目前，國內(nèi)水利水電工程建設(shè)突飛猛進，工程地質(zhì)勘察廣泛開展，隨著現(xiàn)代測量、信息獲取和信息處理等技術(shù)不斷進步，使得獲取各種高精度數(shù)據(jù)成為可能，傳統(tǒng)的地質(zhì)信息管理及二維、靜態(tài)的表達方式已不能滿足繁重的設(shè)計任務(wù)［1－4］，因此，如何利用地質(zhì)勘探和空間分析獲取的一系列空間離散數(shù)據(jù)來描述地質(zhì)構(gòu)造的空間展布情況，已成為當前地質(zhì)學(xué)及計算機科學(xué)研究的重要課題。伴隨科學(xué)計算可視化技術(shù)和地質(zhì)信息計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，為建立基于可計算信息的三維地質(zhì)模型提供了有效的方法，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)人機可視化的交互分析與操作等�？臻g地質(zhì)信息管理及三維可視化已經(jīng)成為計算機在該領(lǐng)域應(yīng)用的一個必然趨勢［3，5］，不僅可以實現(xiàn)地質(zhì)信息的規(guī)范存儲、有效管理和高效應(yīng)用，而且能夠直觀描述地下復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造情況，形象地表達各構(gòu)造要素的形態(tài)特征及空間關(guān)系，使人們直接、完整、準確地理解和感受地下的地質(zhì)情況，為可視化分析和工程設(shè)計提供有效的支持［6］，同時使得處理繁重或相似性問題時的效率得到明顯提高。對于地質(zhì)信息三維可視化技術(shù)國外開展研究比較早，相應(yīng)的理論和軟件較為成熟，并在市場上得到開發(fā)應(yīng)用［7］，國際上有一些公認的比較成熟的地質(zhì)建模分析軟件如GOCAD，EarthVision，Vulan，Landmark，Su-pac，Microlynx，GeoSec等。這些軟件在油田勘探、石油開采和露天礦開采等領(lǐng)域得到了頗有成效的應(yīng)用［8］，但其費用和硬件要求高，并且已有商業(yè)三維建模軟件，或因“普適性”而不符合中國水利水電工程地質(zhì)實際情況，或因較強的行業(yè)專屬性，對地質(zhì)的分析思維不同，致使工程地質(zhì)分析存在一定差異，在水利水電行業(yè)難以得到推廣使用［9－10］。國內(nèi)總體技術(shù)水平相對較為落后，一些學(xué)者結(jié)合實際工程對地質(zhì)信息三維可視化與分析也開展了一些應(yīng)用研究，這些工作雖然取得了一定的成果，但對于更大區(qū)域、更復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和更高的地質(zhì)分析需求，以及地質(zhì)信息規(guī)范存儲、管理和高效應(yīng)用等方面存在一定的局限性。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，針對國際上地質(zhì)體可視化技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合中國大型水利水電工程地質(zhì)實際需求，采用國際先進的地質(zhì)體模擬核心算法DSI和數(shù)據(jù)庫技術(shù)研發(fā)了水利水電工程地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)(ItasCAD)。該系統(tǒng)由三個模塊組成(圖1)，這三個模塊可以獨立運行，分別滿足地質(zhì)信息管理、三維地質(zhì)建模、三維模型應(yīng)用三個方面的需要。
1地質(zhì)信息管理
地質(zhì)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計以工程地質(zhì)工作實際需要為出發(fā)點，采用水平分類和垂直分級共同組成樹形層次結(jié)構(gòu)來組織地質(zhì)數(shù)據(jù)，既體現(xiàn)了工程需要，也考慮了實際工作流程的應(yīng)用方便。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是管理地質(zhì)信息和實現(xiàn)三維可視化的基礎(chǔ)，包括工程資源管理模塊和文件管理模塊，涵蓋地質(zhì)、勘探、物探和試驗等資料，為全功能工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)庫中可以對不同工程、不同階段、不同工程部位的對象進行查詢和統(tǒng)計，有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和維護。系統(tǒng)功能設(shè)計思路及應(yīng)用流程如圖2所示。
1．1模塊設(shè)計
