工程地質空間多場耦合構模技術研究論文

　　摘 要：現(xiàn)有的三維地質模擬技術沒有考慮地質空間幾何結構場與屬性參數(shù)場之間的耦合關系，從而限制了計算機模擬結果的真實性和實用性。工程地質空間多場耦合構模問題已成為制約三維地質模擬技術深入發(fā)展應用的瓶頸。在綜合國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎上，提出了工程地質空間多場耦合構模的總體研究框架和基本工作流程，給出了研究過程中所遇到的主要科學問題的解決思路或實現(xiàn)方案，并通過實例說明地質體多場耦合模型在三維地質建模及可視化系統(tǒng)中初步實現(xiàn)后的效果。這些研究成果為建立一套完整的地質體多場耦合構模理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于推動工程地質數(shù)字化建模分析技術的深入應用。

　　關 鍵 詞：三維地質模擬;工程地質場;地質結構模型;地質屬性模型;耦合構模1 引 言在大型工程建設項目的勘察、規(guī)劃、設計、施工階段，都需要盡可能多地掌握地下工程地質環(huán)境的準確信息，盡量精確地刻畫工程地質體的幾何結構特征以及地質體內部屬性參數(shù)(包括物理、化學、水文地質、工程地質等屬性特征)的變化規(guī)律[1-4]。

　　傳統(tǒng)地使用二維紙質地圖和數(shù)字化 CAD 圖件來表達工程地質信息的方式已很難滿足實際應用的要求[5]，需要綜合應用 GIS、空間數(shù)據(jù)庫、三維可視化和計算機圖形圖像等技術進行工程地質體的三維建模及可視化分析，以直觀、形象的三維可視化圖形圖像形式表達工程地質空間中構造單元的時空展布特征及其內部屬性參數(shù)的時空分布規(guī)律，實現(xiàn)工程地質信息從二維表達形式向三維甚至四維表達形式的升華，將以往僅僅蘊涵于地質工作者腦海中的工程地質體直觀形象地展現(xiàn)在地質工作者、規(guī)劃設計師、巖土工程師乃至非地質專業(yè)的管理、決策人員面前。這不僅能使地質工作者在研究過程中非常容易地表達、驗證和修改自己建立的地質認識，而且能夠在其基礎上進行定量的可視化空間分析和專業(yè)應用，最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，做出符合地質現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設計與施工方案，減少人類對地質問題認識的盲目性以及地下工程設計、施工面臨的巨大風險，為制定科學合理的地下空間開發(fā)利用方案提供基礎地質資料和決策依據(jù)。

　　近 20 年來，工程地質三維模擬技術已引起地球科學界和實際工程界的廣泛關注，并成為具有國際前沿性質的研究熱點[1-2]。在地質工作者、計算機專家和 GIS 研究人員的共同努力下，一系列用于精確刻畫地下工程地質體結構特征的三維地質建模及可視化分析技術相繼開發(fā)出來并在實際工程中得到應用[1]，初步顯示了三維地質模擬在工程地質空間重構、分析與表示、過程模擬等方面具有巨大的潛力和價值。然而，隨著地下空間勘探開發(fā)的不斷深入，對工程地質體的建模分析工作提出了更高的要求，早期的只建立簡單的幾何結構構造模型的三維地質模擬技術，已無法滿足實際綜合地質研究工作的需要[4-5]。實際工作中不僅需要準確地描述工程地質體的幾何形態(tài)，更需要準確地描述地質體內部非均質分布的物理、化學、水文、工程等屬性特征，甚至需要將兩者耦合起來進行各種定量的空間分析和專業(yè)應用。地下空間勘探開發(fā)的實際應用需求推動了三維地質建模及可視化分析技術的發(fā)展，使得建立實用、可靠的地質體幾何結構構造和屬性參數(shù)特征耦合模型成為三維地質模擬技術必然的發(fā)展方向。

　　2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　工程地質三維模擬研究是一個集合了基礎地質學、工程地質學、巖土工程學、地球空間信息科學和計算機科學等多學科的交叉領域。近 20 年來，國內外在工程地質三維模擬方面的研究主要集中在三維地質模擬的理論基礎、實現(xiàn)技術、實際工程應用等 3 個方面。

　　(1)在工程地質三維模擬的理論基礎方面，主要是基于工程地質空間認知、劃分、映射、表達的要求，研究適合于三維地質模擬的空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結構。

　　(2)在工程地質三維模擬的實現(xiàn)技術方面，主要研究三維地質模擬的體系結構和三維地質模型重構的具體方法。一般將三維地質模擬劃分為地質數(shù)據(jù)處理、地質實體建模、模型分析與應用(包括屬性建模、空間分析、其他應用等)3 個階段[6]。現(xiàn)有的三維地質建模方法可分為 2 類：一類是用于重構地質體空間幾何形態(tài)的地質結構建模方法[7-10];

　　另一類是用于地質體內部屬性參數(shù)特征三維重構的地質屬性建模方法，如：以空間插值為基礎的確定性屬性建模方法;以隨機模擬為基礎的不確定性屬性建模方法[4]。

　　(3)從實際應用上來看，地質體三維建模與可視化分析是工程界長期的需求。基于地質概念的工程地質三維實體模型能夠定量地分析地質單元結構形態(tài)及其屬性特征，為深入認識工程地質現(xiàn)象和地質過程提供新的手段和視野。在 20 世紀 90 年代中期，很多地質專家和工程人員就認同了三維地質模擬的概念和作用，并開展了一系列探索性的應用研究工作。但現(xiàn)有的三維地質模擬技術多是以對地質體幾何結構構造的直觀描述和空間展示為主，主要應用于地下地質體的幾何表示、地質屬性參數(shù)空間不均一性的可視化顯示、數(shù)值模擬模型的前處理和后處理等有限的幾個領域[3]，更深層次的定量分析應用則很少，工程地質三維模擬的潛力遠未挖掘出來。

　　從總體上來看，工程地質三維模擬的理論、方法和技術目前尚處于研究和應用的初級階段，還有許多問題有待于解決。按照現(xiàn)在的理論和技術水平，真正實現(xiàn)完全意義上的三維地質模擬至少需要10～20 a 的時間。當前亟需開展研究的重要工作包括：研究并設計、實現(xiàn)面向地質實體、勝任復雜環(huán)境下地質模擬、具有真三維拓撲結構的數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)結構;研究三維地質結構模型/屬性模型的統(tǒng)一構模與融合分析技術;研發(fā)成熟的` 3D/4D 可視化定量空間分析工具;研究地質數(shù)據(jù)和地質模型不確定性的表示、地質模型準確性的檢驗等。

　　3 多場耦合構模的基本概念

　　用地質場的觀點[11-13]來分析，工程地質三維模擬是對工程地質場中的物質、信息、特征進行三維重構、再現(xiàn)、分析的過程。工程地質場由 2 類相互關聯(lián)的場組成：一類是地質屬性參數(shù)場，它是地質體、不同地質體的界面或地質體組合的物理、化學、水文、工程等方面的特性在空間上的反映，它連續(xù)地分布在三維地質空間中，沒有明確的邊界形態(tài);另一類是地質幾何結構場，它是地質體、不同地質體的界面或地質體組合的幾何結構形態(tài)特征在空間上的反映，它具有相對明晰的邊界，控制數(shù)據(jù)呈離散狀分布。