CATIA曲面建模技术在三维地质建模中的应用

马丹璇，韩 旭，苏小宁，徐明辉

(长江水利委员会长江岩土工程总公司，湖北武汉 430010)

CATIA曲面建模技术在三维地质建模中的应用

马丹璇，韩 旭，苏小宁，徐明辉

(长江水利委员会长江岩土工程总公司，湖北武汉 430010)

采用CATIA平台强大的曲面建模技术，可以快速地创建出覆盖层、地 (断)层、褶皱等复杂地质体，任意切制地质剖面，而且模型的地质边界条件更加直观、真实。

CATIA;曲面建模技术;三维地质建模

0 引言

三维地质建模就是运用计算机技术，在三维空间里，将空间信息、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的一门新技术。目前主流的三维地质建模软件有 GoCAD、CATIA、Petrel、RMS、Solid Works等。其中CATIA是法国Dassault System公司开发的一款高度集成的大型三维协同设计平台，其源于航天航空业，但其强大的功能得到各行业的认可。针对水利水电相关行业的需要，CATIA从V5R19版本开始增加了地形地质建模功能，使CATIA平台运用到水利水电工程项目的全过程。相比其他软件，CATIA拥有更强的曲面造型功能，可以快速的建立三维地质模型，极大地提高了水利水电行业的设计水平与效率。

1 三维地质建模的基本流程

1.1 原始资料的准备与整理

各种原始资料数据是进行建模的基础，可用于三维地质建模的数据资料主要有以下两类:(1)地质数据 地质测绘资料、地质剖面图等;(2)勘探数据 钻孔、竖井、平硐、坑槽探测资料等;

这些原始数据资料需经过专业地质工程师的整理分析后，作为CATIA地质建模的基础数据［1］。

1.2 建模基本流程

首先通过等高线点云数据生成地表mesh网格面，再转换为地表曲面模型，然后根据平面地质图、剖面图和钻孔数据形成地质分界面，与之前建立好的地表曲面模型按照先挖覆盖层、断层，再分割地层的顺序依次分离，最终形成完整的三维地质模型。

CATIA三维地质建模的基本流程见图1。

图1 三维地质建模基本流程图Fig.1 Basic flow chart of 3D geological modeling

2 曲面建模的优势

CATIA平台在水利水电行业已推广应用多年，以往在运用CATIA进行三维地质建模过程中多通过mesh三角网格面来实现，最终成果的三维模型也是以网格面模型来展示，由于网格面在进行切割时会重新计算边缘并生成新的网格面，导致边缘结合部位存在明显变形，可视效果较差。对于大范围、地质条件复杂的地质模型来说，应用网格面建模难度较大，建模过程中碰到的问题也较多。相比网格面建模，曲面建模主要有以下几点优势:

(1)使用光滑曲面所建立的地质模型在做覆盖层剥离、地(断)层分割时则极大避免了上述问题的产生，实现了快速建模。

(2)分割后的边界光滑平顺，视觉效果更好(图2)。

图2 网格面模型与曲面模型效果对比(上为网格面体，下为曲面体)Fig.2 Effect comparison between mesh model and surface model

(3)曲面建模具有网格面建模没有的错误提示功能，对操作过程产生的错误部位能够快速定位，极大方便了对模型的修改。

(4)在做剖面输出时，若需输出带颜色填充的剖面，网格面实体必须转换成wrl格式才能实现，步骤繁琐，且对于地质结构复杂或者网格边长＜10 m的地质体，输出的剖面效果并不理想。而曲面模型可以在曲面体与封闭曲面体之间自由转换，极大地提高了剖面输出的效率。

3 地表曲面模型

由于mesh网格面对细节修改更方便，所以一般先建立地表的mesh网格面，然后再转换成地表曲面。

3.1 生成地表mesh网格面

将地形数据导入CATIA中，在数字曲面编辑器DSE(Digitized Shape Editor)模块中对导入的点云进行修饰，删除错误点云，然后通过“Mesh Creating”命令生成地表的mesh三角网格面［2］。由于生成的地表网格面边缘部分会产生很多的多余网格，可以在生成mesh面时选择“2D Mesher”模式并输入合适的“Neighborhood”值，这样能够极大地减少多余网格面的数量，对多余的网格面需要手动删除，否则会影响后续步骤的顺利进行。

3.2 mesh网格面转换曲面

地表网格面修饰完成后进入快速曲面建模QSR(Quick Surface Reconstruction)模块，利用《Automatic Surface》命令即可生成所需的地表曲面，需要特别注意的是:表面细节(Surface Detail)参数应与原mesh网格面的三角网格数量保持一致，这样能保证所生成的曲面特征与原地形相吻合，最大限度减少转换过程中产生的变形误差［3］。

进入创成式外形设计GSD(Generative Shape Design)模块，用草图工具中绘制出所需区域的轮廓线，注意不能超出地表曲面的轮廓范围。利用凸台与分割命令对地表曲面进行分割即可得到地表曲面模型(图3)。

