摘要:水利工程涉及工程地质与岩土开挖问题,在场址选择、渠涵选线、工程施工、沉陷与变形监测全过程中,需要一系列的地质调查、工程勘察、围岩结构及其稳定性分析基础工作。真三维地学模拟的主要目的是基于钻孔数据并综合地球物理与地球化学等多源地学数据来建立研究区域的集成地学空间数据库,并利用真三维体元来构建研究区域的数字化的真三维地层环境模型,从而在可视化环境中实现地层任意剖切、量算、揭层显示和开挖设计,以及各类地学统计、查询与空间分析。该文以煤矿地质环境建模为例,介绍了国产真三维地学模拟系统GeoMo3D的基本功能,进而分析了GeoMo3D在南水北调工程中的应用前景。 关键词:南水北调;水利工程;真三维地学模拟;地学数据集成;可视化;GeoMo3D 中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:1672-1683(2003)02-0020-06 1 学术名词界定 首先介绍并界定几个学术名词,以便后续阅读和理解:1)地学(Geosciences,也称earth science),字面意义为关于地球的科学。实际上,地学可以理解为地理Geography、地质Geology、地球物理Geophysics和大地测量Geodesy等地学相关学科的统称,因其英文名称之前缀均为Geo[1]。基于地学的人类工程问题包括采矿工程、隧道工程、岩土工程、水利工程等。2)三维地学模拟(3D Geosciences Modelling, 3D GM):该词是加拿大工程地质学家Simon Houlding先生于1994年在其著作[2]中提出的,主要表征利用地质勘探与工程设计数据来进行地质体及地下开挖三维建模的过程。这里的Modelling是一个动名词,表示“建模”或“构模”,是一种行为,一个过程。3)三维地学模拟系统(3D Geosciences Modelling System, 3D GMS):该词由吴立新等于2003年在“3D GIS与3D GMS中的空间构模技术”[1]一文中首先采用,表示为一种用于三维地学建模的系统,包括软件、硬件、数据、人员和相关规范等。4)三维地学模型(3D Geosciences Model, 3D GM):该词可泛指一切利用计算机和非利用计算机建立起来的、按一定比例缩小了的地学模型,如军事沙盘模型、地下掩体模型、地质环境和水利工程模型等,其中包括基于3D GMS建立的三维地质模型(3D Geological Model,3D GM);5)3D GM有双重意义,既是名词又是动名词,即三维地质模型或三维地学模拟。 2 三维地学模拟理论现状 传统的地质信息模拟与表达方式主要有两种:1)采用平面图和剖面图进行表达(如底板等高线图、采掘工程平面图、地质剖面图、钻孔剖面图等),其实质是将3D地质环境中地层、矿体与地质现象投影到某一2D平面(XY平面、XZ平面或YZ平面)上进行表达;2)采用透视和轴侧投影原理,将3D地质环境中的地层、矿体与地质现象进行透视制图,或投影到两个以上的平面上进行组合表达,以增强3D视觉效果,便于3D理解和想象。两种方式均存在空间信息的损失与失真问题,而且制图过程繁杂,信息更新困难,难以满足现代大型、复杂工程的需要。 3D GMS是随着科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展,而在20世纪90年代开始为人们所重视。区别于GIS(地理信息系统),3D GMS的主旨是针对地质信息模拟与表达方法的不足和缺陷,借助于计算机和科学可视化技术,直接从3D 空间的角度、以数字化的形式去理解、表达和再现地质体与地质环境,进而辅助工程设计、施工与决策。 目前,关于3D GMS的空间维数问题,学术届尚存在一些不同称谓、理解和认识。笔者曾对此进行了讨论和分析,认为:“无论是2.75D GIS还是假3D GIS、假3D GMS,抑或是3D CM(注:3D城市模型),它们与真3D GIS或真3D GMS的本质区别在于:前者只描述3D空间实体的外部轮廓,不表达其内部属性;而后者则是以体元的方式在描述3D空间实体的外部轮廓的同时,还表达其内部属性”[1]。为统一认识,建议“采用一个较中性的词――“准”(quasi),将2.75D GIS和假3D GIS统称为准3维GIS,将假3D GMS称为准3D GMS”[1]。 可以基于地学建模的数学模型、高程特征和属性特征的差异来区分有关系统的空间维数,如表1所示。所谓真3D GMS,它是将3D空间坐标(x, y, z)作为独立参数来进行地学空间实体对象的几何建模,采用3D 矢量构模或3D体元构模方式来表达空间实体的实际轮廓及其非均值的内部属性。所建立的模型不仅可以实现真3D可视化,还可以在体内进行3D空间内插、在体外进行3D空间推估等复杂空间分析操作。 近年,国内外学者吸收科学可视化、计算机图形图像学中的体视化理论与技术在真三维地学建模理论与方法方面进行了积极探索[3-9];同时,吸收3D GIS的空间拓扑表达与描述方面的成果在地质体对象的拓扑关系表达与组织方面进行了有益的探索[8-12]。应该说,3D GMS 和3D GIS是当今地学领域并行发展的两个高新技术领域,前者以地球表面及其内部为研究对象,后者以地球表面及其上部为研究对象。两者的有机结合即构成对整个地球系统的统一描述与表达,因而可以统称为地学中的地球 |
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