CN100478996C - 水利水电工程地质信息的三维统一模型构建方法 - Google Patents

Abstract

一种水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，通过对基于非均匀有理B样条(NURBS)、不规则三角网(TIN)和边界表示(BRep)的混合数据结构实现多源数据的耦合，对所有建模对象实现三维统一建模，并对该三维模型进行合理分析，该方法包括以下步骤：对耦合多源数据的空间地质结构进行解析；基于NURBS、TIN和BRep混合数据结构对其进行分类几何建模，根据它们之间的空间关系进行布尔操作运算，并进行可靠性分析与检验，完成三维统一模型的构建；基于三维统一模型完成一系列的水利水电工地质分析。与已有技术相比，本发明成功解决了复杂地质体信息存储量大与分析要求高的矛盾。可实现简单快速的建模，并提供便捷的模型反馈机制、公共数据通道，能快速耦合新的数据实现模型的及时更新。

Description

水利水电工程地质信息的三维统一模型构建方法

技术领域

本发明涉及工程地质三维模型的构建方法，特别是涉及耦合多源数据实现水利水电工程地质三维统一模型构建与分析方法。

背景技术

水利水电工程大都在高山峡谷条件下作业，由于地质条件恶劣、地质构造复杂、地质信息众多等原因，给工程地质勘测、枢纽布置与设计、地下工程施工管理等带来了极大的困难。在水利水电工程地质勘察勘探的各个阶段，需要获得各种地质信息，包括地表地形、地层界面、断层、地下水位、风化层厚度分布以及物探、化探资料等，以便对施工提供有效的参考数据。但这些通过测量、勘探等手段获得的直接信息，往往都是一些离散不连续的数据，地质工作者很难直接利用这些数据分析出它们在地质体中的分布规律。即使能够预测各种信息在所研究地质区域中的分布值，面对大量的输出数据，地质工作者仍然会感到困难。

传统的工程地质资料的处理和分析方法一般采用二维、静态的方式。这种方法所能描述的空间地质构造的起伏变化，直观性差、往往不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，越来越不能满足工程地质师、设计人员的实际作业需求。在水利水电工程建设要求不断提高和计算机技术不断发展的条件下，本发明涉及的水利水电工程地质三维建模与分析是一项亟待解决的关键问题，受到广大水利水电工作者的密切关注。

国外的三维地质建模与分析研究虽然开展较早，并已开发了一系列较为成熟的商业建模软件包，如法国Earth Decision Sciences公司的GOCAD、美国Dynamic Graphics公司的EarthVision、澳大利亚Surpac国际软件公司的SurpacVision等，但其主要是面向油藏工程、采矿工程等领域，难以在我国水利水电工程领域推广使用。

另外，目前一般采用传统的GRID或TIN数据结构进行三维地质建模，其数据存储量与精度之间的矛盾较突出；而由于地质结构体的复杂性、非线性等特征，利用确定的解析函数或线性插值难以表示其复杂多变的几何形态。而且此类技术方案的分析功能单一，不能满足水利水电工程地质多方面分析的需要。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的缺陷，而提出一种水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，通过对基于非均匀有理B样条(NURBS)、不规则三角网(TIN)和边界表示(BRep)的混合数据结构，耦合多种来源的所有有效数据实现水利水电工程地质三维统一模型的构建，并结合工程实际情况对该模型进行一系列分析，从而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可靠的数据信息。

一种水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，通过对基于非均匀有理B样条NURBS、不规则三角网TIN和边界表示BRep的混合数据结构实现多源数据的耦合，对所有建模对象实现三维统一建模，并对该三维模型进行合理分析，该方法包括以下步骤：

对耦合多源数据的空间地质结构进行解析；

基于NURBS、TIN和BRep混合数据结构对其进行分类几何建模，根据它们之间的空间关系进行布尔操作运算，并进行可靠性分析与检验，完成三维统一模型的构建，所述建模对象包括自然地质对象和人工对象建模，其中，自然地质对象又包括地形类、地层类、断层类和界限类地质对象；对地层类地质对象建模的过程，实现邻接地层间结构面的缝合，进一步包括以下步骤：首先根据各自的地质数据分别建立相邻地层的上部结构图，然后计算两曲面的交线，以交线为边界对结构面进行裁剪，将得到的两地层间的结合面进行叠加，使其吻合；

