工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模技術(shù)研究論文
摘 要：現(xiàn)有的三維地質(zhì)模擬技術(shù)沒(méi)有考慮地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，從而限制了計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)用性。工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模問(wèn)題已成為制約三維地質(zhì)模擬技術(shù)深入發(fā)展應(yīng)用的瓶頸。在綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模的總體研究框架和基本工作流程，給出了研究過(guò)程中所遇到的主要科學(xué)問(wèn)題的解決思路或?qū)崿F(xiàn)方案，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明地質(zhì)體多場(chǎng)耦合模型在三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)中初步實(shí)現(xiàn)后的效果。這些研究成果為建立一套完整的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合構(gòu)模理論體系和方法體系奠定了基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)工程地質(zhì)數(shù)字化建模分析技術(shù)的深入應(yīng)用。
關(guān) 鍵 詞：三維地質(zhì)模擬;工程地質(zhì)場(chǎng);地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型;地質(zhì)屬性模型;耦合構(gòu)模1 引 言在大型工程建設(shè)項(xiàng)目的勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段，都需要盡可能多地掌握地下工程地質(zhì)環(huán)境的準(zhǔn)確信息，盡量精確地刻畫工程地質(zhì)體的幾何結(jié)構(gòu)特征以及地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)(包括物理、化學(xué)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等屬性特征)的變化規(guī)律[1-4]。
傳統(tǒng)地使用二維紙質(zhì)地圖和數(shù)字化 CAD 圖件來(lái)表達(dá)工程地質(zhì)信息的方式已很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求[5]，需要綜合應(yīng)用 GIS、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、三維可視化和計(jì)算機(jī)圖形圖像等技術(shù)進(jìn)行工程地質(zhì)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(dá)工程地質(zhì)空間中構(gòu)造單元的時(shí)空展布特征及其內(nèi)部屬性參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)信息從二維表達(dá)形式向三維甚至四維表達(dá)形式的升華，將以往僅僅蘊(yùn)涵于地質(zhì)工作者腦海中的工程地質(zhì)體直觀形象地展現(xiàn)在地質(zhì)工作者、規(guī)劃設(shè)計(jì)師、巖土工程師乃至非地質(zhì)專業(yè)的管理、決策人員面前。這不僅能使地質(zhì)工作者在研究過(guò)程中非常容易地表達(dá)、驗(yàn)證和修改自己建立的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，而且能夠在其基礎(chǔ)上進(jìn)行定量的可視化空間分析和專業(yè)應(yīng)用，最大限度地增強(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計(jì)與施工方案，減少人類對(duì)地質(zhì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的盲目性以及地下工程設(shè)計(jì)、施工面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)，為制定科學(xué)合理的地下空間開發(fā)利用方案提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料和決策依據(jù)。
近 20 年來(lái)，工程地質(zhì)三維模擬技術(shù)已引起地球科學(xué)界和實(shí)際工程界的廣泛關(guān)注，并成為具有國(guó)際前沿性質(zhì)的研究熱點(diǎn)[1-2]。在地質(zhì)工作者、計(jì)算機(jī)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(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的三維地質(zhì)建模及可視化分析技術(shù)相繼開發(fā)出來(lái)并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用[1]，初步顯示了三維地質(zhì)模擬在工程地質(zhì)空間重構(gòu)、分析與表示、過(guò)程模擬等方面具有巨大的潛力和價(jià)值。然而，隨著地下空間勘探開發(fā)的不斷深入，對(duì)工程地質(zhì)體的建模分析工作提出了更高的要求，早期的只建立簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造模型的三維地質(zhì)模擬技術(shù)，已無(wú)法滿足實(shí)際綜合地質(zhì)研究工作的需要[4-5]。實(shí)際工作中不僅需要準(zhǔn)確地描述工程地質(zhì)體的幾何形態(tài)，更需要準(zhǔn)確地描述地質(zhì)體內(nèi)部非均質(zhì)分布的物理、化學(xué)、水文、工程等屬性特征，甚至需要將兩者耦合起來(lái)進(jìn)行各種定量的空間分析和專業(yè)應(yīng)用。地下空間勘探開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用需求推動(dòng)了三維地質(zhì)建模及可視化分析技術(shù)的發(fā)展，使得建立實(shí)用、可靠的地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造和屬性參數(shù)特征耦合模型成為三維地質(zhì)模擬技術(shù)必然的發(fā)展方向。