图3 地表曲面模型Fig.3 Surface curve model

4 覆盖层实体的生成

覆盖层是在地质建模中最先被剥离的地质体，是地质建模过程中关键的一步，直接影响到后续地质体建模的精确度。

4.1 导入地质界线

在GSD模块中利用地质工具中的“导入平切图”命令将CAD中覆盖层边界导入到CATIA中，然后用拉伸命令将草图沿Z轴拉伸成面并穿过地表，再用分割命令切割出覆盖层的地表投影面作为下一步变形的原始曲面。

4.2 覆盖层底面生成

覆盖层底面的生成需通过曲面或者mesh网格面的变形，CATIA 中的 GSD、Shape Sculptor、FreeStyle 模块提供了强大的曲面及mesh网格面变形功能，结合二次开发工具，用户可根据实际需要选择合适的命令去生成所需的曲面。

将切割出的原始曲面转换成mesh网格面，利用导入的钻孔及剖面数据通过“Mesh Morphing”命令生成覆盖层底面的网格面，然后用 QSR中的“Automatic Surface”命令即可得到所需的覆盖层底面。

当使用“Mesh Morphing”命令，遇到剖面、钻孔数据较多，地形变化较大，且变形区域不连续(如河道覆盖层)时，容易出现错误导致无法顺利变形，可以将自由边界转换成点之后再做变形就可以解决。

4.3 切割覆盖层实体

将生成的覆盖层底面提取边界，将边界沿Z轴方向拉伸成面，将拉伸面与底面接合后再使用“修剪”命令即可得到覆盖层的实体模型(图4)。将所有覆盖层剥离后的地表曲面可作为地层、断层、风化分界面建模的顶面或参照面。

图4 切割得到的覆盖层实体Fig.4 Overburden entity

5 地(断)层实体的生成

做地层实体分割时首先需要建立地层分界面，GSD模块提供了丰富的曲面编辑命令，可以很方便高效的获得所需的曲面。

5.1 生成地表地(断)层分界面

把平面地质图地(断)层界线导入CATIA后需要获取地表地(断)层界线，一般通过以下三种方式获得:

(1)利用GSD模块中的“投影”命令生成。

(2)将导入的平面地质界线拉伸成曲面并穿过地表曲面，再使用GSD中的“相交”命令提取拉伸面与地形面的交线即可得到地表地(断)层界线。

(3)将导入的边界线草图拉伸后对地表曲面进行切割，然后提取边界即可。

获得地表地(断)层界线后，根据原始平(剖)面图、钻孔数据等资料加入产状线，然后使用“多截面曲面”命令就可以生成地层分界面。

对于产状变化较大的地层，可以采用“多截面曲面”命令分段变形，然后采用“结合”命令即可形成完整的地层分界面(图5)。

5.2 地(断)层实体的生成

将得到地层分界面与地质体进行切割即可得到地层实体。生成断层实体的过程与地层相似。不同是需要根据断层的宽度创建断层两侧的分界面。

6 褶皱实体的生成

将褶皱的剖面线导入CATIA，在相邻剖面线之间建立引导线，在GSD模块下通过“多截面曲面”命令就可以很快创建出褶皱的地质结构曲面，最后按从上到下的顺序分层切割得到褶皱的实体模型(图6)。

图5 建立地层分界面Fig.5 Interface of formation

图6 褶皱的地质结构曲面与实体模型Fig.6 Folded geological structure surface and entity model

7 结语

曲面建模相比网格面建模具有建模更快速、效果更美观等特点，结合CATIA曲面建模过程互相关联的特性，能够更加高效的完成三维地质建模工作。通过曲面建模技术建立的三维地质模型可以形象直观的反应工程区域的地质条件信息，便于工程设计人员对工程地质情况的了解，可以解决传统二维地质模型中难以解决的问题，提高水利水电行业工程设计的水平与效率。

［1］ 李斌，宗志坚，郭莉莉.基于CATIA V5R20的水利水电工程三维设计应用教程［M］.郑州:黄河水利出版社，2011.

［2］ 张兵，李斌，吴伟功.CATIA在水利工程建模中的应用［J］.水利水电技术，2010，41(1):26 －28.

［3］ 何郑燕，刘洪涛.CATIA V5R20完全自学一本通［M］.北京:电子工业出版社，2011.

(责任编辑:陈文宝)

The Application of Surface Modeling Techniques Based on CATIA in 3D Geological Modeling

MA Danxuan，HAN Xu，SU Xiaoning，XU minghui
(Changjiang Water Resources Commission，Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan，Hubei430010)

CATIA platform has powerful capabilities of surface modeling，adopts the technology of the curved surface modeling.It not only can quickly create a overburden，stratums，fault，folding，such as complex geologic body，but also enable the rendering of model become much real and beautiful.

CATIA;surface modeling;3D geological modeling

TP39;P642

B

1671－1211(2014)02－0200－03

2013－06－19;改回日期:2013－10－25

马丹璇 (1984－)，男，助理工程师，硕士，计算机科学与技术专业，从事三维地质建模工作。E－mail:38259749@qq.com