基于三维统一模型完成一系列的水利水电工程地质分析。

与已有技术相比，本发明成功解决了复杂地质体信息存储量大与分析要求高的矛盾。本发明从几何性、合理性、原始数据精度和反馈信息四个方面为模型提供了一套系统完整的可靠性分析与检验手段，确保模型的客观准确性。本发明的基于三维统一模型的水利水电工程地质分析方法，包括岩体质量可视化分级、三维模型任意剖切分析、二维剖面自动生成、大坝和地下工程地质分析、岩体面积体积计算、等值线自动生成等，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有力的技术手段。本发明对水利水电工程可实现简单快速的建模，并提供便捷的模型反馈机制、公共数据通道，能快速耦合新的数据实现模型的及时更新，为水利水电工程勘测、设计与施工提供了全新的技术支持。

附图说明

图1是本发明的NURBS-TIN-BRep多源混合数据结构示意图；

图2是本发明的水利水电工程地质三维统一模型的构建示意图；

图3是本发明的三维地质建模流程图；

图4是构建的某实际水利水电工程地质三维统一模型；

图5是基于三维地质模型的岩体质量可视化分级建模流程；

图6是构建的某实际工程坝区岩级三维模型；

图7是基于三维地质模型进行的数字钻孔分析。

具体实施方式

本发明所提出的水利水电工程地质信息的三维统一模型构建方法，采用的技术方案主要内容包括耦合多源数据的水利水电工程地质结构空间解析、水利水电工程地质三维统一模型的构建及分析。

1、耦合多源数据的水利水电工程地质结构空间解析，具体步骤包括：

将水利水电工程原始地质数据分为地表空间数据，包括地形、地质点、遥感图像；以及地下空间数据，包括钻孔、平硐、物探。按照三维建模的要求进行地形三维数字化处理、地层岩性划分和褶皱断层构造的空间解析，将以上原始数据分别按照直接可用数据(如钻孔、平硐属性数据，表格存储)和间接图形数据(如三维地形、实测剖面、解译得到的地层界线、褶皱/断层构造迹线等，AutoCAD平台)进行耦合，完成剖面制作；并引入平衡剖面技术检验剖面是否符合实际；最后将所有的横、纵剖面和平切面等按照统一的标准进行分层归类和三维转换处理，在三维环境下检查各层点、线对象的耦合一致性，为三维地质建模提供客观准确的基础数据。

2、水利水电工程地质三维统一模型的构建，具体步骤包括：将建模对象分为自然地质对象(包括地形类、地层类、断层类和界限类)和人工对象(包括大坝、地下建筑物、钻孔、平硐等)，基于NURBS、TIN和BRep混合数据结构(如图1所示)对其进行分类几何建模，根据它们之间的空间关系进行布尔操作运算，并进行可靠性分析与检验，完成耦合地质信息和工程建筑物信息的水利水电工程地质三维统一模型的构建。

(1)三维数字地形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。

本发明采用基于TIN模型的NURBS简化建模算法构建DTM，其算法步骤如下：

处理等高线，若等高线密度太稀，则通过线性插值进行加密；

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，并消除等高线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；

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；

获取控制点，在NURBS系统中从mesh曲面按u或v方向等间距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；

拟合NURBS地形曲面，根据控制点数据利用NURBS算法重新拟合生成地形控制曲面；

生成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，进而以BRep数据结构生成相应的地形轮廓体模型。

(2)地层类地质对象建模。建模过程中最重要的是解决不同接触关系地层间的精确匹配的问题。为此，本发明提出一种简单的裁剪-叠加方法来缝合邻接地层间的结构面，具体步骤为：首先根据各自的地质数据分别建立相邻地层的上部结构面，然后计算两曲面的交线，以交线为边界对结构面进行裁剪，从而得到两地层间的结合面，最后通过叠加两者能够很好的吻合。

