了一些基于NT环境和支持网络共享的系统（如Vulcun）。近年，微机性能得到大幅度的提高，基于工作站的3D GMS逐渐丧失当年的优势，基于Windows操作系统和微机环境的3D GMS开始成为主流。</P>
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<P>国内在20世纪80年代，主要是利用dBASE和Basic、Fortran语言开展地学信息的管理、多元统计方法在矿山的应用以及利用AutoCAD进行简单矿图的绘制工作。20世纪90年代以来，中国矿业大学、北京科技大学、武汉大学、中国地质大学、中科院武汉岩土力学所、北京大学、石油大学、南京大学等单位的一批博士、硕士研究人员围绕3D GM进行了广泛的研究，自主开发或二次开发了一些3D GM实验系统或应用系统，分别具备了不同程度和适应不同条件的3D GM和可视化功能。</P>
<P>纵观国内外的3D GM软件，可以按数据来源和服务领域分为三维地震类、地球物理类、地质类、矿山类和油藏类，如表3所示。由于地质信息具有海量性（多源、多态、多类）、复杂性（地质构造运动、多种接触形式、成矿作用不同等）特点[15]，3D GMS的复杂性强、开发难度大、技术含量高、开发周期长，其价格也就不同于一般的通用性软件（如Office、AutoCAD、GIS 等）。国际上3D GMS的价格均比较昂贵，一般每套在5～15万美元之间。这种价格，国内机构和企业一般难以承受，因而，国外的3D GMS软件迄今很少进入中国市场。近年国民经济的飞速发展，尤其是采矿、工程地质、岩土工程和水利工程事业的飞速发展，对3D GMS提出了强烈的市场需求。</P>
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<P>5 GeoMo3D的主要功能</P>
<P>本所基于GTP体元构模原理，以Windows作为软件开发平台，以SQL Server为数据库支撑，利用VC＋＋和OPGL从底层开发了具有完全知识产权的真3D GMS——GeoMo3D。该系统的基本功能由数据集成、三维建模、可视制图、统计分析、工程设计和数据共享服务共6大板块组成，如表4所示。</P>
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<P>GeoMo3D的数据驱动原理为：以真实钻孔数据为空间基本控制，以地层等高线/等值线数据为层面建模辅助，以三维地震、地球物理、地球化学数据及其它数据为模型细化配合。算法原理为：基于GTP体元的拓扑描述与体元剖切，以及基于多层DEM的强约束Delaunay TIN生成与曲面剖切[16]。GeoMo3D提供了基于GTP和基于多层DEM两种可选建模方式，灵活方便；提供了简单、直观、方便、易学的断面构模与交互编辑功能；三维建模过程的可操作性强（无断层时自动构模、单断层、双断层时交互处理、复杂切割时地质解译）；可以方便地处理褶曲、分叉、尖灭、相变、地层缺失等复杂地质情况；可以灵活方便地制作钻孔柱状图、三维模型图、2D剖面图、组合剖面图（篱笆图）和各类专题图；并提供了快速缩放、旋转和平移等基本的可视化操纵功能。</P>
<P>图4～图8所示为某煤矿基于偏斜钻孔进行钻孔数据管理、二维断面编辑、钻孔可视化、三维地层构模、任意切割、揭层显示和断层、分叉与尖灭处理的示例。</P>
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<P>6 结语</P>
<P>国外3D GMS在地学领域已有广泛应用，包括地质环境可视化、矿产资源评估、环境地质评价、岩土工程设计、矿山生产和水利工程等。20世纪80年代末以来，尽管受各方面限制（主要是价格原因），我国一些科研和生产单位还是引进了一些3D GMS软件（如LYNX、Vulcan等），并在新疆阿舍勒铜锌矿床、云南曼家寨锡锌矿床、内蒙霍林河露天煤矿和河北开滦煤矿床建模方面进行了卓有成效的工作，积累了经验。1997年底，三峡工地首次使用LYNX进行了船闸区工程地质环境3D建模和开挖土石方测算，效果也较好；针对水利水电工程三维地质建模的研究也已开展起来[17] 。</P>
<P>利用水利工程场址区域的地质钻孔数据，可以方便地建立场址区域的真三维地质环境，进而支持场址工程地质条件的可视化评估和开挖设计与工程施工管理。以南水北调工程为例，该工程沿线跨度大，区域地质、工程地质与水文地质环境复杂多变，如何对沿线水利工程进行科学规划、设计和施工指导是一项极其复杂的系统工程问题，决不可能是一个基于传统平面图纸和领导意志的简单决策过程。基于3D GMS，利用工程沿线的各类地质资料建立沿线的地学集成数据库和真三维地质环境模型，可以进行模拟设计、模拟开挖、工程评估等基础工作，并在建设过程中根据新的数据资料不断进行数据更新与检查、模型扩充与细化。</P>
<P>总之，南水北调这样举世瞩目巨大工程从线路勘察、渠涵设计、建设施工、运行监测等全过程的科学决策，无不涉及多源地学信息的集成管理、真三维建模、可视化表达和数据共享等高技术问题，3D GMS在南水北调工程的总体规划、区段实施、开挖施工、沉陷分析与变形监测全过程中将发挥积极作用。可以预见，3D GMS在水利工程建设中的应用领域前景十分广阔，面向水利工程的真3D GMS的研究、开发与应用对于提高我国水利工程的信息化水平意义重大。</P>
<P>参考文献：</P>
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<P>Real 3D Geosciences Modeling System and Its Applications in Hydraulic Engineering</P>
<P>WU Li－xin1，SHA Cong－shu2</P>
<P>(1.Institute of 3S（RS/GPS/GIS）and Subsidence Engineering, Beijing 100083；</P>
<P>2?Zhengzhou Economy Management Cadre Institute, Zhengzhou 450000,China)</P>
<P>Abstract：Hydraulic engineering is a typical issue of engineering geology and rock－soil excavation, it relates to a series of fundamental works including geological investigation, engineering investigation, strata structure and stability analysis in the process of site selection, canal－tunnel alignment, engineering construction, subsidence and deformation monitoring. The goals of the real 3D geosciences modeling is to build a integrated geo－spatial data base of drillholes, geophysical data, geochemistry data and so on, and to construct a real 3D digital model for the geological environment of site region based on volumetric primitive. Then, the section－generation, spatial measurement, uncover visualization, excavation design, geostatistics, geo－spatial inquiry and analysis can be conducted in the visualized 3D geosciences model. With a case of a coal mine, the chief functions of a developed real 3D geosciences modeling system with ourselves copyright, GeoMo3D, is introduced. The possible applications of GeoMo3D in hydraulic engineering, especially in the great engineering of Transfer Water from The Southern to The Northern, is analyzed. </P>
<P>Key words：south－north transfer water ; hydraulic engineering; real 3D geosciences modeling; geosciences data integration; visualization; GeoMo3D</P>
<P>基金项目：教育部“高校青年教师奖”奖励专项</P>
<P>作者简介：吴立新(1966－)男，教授，博士生导师，从事3D GMS、3D GIS、数字矿山、遥感－岩石力学交叉研究与教学。</P>
<P>作者单位：1.中国矿业大学3S（RS，GPS, GIS）与沉陷工程研究所；2.郑州经济管理干部学院</P>

谢谢帝国总统啊。<img src="images/post/smile/dvbbs/em02.gif" />

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<P>先收藏，谢谢</P>