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
工程地質(zhì)三維模擬研究是一個(gè)集合了基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、巖土工程學(xué)、地球空間信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。近 20 年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在工程地質(zhì)三維模擬方面的研究主要集中在三維地質(zhì)模擬的理論基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、實(shí)際工程應(yīng)用等 3 個(gè)方面。
(1)在工程地質(zhì)三維模擬的理論基礎(chǔ)方面，主要是基于工程地質(zhì)空間認(rèn)知、劃分、映射、表達(dá)的要求，研究適合于三維地質(zhì)模擬的空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
(2)在工程地質(zhì)三維模擬的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面，主要研究三維地質(zhì)模擬的體系結(jié)構(gòu)和三維地質(zhì)模型重構(gòu)的具體方法。一般將三維地質(zhì)模擬劃分為地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)實(shí)體建模、模型分析與應(yīng)用(包括屬性建模、空間分析、其他應(yīng)用等)3 個(gè)階段[6]�，F(xiàn)有的三維地質(zhì)建模方法可分為 2 類：一類是用于重構(gòu)地質(zhì)體空間幾何形態(tài)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法[7-10];
另一類是用于地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征三維重構(gòu)的地質(zhì)屬性建模方法，如：以空間插值為基礎(chǔ)的確定性屬性建模方法;以隨機(jī)模擬為基礎(chǔ)的不確定性屬性建模方法[4]。
(3)從實(shí)際應(yīng)用上來(lái)看，地質(zhì)體三維建模與可視化分析是工程界長(zhǎng)期的需求。基于地質(zhì)概念的工程地質(zhì)三維實(shí)體模型能夠定量地分析地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)形態(tài)及其屬性特征，為深入認(rèn)識(shí)工程地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過(guò)程提供新的手段和視野。在 20 世紀(jì) 90 年代中期，很多地質(zhì)專家和工程人員就認(rèn)同了三維地質(zhì)模擬的概念和作用，并開展了一系列探索性的應(yīng)用研究工作。但現(xiàn)有的三維地質(zhì)模擬技術(shù)多是以對(duì)地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造的直觀描述和空間展示為主，主要應(yīng)用于地下地質(zhì)體的幾何表示、地質(zhì)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(gè)領(lǐng)域[3]，更深層次的定量分析應(yīng)用則很少，工程地質(zhì)三維模擬的潛力遠(yuǎn)未挖掘出來(lái)。
從總體上來(lái)看，工程地質(zhì)三維模擬的理論、方法和技術(shù)目前尚處于研究和應(yīng)用的初級(jí)階段，還有許多問(wèn)題有待于解決。按照現(xiàn)在的理論和技術(shù)水平，真正實(shí)現(xiàn)完全意義上的三維地質(zhì)模擬至少需要10～20 a 的時(shí)間。當(dāng)前亟需開展研究的重要工作包括：研究并設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)面向地質(zhì)實(shí)體、勝任復(fù)雜環(huán)境下地質(zhì)模擬、具有真三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);研究三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型/屬性模型的統(tǒng)一構(gòu)模與融合分析技術(shù);研發(fā)成熟的 3D/4D 可視化定量空間分析工具;研究地質(zhì)數(shù)據(jù)和地質(zhì)模型不確定性的表示、地質(zhì)模型準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)等。
3 多場(chǎng)耦合構(gòu)模的基本概念
用地質(zhì)場(chǎng)的觀點(diǎn)[11-13]來(lái)分析，工程地質(zhì)三維模擬是對(duì)工程地質(zhì)場(chǎng)中的物質(zhì)、信息、特征進(jìn)行三維重構(gòu)、再現(xiàn)、分析的過(guò)程。工程地質(zhì)場(chǎng)由 2 類相互關(guān)聯(lián)的場(chǎng)組成：一類是地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)，它是地質(zhì)體、不同地質(zhì)體的界面或地質(zhì)體組合的物理、化學(xué)、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(zhì)空間中，沒(méi)有明確的邊界形態(tài);另一類是地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)，它是地質(zhì)體、不同地質(zhì)體的界面或地質(zhì)體組合的幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)特征在空間上的反映，它具有相對(duì)明晰的邊界，控制數(shù)據(jù)呈離散狀分布。