其中，对于多值褶皱构造地层，考虑到褶皱要素产状，本发明提出了典型构造轮廓线方法，其步骤如下：基于褶皱地层界面上的钻孔点和剖面线汇总数据，分析褶皱要素产状及其几何形态特征；然后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、转折端部位点等，结合剖面线趋势插入新的典型轮廓线；最后加入边界约束条件，根据轮廓线集合进行NURBS曲面拟合构造，形成相应的褶皱光滑曲面，进而构建出相应的褶皱地层实体模型。

(3)断层类地质对象建模。

对于两相交断层或断层错断地层的构造建模，其错断位移在实际情况下会有不同。本发明所采用方案具体步骤包括：当错断位移较小时，采用直接错断法；当错断位移较大，则采用分盘匹配法，以使所建立的模型满足精度要求。直接错断法：首先对主断层建模，然后在精度允许情况下，将被错断层两部分按照错动方式直接连接成一个整体，利用NURBS技术进行构建，最后通过布尔运算利用主断层切割被错断层即可。分盘匹配法则对被错断层的不连续两部分分别进行构造建模，并在构建过程中，调整其与主断层相交处的边界，使其边界线均位于主断层体上即可。

而对于断裂构造发育极其复杂的工程区域，由于所形成的断层网络错综复杂，本发明提出了又在上述建模方法中加入了面向历史构造的处理，其主要步骤为：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，利用拓扑排序算法，建立其活动结点网络模型，对它们发育构造形成的先后关系进行排序，然后依序针对其错断位移大小，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。该方法中的面向历史过程，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朴关系。

(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，该类对象最大的特点是分布不连续，不同级别的风化、卸荷界限会发生交叉现象。针对采样数据数量和质量的不同提出相应的处理方法，本发明所采取得的具体步骤包括：对采样数据充足、精度高的区域，根据其剖面线三维分布特点，直接进行NURBS拟合；对于采样数据不足的区域，首先对长度或宽度不足的剖面线进行三维延伸，可依据剖面线自身趋势并结合该曲线垂向上的地形形态进行推断；然后基于这些剖面线数据，将该区域风化或卸荷界限作为一个连续的整体构建NURBS曲面；最后利用地形相似法将该曲面与地形、地层整合于一起进行分析、调整，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尽可能真实、误差较小的界限曲面。

(5)人工对象建模。包含大坝、建基面、地下厂房系统、导流洞等与地质条件密切相关的人工建筑物以及钻孔、平硐等勘探对象。相对于地质对象，人工对象的几何建模工作相对简单，本发明采用NURBS技术建模，便于与地质对象进行布尔操作运算，且具有精度高、数据量小的优点。具体步骤包括：

对于土石坝，首先根据填筑材料、结构型式及功能的不同划分为几个区；然后根据各分区形体参数(包括高度、宽度、坡度)、控制高程和内部结构形态进行NURBS图形建模；最后按照分区间层次拓扑关系连接组合，通过布尔合并运算完成整体大坝模型的构建。对于混凝土坝，则可以直接根据描述其体形的一系列函数或曲线方程及相应的控制点坐标，生成其三维几何模型；若得不到曲线方程，可以提取各平切面图中不同高程的大坝平切轮廓线，利用NURBS技术拟合大坝实体模型。对于地下建筑物，是由若干条地下洞室组成的集合；对于每一个地下洞室对象，洞室断面形态控制洞室的几何形态，洞室中心线则控制其空间位置。根据这两项数据，再加上控制坐标，则利用路径扫描法快速实现洞室三维建模。

(6)模型可靠性分析。本发明从以下四个方面为模型提供完整系统的可靠性分析与检验：①模型组成部分的几何性检查，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。②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、横剖面图、平切剖面图以及地质趋势面分析同时进行对比检查。③原始数据的精度检验，即验证原始数据(钻孔、平硐)是否被保留，所形成的面是否与原始数据点相一致。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。④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。信息反馈和相应的误差检测分析机制是减少数据误差、提高模型精度的有效方法，为后续的勘探、设计和施工提供有力的地质依据。

