工程地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模技術研究論文

　　摘 要：現(xiàn)有的三維地質(zhì)模擬技術沒有考慮地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)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(jié)果的真實性和實用性。工程地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模問題已成為制約三維地質(zhì)模擬技術深入發(fā)展應用的瓶頸。在綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎上，提出了工程地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模的總體研究框架和基本工作流程，給出了研究過程中所遇到的主要科學問題的解決思路或?qū)崿F(xiàn)方案，并通過實例說明地質(zhì)體多場耦合模型在三維地質(zhì)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(zhì)體多場耦合構(gòu)模理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于推動工程地質(zhì)數(shù)字化建模分析技術的深入應用。

　　關 鍵 詞：三維地質(zhì)模擬;工程地質(zhì)場;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(zhì)環(huán)境的準確信息，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、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 圖件來表達工程地質(zhì)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(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工程地質(zhì)空間中構(gòu)造單元的時空展布特征及其內(nèi)部屬性參數(shù)的時空分布規(guī)律，實現(xiàn)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)體直觀形象地展現(xiàn)在地質(zhì)工作者、規(guī)劃設計師、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(zhì)分析的直觀性和準確性，做出符合地質(zhì)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(zhì)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(zhì)資料和決策依據(jù)。

　　近 20 年來，工程地質(zhì)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(zhì)的研究熱點[1-2]。在地質(zhì)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(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的三維地質(zhì)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(zhì)模擬在工程地質(zhì)空間重構(gòu)、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(zhì)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(jié)構(gòu)構(gòu)造模型的三維地質(zhì)模擬技術，已無法滿足實際綜合地質(zhì)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(zhì)體的幾何形態(tài)，更需要準確地描述地質(zhì)體內(nèi)部非均質(zhì)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(zhì)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(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)模擬技術必然的發(fā)展方向。

　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　工程地質(zhì)三維模擬研究是一個集合了基礎地質(zhì)學、工程地質(zhì)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(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、實現(xiàn)技術、實際工程應用等 3 個方面。

　　(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(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　(2)在工程地質(zhì)三維模擬的實現(xiàn)技術方面，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(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(zhì)體三維建模與可視化分析是工程界長期的需求。基于地質(zhì)概念的工程地質(zhì)三維實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，為深入認識工程地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過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，并開展了一系列探索性的應用研究工作。但現(xiàn)有的三維地質(zhì)模擬技術多是以對地質(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領域[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。

　　從總體上來看，工程地質(zhì)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(zhì)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(zhì)實體、勝任復雜環(huán)境下地質(zhì)模擬、具有真三維拓撲結(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;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)模型準確性的檢驗等。

　　3 多場耦合構(gòu)模的基本概念

　　用地質(zhì)場的觀點[11-13]來分析，工程地質(zhì)三維模擬是對工程地質(zhì)場中的物質(zhì)、信息、特征進行三維重構(gòu)、再現(xiàn)、分析的過程。工程地質(zhì)場由 2 類相互關聯(lián)的場組成：一類是地質(zhì)屬性參數(shù)場，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、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，沒有明確的邊界形態(tài);另一類是地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場，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)場和地質(zhì)屬性參數(shù)場不僅在空間位置上重合(具有套合關系)，而且在成因及特性上相互關聯(lián)(具有耦合關系)。工程實踐中通常是根據(jù)地質(zhì)屬性參數(shù)特征來劃分地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場的控制界面(如地層之間的分界面)。但從另一角度來看，地質(zhì)屬性參數(shù)場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)體的相對差異有關[13]，地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場不僅展現(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)場的基礎上推斷、預測地質(zhì)屬性參數(shù)特征，實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(jié)構(gòu)場與屬性參數(shù)場的耦合關系，不僅具有理論意義，更重要地是在三維地質(zhì)模擬時具有實際的.指導意義。

　　在三維空間中，對地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場進行模擬重構(gòu)生成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，對地質(zhì)屬性參數(shù)場進行模擬重構(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)和拓撲關系，但難以表達地質(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地質(zhì)體內(nèi)部屬性參數(shù)特征的非均一性，并易于進行統(tǒng)計計算和綜合分析，但不含地質(zhì)體幾何形態(tài)和拓撲關系方面的信息。

