工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構模技術(shù)研究論文
摘 要：現有的三維地質(zhì)模擬技術(shù)沒(méi)有考慮地質(zhì)空間幾何結構場(chǎng)與屬性參數場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，從而限制了計算機模擬結果的真實(shí)性和實(shí)用性。工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構模問(wèn)題已成為制約三維地質(zhì)模擬技術(shù)深入發(fā)展應用的瓶頸。在綜合國內外研究現狀與發(fā)展趨勢的基礎上，提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構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)題的解決思路或實(shí)現方案，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)建模及可視化系統中初步實(shí)現后的效果。這些研究成果為建立一套完整的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合構模理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于推動(dòng)工程地質(zhì)數字化建模分析技術(shù)的深入應用。
關(guān) 鍵 詞：三維地質(zhì)模擬;工程地質(zhì)場(chǎng);地質(zhì)結構模型;地質(zhì)屬性模型;耦合構模1 引 言在大型工程建設項目的勘察、規劃、設計、施工階段，都需要盡可能多地掌握地下工程地質(zhì)環(huán)境的準確信息，盡量精確地刻畫(huà)工程地質(zhì)體的幾何結構特征以及地質(zhì)體內部屬性參數(包括物理、化學(xué)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等屬性特征)的變化規律[1-4]。
傳統地使用二維紙質(zhì)地圖和數字化 CAD 圖件來(lái)表達工程地質(zhì)信息的方式已很難滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求[5]，需要綜合應用 GIS、空間數據庫、三維可視化和計算機圖形圖像等技術(shù)進(jìn)行工程地質(zhì)體的三維建模及可視化分析，以直觀(guān)、形象的三維可視化圖形圖像形式表達工程地質(zhì)空間中構造單元的時(shí)空展布特征及其內部屬性參數的時(shí)空分布規律，實(shí)現工程地質(zhì)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(zhì)工作者腦海中的工程地質(zhì)體直觀(guān)形象地展現在地質(zhì)工作者、規劃設計師、巖土工程師乃至非地質(zhì)專(zhuān)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、驗證和修改自己建立的地質(zhì)認識，而且能夠在其基礎上進(jìn)行定量的可視化空間分析和專(zhuān)業(yè)應用，最大限度地增強地質(zhì)分析的直觀(guān)性和準確性，做出符合地質(zhì)現象分布變化規律的工程設計與施工方案，減少人類(lèi)對地質(zhì)問(wèn)題認識的盲目性以及地下工程設計、施工面臨的巨大風(fēng)險，為制定科學(xué)合理的地下空間開(kāi)發(fā)利用方案提供基礎地質(zhì)資料和決策依據。
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，并成為具有國際前沿性質(zhì)的研究熱點(diǎn)[1-2]。在地質(zhì)工作者、計算機專(zhuān)家和 GIS 研究人員的共同努力下，一系列用于精確刻畫(huà)地下工程地質(zhì)體結構特征的三維地質(zhì)建模及可視化分析技術(shù)相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)并在實(shí)際工程中得到應用[1]，初步顯示了三維地質(zhì)模擬在工程地質(zhì)空間重構、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(zhù)地下空間勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，對工程地質(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)單的幾何結構構造模型的三維地質(zhì)模擬技術(shù)，已無(wú)法滿(mǎn)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確地描述工程地質(zhì)體的幾何形態(tài)，更需要準確地描述地質(zhì)體內部非均質(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(zhuān)業(yè)應用。地下空間勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際應用需求推動(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)體幾何結構構造和屬性參數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 國內外研究現狀與發(fā)展趨勢