(7)三维统一模型的构建。本发明利用三维几何对象的任意布尔切割算法，基于上述四类地质对象构成的三维地质几何模型，利用工程建筑物模型对其进行一系列图形操作运算，构建水利水电工程地质三维统一几何模型。为了更真实清楚地表达不同地质结构间的物理特征和视觉差别，采用表面纹理和颜色来渲染各种地质对象。岩体表面纹理的描绘没有必要过于细致，采用扰动函数法来模拟，通过扰动物体表面法线方向来模拟表面凹凸纹理的真实感效果，满足感官的观察需要。该方法对原表面上的法线方向附加一个扰动函数，此函数使得原来法线方向的光滑、缓慢的变化方式变得剧烈而短促，通过光照形成了表面凹凸粗糙的显示效果，不同的扰动函数控制生成不同的纹理。根据该算法，结合地质制图标准，依据实际的岩性描述和岩石照片，形成一套新的三维图例库，可对各岩层体、岩脉等进行表面纹理描绘，而其它结构体如断层、软弱岩带、地下水位线、风化卸荷带等则用标准颜色醒目地显示，获得逼真且特征鲜明的效果。最终的水利水电工程地质三维统一模型能够满足地质确定性、可视性和可快速修改性的要求。

3、基于三维统一模型的水利水电工程地质分析。

上述三维模型已经能够全方位、动态地显示(旋转、平移、放大、缩小等)，并采用“层次化”和“即用即得”操作方式，可按需要显示单个地质体，在一定程度上能够表达地质实体的整体轮廓、空间位置关系及其厚度属性等信息。然而，这远未完全满足研究复杂地质条件对工程影响分析的需要，地质工程师和设计、施工人员需要在此模型基础上能获得更多对工程建筑物设计和施工有用的地质信息和操作，真正做到对水利水电工程优化设计与快速施工提供有效的技术支持。本发明基于三维统一模型的水利水电工程地质分析内容主要包括：

(1)基于三维地质模型的工程岩体质量可视化分级分析，具体步骤如下：

①提取地质结构体并分类。从三维地质模型中提取各种地质元素结构体，如地层、断层、侵入体等，根据岩级分类方案各地质结构是否与岩级一致，若一致则将其归为无需处理的地质体，否则归类为需处理的地质体进入下一步。

②连续岩体合并处理。对于需要处理的地质体又可分为两部分，一部分是相邻两个或两个以上的相同岩级的地质体，另一部分则是在同一地质体内存在不同岩级分类的地质对象。前者可以直接利用简单的布尔并运算将相同岩级的地质体合并为一个实体，并赋以相应的岩级类别；而后者则需要较为复杂的处理。

③不连续部分切割处理，即处理岩级分类存在不连续部分的地质体。先通过岩级分类方案构造出三维地质模型中不存在的新的岩级结构面，并与风化卸荷界限曲面一起，对上述地质体进行多种布尔运算(差、并)，获得各类岩级的不连续岩体。

④模型组合检查与修改。对上述连续的和不连续的岩体进行组合，同样从模型的几何性、合理性和精度对比三个方面进行检查，若发现错误或误差较大，则对其进行相应的修改更新。

⑤模型表示及输出。根据模型中的各级别分类岩体的具体情况，选择合适的颜色或纹理对其进行三维映射描绘，尤其是岩体质量较差且对工程影响较大的岩级应采用相对醒目的颜色或纹理；确定之后即可渲染输出。

(2)水利水电工程地质模型的任意剖切分析。主要内容包括：

①三维剖切分析，针对工程建筑物布置和大坝高度等进行的与工程密切相关的不同位置横、纵剖面图和不同高程的平切图是水利水电工程地质分析中的重要内容。基于三维统一模型，运用NURBS技术和布尔切割算法，可以进行任意方向、任意位置、任意深度的三维实时剖切分析。

