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地质三维建模

地质三维建模过程是利用已知资料构建地质体空间形态、并描述地质体固有的地质特征(新老关系)和相关物性(波速、强度等),构建出含属性地质三维模型,服务地质专业内业整理和岩土工程分析设计。但是,受制于数据形式和数量差别,一些行业为资料稀少发愁,另一些行业因为资料太多、难以全面利用而苦恼。幸运的是,ItasCAD具有广泛的适用性,可以采用几乎任意形式的数据资料建模,其遵循的主要基本原理如下:
(1)将不同手段(地质测绘、勘探、物探等)获得的信息转换空间点(云)坐标(数据形式可以是钻孔深度位置等,便于操作和数据管理),作为建模的基本依据。由于点是空间几何对象的最基本单元,任何手段获得的位置信息都可以转化为空间点坐标,因此,ItasCAD建模时可以使用任何方式获得的基本资料;
(2)ItasCAD建模采用从点到面、面到体的方式,现实中常见的露头线或剖面线以节点控制的折线形式出现,建模时实际利用节点坐标。ItasCAD应用时基本不采用连接已知点构建面的建模形式,而是采用离散逼近计算,即先构建一个初始面,然后完善初始面形态的方式,其中的完善是指把初始面上的节点逼近已知点位置(目标对象点),此时的已知点称为约束点。
(3)与实际相同地,创建的地质界面是划分地质单元体的边界。ItasCAD创建的面模型也体现了地质单元体边界,当在内部采用空间网格(六面体或四面体)充填时,则形成实体模型,其中的空间网格起到两个方面的作用:
a) 描述地质单元体几何特性,其中以体积最常见;
b) 描述地质单元体物性,物性是一个通用性术语,如矿山行业资源类型和品位、工程中关心的岩体强度等力学参数值、地下水条件(水温、水质、流动条件等),是实现地质模型基础上数据分析的载体。
上述建模原理针对已知点坐标,把这些几何信息作为约束条件来规定目标对象的几何形态。约束、逼近技术还适用于非几何信息,如地震波波速等测试数据,把测试结果作为约束条件,这一过程被称为数据处理。当数据揭示地质界面空间位置特征时,处理结果就可以是地质面模型,这一原理最常见的实际应用是物探解释,利用物探获得的数据获得地质界面空间位置或起伏形态的信息,从而直接构建地质面模型、或者帮助完善地质面模型形态。
具体来说,创建地质体几何形态模型的关键是地质分界面空间形态和位置。ItasCAD中创建地质分界面模型的路线和过程与采用的建模技术手段密切相关,建模技术同时决定了对资料的要求、模型精度、操作过程的便捷程度等几乎所有环节。ItasCAD采用离散光滑插值(GSI)建模技术,建模依据、技术路线和过程概述如下:
(1)可以使用任意方式获得和任意形式的资料,其中的方式包括测绘、勘探、物探、推测等,数据形式几乎没有限制,可以是电子图形文件、ASCII数据、图片、模糊推测;不过,从基础资料应用效率和便捷性程度看,推荐采用ItasCAD数据库,其强大的关联关系帮助提高了智能化处理能力,能很好地体现效率;
(2)数据数量只影响模型精度而基本不对建模工作过程造成实质影响。ItasCAD可以完全只依赖地质推测、以三维图形形式展示地质师脑海中的地质体形态。现实中仅仅依赖地表测绘结果、结合地质推测,即可以构建出合理的地质模型,其他资料如勘探和物探结果往往体现在提高模型精度(可靠程度),不是能否完成建模、模型地质合理性的决定因素;
(3)建模过程的数据准备(包括地质推测的实现)需要根据地质对象的特点有针对地进行,并因此选择有效的技术路线和方法,从而最大程度保证建模合理性和便捷性。一般地,常见的问题是缺乏深部控制点(勘探量小),此时往往需要根据对象类型、露头产状等信息推测深部形态(如层状地层、断层等),或者采用物探解译结果,最大程度获得深部参考信息;
(4)建模过程遵循地质合理性和地质对象的相互关系,确保模型地质合理性。在这一环节遵循的一个基本原则是依照从新到老构建、明确到模糊次序构建模型,从而利用地质新老关系和地质工作数据完善性、通过依次参照的方式建模。以平缓层状地层为例,在创建地表以后,按照从新到老的原则,可以根据彼此之间厚度关系保证各层面之间地质合理性,杜绝数学模拟结果中可能出现的穿插等不合理现象;
(5)地质体中的交切等地质相关关系通过后期编辑体现,主要情形包括:
a) 交切与尖灭:建模往往依照由新到老的顺序,对于时代较新、需要切断较老对象的地质面,一般需要保持其完整形态,待完成相应的交切以后再完善自身形态(如被更新对象切割);
b) 厚度控制:包括夹层、薄层、厚度变化大的覆盖层等,以起伏薄层为例,由于现实中缺少勘探控制点,采用稀疏分布的已知坐标点分别构建顶板和底板时,基本上都会出现不合理的穿插。此时遵循顶底面之间的地质相关关系,采用厚度不小于零的约束从一个面出发构建另一个面时,可以保证地质合理性;
c) 错动控制:专指断层错动、尤其是在断层不同部位错动方向和断距的变化,在ItasCAD中采用专门设计的编辑方式实现;
d) 局部起伏:或称为趋势约束。勘探点之间潜在起伏形态往往可以通过物探结果、地质推测实现,通过对模型局部形态(法向向量的逼近处理)的二次编辑实现。