工程地質(zhì)三維模擬研究是一個(gè)集合了基礎地質(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)和計算機科學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。近 20 年來(lái)，國內外在工程地質(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、實(shí)現技術(shù)、實(shí)際工程應用等 3 個(gè)方面。
(1)在工程地質(zhì)三維模擬的理論基礎方面，主要是基于工程地質(zhì)空間認知、劃分、映射、表達的要求，研究適合于三維地質(zhì)模擬的空間數據模型及其數據結構。
(2)在工程地質(zhì)三維模擬的實(shí)現技術(shù)方面，主要研究三維地質(zhì)模擬的體系結構和三維地質(zhì)模型重構的具體方法。一般將三維地質(zhì)模擬劃分為地質(zhì)數據處理、地質(zhì)實(shí)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(gè)階段[6]�，F有的三維地質(zhì)建模方法可分為 2 類(lèi)：一類(lèi)是用于重構地質(zhì)體空間幾何形態(tài)的地質(zhì)結構建模方法[7-10];
另一類(lèi)是用于地質(zhì)體內部屬性參數特征三維重構的地質(zhì)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(shí)際應用上來(lái)看，地質(zhì)體三維建模與可視化分析是工程界長(cháng)期的需求�；诘刭|(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)單元結構形態(tài)及其屬性特征，為深入認識工程地質(zhì)現象和地質(zhì)過(guò)程提供新的手段和視野。在 20 世紀 90 年代中期，很多地質(zhì)專(zhuān)家和工程人員就認同了三維地質(zhì)模擬的概念和作用，并開(kāi)展了一系列探索性的應用研究工作。但現有的三維地質(zhì)模擬技術(shù)多是以對地質(zhì)體幾何結構構造的直觀(guān)描述和空間展示為主，主要應用于地下地質(zhì)體的幾何表示、地質(zhì)屬性參數空間不均一性的可視化顯示、數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用則很少，工程地質(zhì)三維模擬的潛力遠未挖掘出來(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用的初級階段，還有許多問(wèn)題有待于解決。按照現在的理論和技術(shù)水平，真正實(shí)現完全意義上的三維地質(zhì)模擬至少需要10～20 a 的時(shí)間。當前亟需開(kāi)展研究的重要工作包括：研究并設計、實(shí)現面向地質(zhì)實(shí)體、勝任復雜環(huán)境下地質(zhì)模擬、具有真三維拓撲結構的數據模型及數據結構;研究三維地質(zhì)結構模型/屬性模型的統一構模與融合分析技術(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)數據和地質(zhì)模型不確定性的表示、地質(zhì)模型準確性的檢驗等。
3 多場(chǎng)耦合構模的基本概念
用地質(zhì)場(chǎng)的觀(guān)點(diǎn)[11-13]來(lái)分析，工程地質(zhì)三維模擬是對工程地質(zhì)場(chǎng)中的物質(zhì)、信息、特征進(jìn)行三維重構、再現、分析的過(guò)程。工程地質(zhì)場(chǎng)由 2 類(lèi)相互關(guān)聯(lián)的場(chǎng)組成：一類(lèi)是地質(zhì)屬性參數場(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(lèi)是地質(zhì)幾何結構場(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，控制數據呈離散狀分布。
在工程地質(zhì)空間，地質(zhì)幾何結構場(chǎng)和地質(zhì)屬性參數場(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)踐中通常是根據地質(zhì)屬性參數特征來(lái)劃分地質(zhì)幾何結構場(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?chē)刭|(zhì)體的相對差異有關(guān)[13]，地質(zhì)幾何結構場(chǎng)不僅展現了地質(zhì)體的空間幾何分布特征，還控制了地質(zhì)體內部屬性參數的空間分布變化。因此，亦可在地質(zhì)幾何結構場(chǎng)的基礎上推斷、預測地質(zhì)屬性參數特征，實(shí)際工作中也常有這方面的應用需求。厘清工程地質(zhì)空間幾何結構場(chǎng)與屬性參數場(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.指導意義。
在三維空間中，對地質(zhì)幾何結構場(chǎng)進(jìn)行模擬重構生成三維地質(zhì)結構模型，對地質(zhì)屬性參數場(chǎng)進(jìn)行模擬重構生成三維地質(zhì)屬性模型。三維地質(zhì)結構模型側重于反映地質(zhì)體的空間位置、幾何形態(tài)和拓撲關(guān)系，但難以表達地質(zhì)體內部的屬性參數特征變化情況，一般是將同一地質(zhì)單元內部的屬性參數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地質(zhì)體內部屬性參數特征的非均一性，并易于進(jìn)行統計計算和綜合分析，但不含地質(zhì)體幾何形態(tài)和拓撲關(guān)系方面的信息。