　　鑒于地質(zhì)空間中幾何結(jié)構(gòu)場與屬性參數(shù)場的耦合關系，工程地質(zhì)體三維模擬的流程應能準確地反映“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→預測地質(zhì)屬性參數(shù)空間展布規(guī)律→實際驗證與應用”這一實際工作過程，但現(xiàn)有的三維地質(zhì)建模流程和技術方法在實現(xiàn)這一目標時卻存在很大的不足，主要問題涉及 4 個方面：(1)在三維空間數(shù)據(jù)模型方面缺乏實用高效、矢柵一體的混合數(shù)據(jù)模型。現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)模型在對工程地質(zhì)空間劃分、表達及分析時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)模擬的過程中，目前一般采用“獨立構(gòu)模”或“順序構(gòu)模”的方法來重構(gòu)地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場和屬性參數(shù)場。“獨立構(gòu)模”是指完全不考慮地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場和屬性參數(shù)場的相互關系，將其作為 2 個獨立的數(shù)據(jù)場，分別單獨的構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)屬性模型。“順序構(gòu)模”則考慮到地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)場和屬性參數(shù)場在空間位置上的重合關系，先構(gòu)建地質(zhì)空間幾何結(jié)構(gòu)場模型，然后在此基礎上體素化，生成屬性參數(shù)場模型，并建立屬性數(shù)據(jù)與地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的對應關系。“獨立構(gòu)模”或“順序構(gòu)模”的思路都沒有考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性參數(shù)在空間和成因上的耦合關系，在理論上具有很大的局限性，計算機模擬的結(jié)果也與真實的地質(zhì)情況差別較大。

　　(3)從三維地質(zhì)模擬的具體實現(xiàn)技術上來看，現(xiàn)有的技術側(cè)重于重構(gòu)地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)，并形成了不少實用高效的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法，而對地質(zhì)屬性參數(shù)重構(gòu)技術研究較少，屬性建模大多采用自動插值方法或基于地質(zhì)統(tǒng)計學的 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(shù)場與地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)約束作用及地質(zhì)學原理的耦合關系。

　　(4)現(xiàn)有的可視化分析技術缺乏統(tǒng)一、完備的三維空間分析理論指導，很難實現(xiàn)對既包含地質(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)實體模型進行真正自由、靈活的定量三維空間分析。

　　一個真正的三維地質(zhì)實體模型應該能夠完整、統(tǒng)一地描述地質(zhì)對象的空間位置、幾何形態(tài)、拓撲關系和內(nèi)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(jié)構(gòu)場和屬性參數(shù)場割裂開來，分別進行重構(gòu)、描述和分析。理想的三維地質(zhì)實體模型重構(gòu)流程應該將地質(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)場重構(gòu)、三維可視化空間分析作為一個統(tǒng)一的整體過程加以研究，充分考慮地質(zhì)屬性參數(shù)場對地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架的指示意義、地質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)框架對地質(zhì)屬性參數(shù)場的約束作用，實現(xiàn)真正意義上的地質(zhì)空間多場(即幾何結(jié)構(gòu)場與多種屬性參數(shù)場)耦合構(gòu)模，從而生成帶屬性參數(shù)的三維地質(zhì)多場耦合模型。

　　結(jié)論與展望

　　(1)工程地質(zhì)空間三維幾何結(jié)構(gòu)場/屬性參數(shù)場耦合構(gòu)模是實現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)字化應用突破的關鍵。

　　多場耦合構(gòu)模的過程是一個信息逐步提取與集成的過程，亦是一個“工程地質(zhì)體→地質(zhì)空間數(shù)據(jù)→地質(zhì)空間信息→知識決策”的過程。

　　(2)本文提出了工程地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模的標準流程框架，并通過一個實例說明地質(zhì)體多場耦合模型在三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)中初步實現(xiàn)后的效果。這為建立一套完整的地質(zhì)體多場耦合構(gòu)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。

　　(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，還有許多問題需要進行進一步的研究與探索。今后的重點研究方向包括：地質(zhì)空間多場耦合模型的三維可視化分析技術;地質(zhì)空間耦合場的定量三維空間分析技術;地質(zhì)空間多場耦合建模分析軟件系統(tǒng)的設計與開發(fā);地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模與空間分析實證研究等。

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