在工程地質(zhì)空間，地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)不僅在空間位置上重合(具有套合關(guān)系)，而且在成因及特性上相互關(guān)聯(lián)(具有耦合關(guān)系)。工程實(shí)踐中通常是根據(jù)地質(zhì)屬性參數(shù)特征來(lái)劃分地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)的控制界面(如地層之間的分界面)。但從另一角度來(lái)看，地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)的分布特征往往與地質(zhì)體的幾何形態(tài)、埋藏深度以及與其周圍地質(zhì)體的相對(duì)差異有關(guān)[13]，地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)不僅展現(xiàn)了地質(zhì)體的空間幾何分布特征，還控制了地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)的空間分布變化。因此，亦可在地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)的基礎(chǔ)上推斷、預(yù)測(cè)地質(zhì)屬性參數(shù)特征，實(shí)際工作中也常有這方面的應(yīng)用需求。厘清工程地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)的耦合關(guān)系，不僅具有理論意義，更重要地是在三維地質(zhì)模擬時(shí)具有實(shí)際的.指導(dǎo)意義。
在三維空間中，對(duì)地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行模擬重構(gòu)生成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)進(jìn)行模擬重構(gòu)生成三維地質(zhì)屬性模型。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于反映地質(zhì)體的空間位置、幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系，但難以表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部的屬性參數(shù)特征變化情況，一般是將同一地質(zhì)單元內(nèi)部的屬性參數(shù)特征假定為均一不變的。三維地質(zhì)屬性模型可以方便地表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征的非均一性，并易于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和綜合分析，但不含地質(zhì)體幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系方面的信息。
鑒于地質(zhì)空間中幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與屬性參數(shù)場(chǎng)的耦合關(guān)系，工程地質(zhì)體三維模擬的流程應(yīng)能準(zhǔn)確地反映“根據(jù)采樣的地質(zhì)屬性參數(shù)信息→界定地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)特征→預(yù)測(cè)地質(zhì)屬性參數(shù)空間展布規(guī)律→實(shí)際驗(yàn)證與應(yīng)用”這一實(shí)際工作過(guò)程，但現(xiàn)有的三維地質(zhì)建模流程和技術(shù)方法在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí)卻存在很大的不足，主要問(wèn)題涉及 4 個(gè)方面：(1)在三維空間數(shù)據(jù)模型方面缺乏實(shí)用高效、矢柵一體的混合數(shù)據(jù)模型�，F(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)模型在對(duì)工程地質(zhì)空間劃分、表達(dá)及分析時(shí)存在著或多或少的缺陷，難以完整、統(tǒng)一地描述地質(zhì)體的幾何結(jié)構(gòu)特征及其內(nèi)部屬性參數(shù)信息。
(2)在三維地質(zhì)模擬的過(guò)程中，目前一般采用“獨(dú)立構(gòu)�！被颉绊樞驑�(gòu)�！钡姆椒▉�(lái)重構(gòu)地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)。“獨(dú)立構(gòu)�！笔侵竿耆豢紤]地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)的相互關(guān)系，將其作為 2 個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)場(chǎng)，分別單獨(dú)的構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)屬性模型�！绊樞驑�(gòu)模”則考慮到地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)在空間位置上的重合關(guān)系，先構(gòu)建地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型，然后在此基礎(chǔ)上體素化，生成屬性參數(shù)場(chǎng)模型，并建立屬性數(shù)據(jù)與地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系�！蔼�(dú)立構(gòu)模”或“順序構(gòu)�！钡乃悸范紱](méi)有考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性參數(shù)在空間和成因上的耦合關(guān)系，在理論上具有很大的局限性，計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果也與真實(shí)的地質(zhì)情況差別較大。