地質(zhì)信息管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、錄入、成果輸出、系統(tǒng)、程序等5個區(qū)塊組成，每個區(qū)塊內(nèi)包含數(shù)量不等的圖標命令(圖3)，采用樹形層次結(jié)構(gòu)組織管理地質(zhì)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)所需要的操作。數(shù)據(jù)庫具體功能設(shè)計上既服從現(xiàn)實工作流程的分工習(xí)慣，也打破了專業(yè)分工的制約。
1．2功能和特點
地質(zhì)信息管理系統(tǒng)不僅具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲、管理、查詢統(tǒng)計等功能，而且具有生成鉆孔柱狀圖和節(jié)理玫瑰花圖的功能，并可以為地質(zhì)三維建模和分析輸出數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一次性輸入，多次應(yīng)用，大大提高日常工作效率。此系統(tǒng)開發(fā)過程中考慮了地質(zhì)人員的工作性質(zhì)，實現(xiàn)了離線和在線兩種工作模式進行入庫和管理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的分布式訪問，其中離線操作方式方便野外地質(zhì)人員在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下對工程現(xiàn)場調(diào)查和勘探數(shù)據(jù)及時入庫，可以正常使用數(shù)據(jù)庫查詢、統(tǒng)計和成果輸出等基本功能，有效地對地質(zhì)信息數(shù)據(jù)進行管理;在線模式下管理員通過用戶管理和角色管理賦予相應(yīng)的工程和數(shù)據(jù)庫操作權(quán)限來操作，有效地保證了數(shù)據(jù)的正確性和完整性，滿足前方現(xiàn)場新采集數(shù)據(jù)向后方服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的更新。為方便三維地質(zhì)建模，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)勘探資料導(dǎo)入ItasCAD建模軟件，具有很好的數(shù)據(jù)管理和入庫檢驗的功能。地質(zhì)人員登錄地質(zhì)信息管理系統(tǒng)建立工程并設(shè)置工程參數(shù)包括地層、巖性、結(jié)構(gòu)面編號、結(jié)構(gòu)面類型及填充類型等，根據(jù)數(shù)據(jù)庫格式要求和三維地質(zhì)建模需要錄入不同階段不同部位的鉆孔、平硐以及試驗數(shù)據(jù)等基本信息建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。將鉆孔和平硐勘探數(shù)據(jù)入庫之后，利用“導(dǎo)入至ItasCAD”功能，實現(xiàn)鉆孔和平硐的三維可視化顯示和勘探數(shù)據(jù)的入庫檢驗并運用到三維地質(zhì)建模過程中。
2三維地質(zhì)建模
2．1DSI建模技術(shù)
離散光滑插值技術(shù)(DiscreteSmoothInterpolation，以下文中簡稱為DSI)實際上在20世紀20年代就開始得到發(fā)展和應(yīng)用［11－13］。在20世紀90年代法國科學(xué)家Mallet［14］提出一個迭代算法并進一步總結(jié)形成了一套專門針對地質(zhì)體建模及分析的理論，并在GOCAD中植入該方法，廣泛應(yīng)用在采礦、石油等領(lǐng)域進行三維地質(zhì)建模與分析。DSI作為目前國際領(lǐng)先的三維地質(zhì)建模技術(shù)，它的優(yōu)勢在于唯有其能夠準確表達復(fù)雜地質(zhì)界面的非連續(xù)性和多值性?，且可以根據(jù)各種約束條件實時擬合構(gòu)建復(fù)雜的(褶皺、透鏡體)(圖4)、非連續(xù)性(斷層、覆蓋層)(圖5)的具有二元結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型，并且能根據(jù)地質(zhì)勘探資料的變化進行實時修改和局部調(diào)整而不必重新建模。
2．2ItasCAD三維建模
ItasCAD是由依泰斯卡(武漢)工程咨詢有限公司開發(fā)的、具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的三維地質(zhì)建模與分析軟件，為國內(nèi)首款利用DSI技術(shù)作為地質(zhì)建模內(nèi)核的軟件，與國際領(lǐng)先的地質(zhì)建模軟件GOCAD相比，具有操作簡單實用、快速建模的特點。ItasCAD具有多種數(shù)據(jù)接口，可以與其他軟件(比如AutoCAD、Mircosta-tion、Catia、GOCAD等)進行數(shù)據(jù)交換，還擁有完全獨立的底層圖形平臺，可以根據(jù)用戶需要開發(fā)各種三維可視化效果，使用方便，能滿足各行業(yè)的需求。