②二维剖面图自动生成，为了满足大多数工程师的习惯和工程地质图成果输出的需要，还需进一步通过数学映射将三维剖切图转化为规范的二维CAD剖面图，该方法分三步进行：首先获得三维剖切图，与上述三维地质剖切图的生成过程类似，要改动的只是剖切面需作两个相互平行的剖面，将所作的剖切面复制平移一小段距离(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块极薄的三维地质剖切图，这将有利于提高二维转化的运算效率；其次处理所得三维剖切图，对于平切图，若其走向与正北方向有一定的角度，只需将其旋转到一致的方向即可；对于垂直切面图，若存在转折点则首先对其切割展开，然后通过旋转使其方向垂直视觉即可；最后转化二维剖面图，对处理好的三维剖切图通过投影将其转化并保存为二维CAD剖面图，其组成单元为直线和二维多段线。

③钻孔、平硐模拟与优化布置，钻孔、平硐是获取水利水电工程枢纽区地下地质情况的重要勘探手段，然而实际工作中勘探工作量和时间是有限的，而且勘探费用昂贵，因此如何布置勘探以获取更多更优的地质信息是每个勘察项目必然面对的问题。基于所构建的三维地质模型，工程地质人员可以直接在模型上进行钻孔、平硐优化布置，并进行数字勘探，确定最优勘探位置。这样不仅能够有效地减少钻孔、平硐数量，降低费用，同时还提高了勘探质量，降低了工作强度。

(3)主体工程三维地质分析。工程地质条件的好坏对水利水电工程建筑物的方案选择和设计往往起到决定性的作用，尤其是其主体工程，如大坝、导流洞、地下厂房等，三维地质模型和岩级模型的建立为地质人员和设计、施工人员搭起了一座桥梁。其主要内容包括：

①大坝工程地质分析。大坝是水利水电工程中最重要的挡水建筑物，对地基岩体的地质条件有很高的要求。在大坝设计和施工中，以三维岩级模型为主，可以进行建基面开挖与基础处理分析、针对大坝重点部位的剖切分析等，对坝基或坝肩岩体的地质条件加以充分地分析研究，为建基面的方案选择与优化调整提供依据。

②地下工程地质分析。目前水利水电工程中地下建筑物的数量增加很快，其规模也愈来愈大。大跨度、高边墙地下厂房及长隧洞的兴建，必然会遇到复杂的地质条件和大量的地质问题，给地下工程设计与施工带来较大的困难。基于三维地质模型或岩级模型，可对地下洞室提供多方面的地质分析：地下洞室群地质开挖分析、针对地下洞室关键部位的剖切分析、地下洞室布置方案选择的地质评价、地下工程施工开挖的宏观超前地质预报、以及结合地质模型的地下洞室施工过程动态分析等，它们为复杂地下工程设计与施工中遇到的工程地质问题提供了一种有效的分析手段。

(4)其它常用分析工具。主要包括：

①岩体面积、体积计算。岩土体开挖和回填是水利水电工程建设中必不可少的环节，在对三维地质模型进行开挖切割或置换回填后，需要快速方便地计算相应的表面面积和填挖处理岩体工程量的体积。为了获得精确的计算结果，需直接对NURBS自由曲线曲面进行积分运算。对于NURBS曲面上的任一点计算相应的法矢量，同时用离散的方法将曲面区域划分为一系列矩形区域，每一区域经过变量代换后应用Gauss-Legendre求积公式求出该小块区域对应的面积和体积，然后经过求和即可得到整个区域的表面面积和总体体积。

②等值线图自动生成。在水利水电工程地质分析中，最常用的等值线图是等高线图。基于三维地质模型，不仅能够获得更高质量的地形等高线，还可自动生成地质体内各地质界面的等高线图，以便进一步分析。其自动生成原理很简单，某一地质界面是一个光滑的空间曲面，令平面z＝c(c为常数)与该曲面求交，即可得出一条等高线；当不断改变常数c的大小后，就可获得一组等高线。