(3)從三維地質(zhì)模擬的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上來(lái)看，現(xiàn)有的技術(shù)側(cè)重于重構(gòu)地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)，并形成了不少實(shí)用高效的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法，而對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)重構(gòu)技術(shù)研究較少，屬性建模大多采用自動(dòng)插值方法或基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的 Kriging 方法，這些屬性建模方法復(fù)雜繁瑣，且未能充分有效地考慮屬性參數(shù)場(chǎng)與地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)約束作用及地質(zhì)學(xué)原理的耦合關(guān)系。
(4)現(xiàn)有的可視化分析技術(shù)缺乏統(tǒng)一、完備的三維空間分析理論指導(dǎo)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)既包含地質(zhì)體幾何形態(tài)、又包含地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征的地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行真正自由、靈活的定量三維空間分析。
一個(gè)真正的三維地質(zhì)實(shí)體模型應(yīng)該能夠完整、統(tǒng)一地描述地質(zhì)對(duì)象的空間位置、幾何形態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系和內(nèi)部屬性信息，具有真三維表達(dá)能力、真三維空間分析能力且支持三維空間預(yù)測(cè)，而不是在地質(zhì)空間中將幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)和屬性參數(shù)場(chǎng)割裂開來(lái)，分別進(jìn)行重構(gòu)、描述和分析。理想的三維地質(zhì)實(shí)體模型重構(gòu)流程應(yīng)該將地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架生成、地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)重構(gòu)、三維可視化空間分析作為一個(gè)統(tǒng)一的整體過(guò)程加以研究，充分考慮地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)對(duì)地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架的指示意義、地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架對(duì)地質(zhì)屬性參數(shù)場(chǎng)的約束作用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的地質(zhì)空間多場(chǎng)(即幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)與多種屬性參數(shù)場(chǎng))耦合構(gòu)模，從而生成帶屬性參數(shù)的三維地質(zhì)多場(chǎng)耦合模型。
結(jié)論與展望
(1)工程地質(zhì)空間三維幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)/屬性參數(shù)場(chǎng)耦合構(gòu)模是實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)字化應(yīng)用突破的關(guān)鍵。
多場(chǎng)耦合構(gòu)模的過(guò)程是一個(gè)信息逐步提取與集成的過(guò)程，亦是一個(gè)“工程地質(zhì)體→地質(zhì)空間數(shù)據(jù)→地質(zhì)空間信息→知識(shí)決策”的過(guò)程。
(2)本文提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模的標(biāo)準(zhǔn)流程框架，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明地質(zhì)體多場(chǎng)耦合模型在三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)中初步實(shí)現(xiàn)后的效果。這為建立一套完整的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合構(gòu)模的理論體系和方法體系奠定了基礎(chǔ)，有助于完善復(fù)雜地質(zhì)條件下三維地質(zhì)模擬的方法與技術(shù)。
(3)本文提出的研究方案和解決思路，僅僅奠定了該項(xiàng)研究的粗略框架，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探索。今后的重點(diǎn)研究方向包括：地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合模型的三維可視化分析技術(shù);地質(zhì)空間耦合場(chǎng)的定量三維空間分析技術(shù);地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合建模分析軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā);地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構(gòu)模與空間分析實(shí)證研究等。
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