工程地质三维建模及可视化技术研究

【摘要】： 工程地质三维建模及可视化技术借助于计算机和科学计算可视化技术,直接从3D空间角度去理解和表达地质对象的几何形态、拓扑信息和物性信息,这对工程决策和灾害防治意义重大,已经成为岩土工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多学科交叉领域研究的前沿和热点。本文就工程地质三维建模及可视化技术中的关键问题进行了深入的研究,主要体现在以下几个方面: (1)建立了一个适宜进行三维地质建模的三维数据结构 通过对常见三维数据结构的对比分析,及它们对工程地质三维建模的适宜性评价,表明边界表示结构(Boundary Representation, BRep)是表达三维地质对象的有效方式,是进行三维地质建模的主流。 3GMap拓扑模型是基于组合拓扑理论发展而来的一种健壮(robust)、严谨的BRep新型数据结构,在表达非流形体拓扑结构上有突出的优点,本文深入研究3GMap模型的基础理论,并根据工程地质三维建模的特点将其进行了扩展,建立了适合于进行三维地质建模的数据模型3GGMap,其主要优点体现在:①该数据结构仅仅依赖一种拓扑元素和一类拓扑操作算子,概念简单,结构紧密,容易开发实现;②该模型用同一拓扑结构表达宏观和微观拓扑结构;③实现拓扑结构和几何模型的分离。 (2)地质曲面的构造 采用不规则三角网来构造地层分界面、断层面、地形面、风化层面等地质曲面,并以Delaunay三角剖分算法(逐点插入法)为基础,根据数据源的不同采用不同的途径实现,可以充分的利用原始勘探数据构造精确、光滑的地质曲面。 (3)引入碰撞检测技术快速实现地质曲面求交和裁剪引入碰撞检测技术,实现了不规则三角网表达的地质曲面之间高效、健壮地求交和裁剪。 (4)自动建模技术 为了实现工程地质三维建模的自动化,本文从两个方面入手进行探讨。首先建立区域地质演化图,为三维地质建模过程提供“向导”,实现地质曲面的拟合和裁剪自动化,同时也使三维地质模型反映了区域地质的演化规律;此外,根据地层的接触关系,建立地质曲面的裁剪规则,实现地质曲面之间裁剪关系的自动判断。 (5)工程地质三维建模及可视化系统的开发与应用 根据本文确立的工程地质三维建模及可视化方法体系,借助Visual C++6.0高级编程语言和面向对象的可视化开发接口VTK,研制开发了一个工程地质三维建模及可视化基础平台——3DGeoModeller系统。该系统实现了区域地质资料管理、三维建模、三维地质信息的可视化,以及基于三维地质模型的基本分析等功能。 将系统应用于沪蓉高速公路滑坡、龙滩水电站、锦屏水电站等三维地质建模与分析当中,实践验证了基础理论的可行性,并在实践中进一步完善了基础理论。