本发明提出了耦合多源数据的水利水电工程地质三维统一模型的构建方法，对各种来源的地质数据进行耦合解析，保证了所有有效数据成为建模可利用的信息；以面向对象的分类思想，基于混合数据结构实现了地质对象的拟合构造建模和人工对象建模，提供可供选择的建模机制；从几何性、合理性、原始数据精度和反馈信息四个方面进行模型可靠性分析，确保模型解释符合真实情况；对地质、人工对象模型进行布尔运算构建水利水电工程地质三维统一模型，并能快速耦合新的数据实现模型的及时更新。现有技术主要采用钻孔数据或者简单地对钻孔和二维剖面数据进行叠加来完成三维建模，数据源较为单一；模型的建立过程中没有进行完整系统的可靠性分析，模型的精度和可信度不高；没有考虑工程建筑物与地质实体的耦合统一。

本发明一个实施例如下：某水利水电工程地处高山峡谷，坝段及邻近区域地质构造相当复杂，地层普遍变质，褶皱强烈，断裂发育，复杂的工程地质条件给工程设计与施工带来了很大的困难。根据工程实际情况，选择研究区域为一长方形，沿河流方向呈北东向展布，长1700m，宽1560m，面积约2.7平方公里。该工程的原始工程地质勘测资料丰富，其中坝址段主要包括5m等高线地形图，钻探14743.43m/100孔，平硐15519.2m/72个，经过解译分析得到一系列二维成果：1幅区域工程地质平面图，8个横剖面图，5个纵剖面图，19个不同高程的平切面图，以及其它各种沿建筑物轴线剖切的剖面图等。

基于上述基本资料，如图2所示，为本发明水利水电工程地质三维统一模型的构建示意图：结合面向对象技术，几何建模206所包含的数据包括原始勘探数据201、二维地质剖面数据202以及工程设计数据203，其结合面向对象技术205和混合数据结构，所建立的模型种类包括由自然地质对象208的地形类、地层类、断层类和界限类对象210所构成的三维地质模型209，和人工对象211(包含钻孔平硐、大坝工程、地下工程和坝肩开挖213)所建立的工程建筑模型212，再加上对原始勘探数据201所做的改进的地质趋势面分析204，对所生成的三维地质模型209进行补充验证，最终获得工程地质三维统一模型214。

如图3所示，为本发明三维地质建模流程图。基于所获得数据资料301，其工程地质三维统一模型的构建与分析实现过程包括以下步骤：

(1)建立地形轮廓体305。①处理地形等高线302：确定地质整体模型的平面范围，修剪或者补齐等高线使之落入此平面范围内，并调整好地理位置的坐标(使坐标数量级最小)。②按照技术方案中的基于TIN模型303的NURBS简化算法生成三维地形数字模型304。③确定地质模型最低高程，用最低高程平面和地形面去切割由研究区域确定的垂直柱体，构建三维地形轮廓体305。

(2)处理原始地质数据306和二维解译图形资料307。①地质对象分图层存储：从所有图形中提取出整个地质模型中涉及到的具体地质信息，分类存储于地层类预处理数据、断层类预处理数据和界限类预处理数据中；进行图层筛选，在要处理的图形中添加所需要的图层，给每个地质信息赋相应的图层。②规范化处理：统一比例和坐标基点。③二维剖面三维化处理：建立所有剖面位置端点坐标数据库，根据实际坐标将所有二维剖面自动进行三维转换。

(3)构建三维地质模型。首先基于上述处理过的数据资料，分类进行地质结构面的NURBS构造308，并根据地质结构空间关系完成地质曲面的整合309；然后以地形轮廓体305和地质结构面为对象进行布尔切割运算，得到各类三维地质体310，进而耦合得到相应的三维地质几何模型311；最后经过纹理映射312、模型的检查与检验313之后，得到最终的三维地质模型314。