鑒于地質(zhì)空間中幾何結構場(chǎng)與屬性參數場(chǎng)的耦合關(guān)系，工程地質(zhì)體三維模擬的流程應能準確地反映“根據采樣的地質(zhì)屬性參數信息→界定地質(zhì)空間幾何結構特征→預測地質(zhì)屬性參數空間展布規律→實(shí)際驗證與應用”這一實(shí)際工作過(guò)程，但現有的三維地質(zhì)建模流程和技術(shù)方法在實(shí)現這一目標時(shí)卻存在很大的不足，主要問(wèn)題涉及 4 個(gè)方面：(1)在三維空間數據模型方面缺乏實(shí)用高效、矢柵一體的混合數據模型�，F有的空間數據模型在對工程地質(zhì)空間劃分、表達及分析時(shí)存在著(zhù)或多或少的缺陷，難以完整、統一地描述地質(zhì)體的幾何結構特征及其內部屬性參數信息。
(2)在三維地質(zhì)模擬的過(guò)程中，目前一般采用“獨立構�！被颉绊樞驑嬆！钡姆椒▉�(lái)重構地質(zhì)空間幾何結構場(chǎng)和屬性參數場(chǎng)�！蔼毩嬆！笔侵竿耆豢紤]地質(zhì)空間幾何結構場(chǎng)和屬性參數場(chǎng)的相互關(guān)系，將其作為 2 個(gè)獨立的數據場(chǎng)，分別單獨的構建地質(zhì)結構模型和地質(zhì)屬性模型�！绊樞驑嬆！眲t考慮到地質(zhì)幾何結構場(chǎng)和屬性參數場(chǎng)在空間位置上的重合關(guān)系，先構建地質(zhì)空間幾何結構場(chǎng)模型，然后在此基礎上體素化，生成屬性參數場(chǎng)模型，并建立屬性數據與地質(zhì)體幾何結構數據的對應關(guān)系�！蔼毩嬆！被颉绊樞驑嬆！钡乃悸范紱](méi)有考慮地質(zhì)結構和屬性參數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，計算機模擬的結果也與真實(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)現技術(shù)上來(lái)看，現有的技術(shù)側重于重構地質(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)結構建模方法，而對地質(zhì)屬性參數重構技術(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)統計學(xué)的 Kriging 方法，這些屬性建模方法復雜繁瑣，且未能充分有效地考慮屬性參數場(chǎng)與地質(zhì)體的結構特征、地質(zhì)約束作用及地質(zhì)學(xué)原理的耦合關(guān)系。
(4)現有的可視化分析技術(shù)缺乏統一、完備的三維空間分析理論指導，很難實(shí)現對既包含地質(zhì)體幾何形態(tài)、又包含地質(zhì)體內部屬性參數特征的地質(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)體模型應該能夠完整、統一地描述地質(zhì)對象的空間位置、幾何形態(tài)、拓撲關(guān)系和內部屬性信息，具有真三維表達能力、真三維空間分析能力且支持三維空間預測，而不是在地質(zhì)空間中將幾何結構場(chǎng)和屬性參數場(chǎng)割裂開(kāi)來(lái)，分別進(jìn)行重構、描述和分析。理想的三維地質(zhì)實(shí)體模型重構流程應該將地質(zhì)數據處理、地質(zhì)體幾何結構框架生成、地質(zhì)屬性參數場(chǎng)重構、三維可視化空間分析作為一個(gè)統一的整體過(guò)程加以研究，充分考慮地質(zhì)屬性參數場(chǎng)對地質(zhì)幾何結構框架的指示意義、地質(zhì)幾何結構框架對地質(zhì)屬性參數場(chǎng)的約束作用，實(shí)現真正意義上的地質(zhì)空間多場(chǎng)(即幾何結構場(chǎng)與多種屬性參數場(chǎng))耦合構模，從而生成帶屬性參數的三維地質(zhì)多場(chǎng)耦合模型。
結論與展望
(1)工程地質(zhì)空間三維幾何結構場(chǎng)/屬性參數場(chǎng)耦合構模是實(shí)現工程地質(zhì)數字化應用突破的關(guān)鍵。
多場(chǎng)耦合構模的過(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)空間數據→地質(zhì)空間信息→知識決策”的過(guò)程。
(2)本文提出了工程地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構模的標準流程框架，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)建模及可視化系統中初步實(shí)現后的效果。這為建立一套完整的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合構模的理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于完善復雜地質(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的設計與開(kāi)發(fā);地質(zhì)空間多場(chǎng)耦合構模與空間分析實(shí)證研究等。
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