該軟件提供三維非連續(xù)和多值性復(fù)雜地質(zhì)模型的快速構(gòu)建(比如斷層、透鏡體)以及各種約束工具進行地質(zhì)界面的構(gòu)建和編輯，針對地質(zhì)工作特點定制開發(fā)了單一層面、覆蓋層、斷層錯斷、透鏡體及二維工作面等5個建模“集成工作流”，以向?qū)Х绞揭龑?dǎo)用戶完成模型構(gòu)建和編輯。這種workfollow的工作方式能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)方便快捷地建立三維地質(zhì)模型，而避免了對建模數(shù)據(jù)準備的盲目性，極大降低了三維建模軟件的應(yīng)用難度。三維地質(zhì)建模時首先將數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ItasCAD，根據(jù)實際建模需要選擇相應(yīng)的集成建模工作流，將數(shù)據(jù)庫中所定義的地質(zhì)界面(如地層界面、風化界面等)作為建模約束條件，采用DSI技術(shù)對層面進行擬合構(gòu)建三維地質(zhì)模型(圖6)。建模過程以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，隨著勘探工作和地質(zhì)人員認識的不斷推進，可以實現(xiàn)地質(zhì)模型的不斷調(diào)整和及時更新，保證地質(zhì)模型的準確性和實時性，能夠體現(xiàn)地質(zhì)工程師對地質(zhì)體的認識過程。完成地質(zhì)三維建模之后在二維工作面中可以實現(xiàn)剖面的局部調(diào)整，其結(jié)果自動反映在三維空間，即二維驅(qū)動三維模型，方便地實現(xiàn)了三維模型的校驗和修改。
3二維圖形輸出
水利水電工程地質(zhì)內(nèi)業(yè)整理的重要任務(wù)之一是制作AutoCAD格式的二維地質(zhì)圖，如平面地質(zhì)圖、剖面地質(zhì)圖、平切面圖等，傳統(tǒng)的手工作業(yè)不僅效率低下，而且采用二維視角描述三維地質(zhì)體不可避免地存在一些局限性，導(dǎo)致成果之間可能出現(xiàn)矛盾。采用ItasCAD構(gòu)建三維地質(zhì)模型以后，二維圖形輸出模塊可根據(jù)不同設(shè)計方案中二維剖面線的布置輸入或者導(dǎo)入坐標點數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維地質(zhì)模型任意剖切，批量輸出符合地質(zhì)出圖規(guī)范的二維地質(zhì)圖包括地質(zhì)剖面圖、平切面圖、平面圖以及等值線圖等不同類型圖件。二維出圖時可以根據(jù)規(guī)范要求對每一個對象屬性進行定義或?qū)?shù)據(jù)庫中屬性更新至二維剖面，然后導(dǎo)出DXF格式。經(jīng)過實際工程的檢驗證明，二維應(yīng)用模塊可做到各二維圖一次性符合實際生產(chǎn)標準80%以上，自動化應(yīng)用大幅度地減少了地質(zhì)工程師內(nèi)業(yè)重復(fù)工作量，特別是以格式文本的方式保存和調(diào)入，批量輸出圖件極大提高了出圖效率。圖例符號也可實時調(diào)用地質(zhì)信息管理系統(tǒng)中的定義，并與二維輸出圖件自動保持一致。
4應(yīng)用實例
目前，該研究成果已在瑪爾擋水電站、巴塘水電站、NN3水電站和鎮(zhèn)安抽蓄水電站等十幾個實際生產(chǎn)項目中應(yīng)用，成果滿足設(shè)計需求，軟件運行穩(wěn)定。ItasCAD系統(tǒng)在這些工程中的一些典型應(yīng)用成果如圖7所示。
5結(jié)語
針對國內(nèi)水利水電工程地質(zhì)信息三維可視化的實際情況，采用DSI建模底層技術(shù)和二元結(jié)構(gòu)框架，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)研發(fā)了地質(zhì)信息三維可視化系統(tǒng)———Itas-CAD。該系統(tǒng)包含地質(zhì)信息管理、三維地質(zhì)建模、二維圖形輸出三個模塊，可進行與工程設(shè)計密切相關(guān)的三維可視化分析，很好地實現(xiàn)了國際先進建模技術(shù)與中國水電工程地質(zhì)實踐需求的結(jié)合。通過工程實踐證明具有以下功能:(1)可以實現(xiàn)不同工程地質(zhì)信息的規(guī)范存儲、有效管理和高效應(yīng)用管理，同時為三維可視化提供數(shù)據(jù)支持;(2)以“集成工作流”向?qū)Ы７绞揭龑?dǎo)用戶完成復(fù)雜地質(zhì)模型的快速構(gòu)建并可根據(jù)各種約束條件對地質(zhì)界面進行編輯，其建模過程簡單，易操作，便于掌握應(yīng)用;(3)模型完成之后可以根據(jù)設(shè)計需求進行地質(zhì)開挖和方量計算;(4)可根據(jù)不同需求實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的任意剖切，批量輸出符合地質(zhì)出圖規(guī)范的不同類型的二維地質(zhì)圖件，極大地提高了二維地質(zhì)出圖效率。