(4)构建工程地质三维统一模型。在三维地质模型314和工程建筑物模型构建完成的基础上，根据技术方案中水利水电工程地质三维统一模型的构建方法，得到该水利水电工程地质的三维统一模型，如图4所示。该模型信息量大，包含21个不同的岩层、河床覆盖层、13个与工程关系密切的大断层、4条云斜煌斑岩脉、数十条深裂缝、强卸荷弱风化下限与弱卸荷下限、地下水位面，以及拱坝、导流洞、地下洞室群等水工建筑物。

(5)基于统一模型进行工程地质分析。基于所构建的三维统一模型按照技术方案实施一系列分析工作，包括该工程岩体质量可视化分级建模(流程如图5所示、实现模型如图6所示)、三维任意剖切分析(数字钻孔如图7所示)、二维剖面自动生成、大坝建基面模拟分析、大坝地质剖切分析、地下洞室三维地质模型分析、地下建筑物设计方案调整等。

Claims (8)

1.一种水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，通过对基于非均匀有理B样条NURBS、不规则三角网TIN和边界表示BRep的混合数据结构实现多源数据的耦合，对所有建模对象实现三维统一建模，并对该三维模型进行合理分析，该方法包括以下步骤：

对耦合多源数据的空间地质结构进行解析；

基于NURBS、TIN和BRep混合数据结构对其进行分类几何建模，根据它们之间的空间关系进行布尔操作运算，并进行可靠性分析与检验，完成三维统一模型的构建，所述建模对象包括自然地质对象和人工对象建模，其中，自然地质对象又包括地形类、地层类、断层类和界限类地质对象；

对地层类地质对象建模的过程，实现邻接地层间结构面的缝合，进一步包括以下步骤：

首先根据各自的地质数据分别建立相邻地层的上部结构图，然后计算两曲面的交线，以交线为边界对结构面进行裁剪，将得到的两地层间的结合面进行叠加，使其吻合；

基于三维统一模型完成一系列的水利水电工程地质分析。

2.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述对耦合多源数据的空间地质结构进行解析的步骤，还包括以下步骤：

将原始数据进行耦合，完成剖面制作；

检验剖面是否符合实际；

所有的横、纵剖面和平切面进行分层归类和三维转换处理，在三维环境下检查各层点、线对象的耦合一致性。

3.如权利要求2所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述原始数据包括属于直接可用数据的钻孔、平硐属性数据，表格存储，和属于间接图形数据的三维地形、实测剖面、解译得到的地层界线、褶皱/断层构造迹线及AutoCAD平台。

4.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述对地形类地质对象建模的过程，包括以下步骤：

处理等高线，若等高线密度太稀，则通过线性插值进行加密；

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，并消除等高线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；

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；

获取控制点，在NURBS系统中从mesh曲面按μ或υ方向等间距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；

拟合NURBS地形曲面，根据控制点数据利用NURBS算法重新拟合生成地形控制曲面；

生成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，进而以BRep数据结构生成相应的地形轮廓体模型。

5.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述对地形类地质对象建模的过程，包括以下步骤：

当错断位移较大，则采用分盘匹配法，以使所建立的模型满足精度要求，直接错断法：首先对主断层建模，然后在精度允许情况下，将被错断层两部分按照错动方式直接连接成一个整体，利用NURBS技术进行构建，最后通过布尔运算利用主断层切割被错断层。

6.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述断层类地址对象建模的过程，包括以下步骤：

对被错断层的不连续两部分分别进行构造建模，并在构建过程中，调整其与主断层相交处的边界，使其边界线均位于主断层体上。

7.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述模型可靠性分析与检验的过程，包括以下步骤：

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；

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；

验证钻孔、平硐的原始数据是否被保留，所形成的面是否与原始数据点相一致；

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。

8.如权利要求1所述的水利水电工程地质三维统一模型的构建与分析方法，其特征在于，所述基于三维统一模型的水利水电工程地质分析，包括以下内容：

工程岩体质量可视化分级分析；

三维任意剖切分析及二维剖面自动生成分析；

大坝建基面模拟分析及大坝地质剖切分析；

地下洞室三维地质模型分析及地下建筑物设计方案调整分析。

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