基于DSI插值的复杂地质体流程化建模技术在工程中的应用

贾新会，王小兵，张春峰，李 浩

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.依泰斯卡(武汉)咨询有限公司，武汉 430205)

基于DSI插值的复杂地质体流程化建模技术在工程中的应用

贾新会1，王小兵1，张春峰1，李 浩2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.依泰斯卡(武汉)咨询有限公司，武汉 430205)

介绍了当前国际领先的三维地质曲面建模技术，对比分析了算法的优越性，将算法引入到复杂地质体建模当中，结合工程地质工作流程与习惯，开发了流程化建模工具。巴塘水电站的成功应用证明，DSI算法适合非连续、非线性和具有二元结构的地质体三维建模。结合工程地质数据库，运用流程化工具建立复杂地质体三维模型，提高了工作效率，工作过程体现了地质工程师对地质体的认知过程，模型成果客观反映了地质对象的空间关系。关键词：DSI；复杂地质体；地质数据库；三维地质模型；流程化建模；巴塘水电站

0 前 言

随着计算机硬件性能的提高、三维可视化软件技术的进步[1-2]以及行业需求的发展，中国相关部门将地质内业工作方式从传统的二维转向了三维已成为常态化，如何利用地质勘探和空间分析获取的一系列空间离散数据来快速高效客观地反映地质构造的空间展布情况，成为复杂地质体三维建模的关键问题。因此，实现工程地质资料的数字化，建立工程地质数据库，选用最优插值算法——离散光滑插值算法(Discrete Smooth Interpolation，以下简称为DSI)模拟复杂地质体，建模过程方便灵活地融入地质工程师的判断意图，并流程化定制建模过程，实现地质资料的管理、分析、显示、传输和共享，对于及时、实用和有效地获得相关地质信息至关重要[3-5]。本文针对地质体建模的特殊性对比分析了离散光滑插值算法，结合西北勘测设计研究院工程地质三维工作开展状况，阐述了工程地质信息有效管理与应用、复杂地质体快速建模的实现方法，并在巴塘水电站做了实践应用。

1 DSI建模技术

DSI技术在20世纪20年代开始得到发展和应用，在20世纪90年代法国科学家Mallet[6-7]提出一个迭代算法并进一步总结形成了一套专门针对地质体建模及分析的理论，并在GoCAD中植入该方法，广泛应用于采矿、石油等领域进行三维地质建模与分析。

1.1 DSI基本原理

如果将地质界面视为离散化的不连续界面，地质点及地质勘探揭示的钻孔平硐等数据作为约束条件，DSI则是通过在这些约束条件下求解目标函数——全局粗糙度函数的最优解来得到符合约束条件的最优化地质界面。

定义三维地质离散模型Mn(Ω,N,φ,C)，其中，Ω是构成模型的所有节点;N是每个节点的领域点集;φ是每个节点的n阶矢量属性函数;C为每个节点的约束。

定义全局粗糙度函数：

(1)

(2)

其中:

(3)

式中：v,η∈N;α,β∈Ω;c∈C

根据实际约束条件可以得到不同条件下的约束系数，进而通过公式(2)迭代求解最优化的φ值。实际的约束条件包括钻孔揭示的界面位置、产状、断层断距及错动方向等，其中的约束可以分为硬约束和软约束。硬约束必须100%精确拟合，比如钻孔揭示的层面位置；有些是软约束，比如断层错动方向、推测的断距以及一些物探解译得到的界面位置等。这些可以根据具体勘探或物探的可信度赋予权重因子来进行拟合。根据钻孔资料应用DSI插值计算生成地质界面见图1所示。

图1 根据钻孔资料应用DSI插值计算生成地质界面图

1.2 DSI与克里金插值法的比较

克里金插值法[8]在地学里被广泛应用，中国的三维地质建模软件大部分基于该方法，与克里金插值法相比较，DSI具有如下优势：

(1) 可以非常容易地构建复杂模型，比如多值的透镜体、溶洞以及覆盖层等模型，克里金插值法则难以处理多值模型。

(2) 应用DSI技术的建模是一个不断完善和修正的过程，与地质体的勘探和认识过程完全一致，而一次性“死”网格的建模方式无法满足这一要求，如图2所示。

图2 DSI的建模是一个不断完善和修正的过程图

(3) 可以构建非连续模型，比如断层模型，如图3所示。DSI法可以很方便完成这类建模，克里金插值法则很难处理这类问题。

图3 采用DSI方法构建断层界面的非连续性模型图

(4) DSI的约束条件可以多种多样，并且可以在同一位置出现多个相同类型的约束；DSI技术还可以根据相同类型约束的不同权重因子来综合拟合该点的位置，比如在物探建模中，可以根据不同的物探方法解译得到的数据以及该物探方法的可信度权重因子来进行综合建模。

2 工程地质信息可视化管理平台简介

工程地质信息可视化管理平台是由中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司联合依泰斯卡(武汉)咨询有限公司共同开发推出的实用地质三维设计产品，简称ItasCAD，该平台包括了工程地质数据库、工程地质三维建模、工程地质应用等基本模块。

2.1 工程地质数据库

地质数据库结构和功能设计以工作需要为出发点，采用树形层次结构来组织地质数据，既体现了工程需要，也考虑了工作流程的方便应用。涵盖地质、勘探、物探和试验等资料。地质数据既可以满足三维建模和钻孔柱状图、节理玫瑰花图等统计图表输出的工作需要，也可以提供水电、BQ、RMR三种岩体质量分级方法所需要的单指标数据，是一个全功能工程地质数据库，即可以“一库多用”。

2.2 工程地质三维建模

ItasCAD是中国首款利用DSI技术作为地质建模内核的三维地质建模与分析软件，与国际领先的地质建模软件GoCAD相比，ItasCAD具有操作简单、实用的特点，特别是ItasCAD将工程地质中常见的几种建模分别开发为相应的建模流程，包括单一层面建模流程、透镜体建模流程、覆盖层建模流程、断层错动建模流程、二维工作面校核流程、物探建模流程等模块，使得一般地质工程师很容易上手操作。

2.3 模型成果输出

ItasCAD中开发了二维图件输出模块，可以在三维模型基础上快速输出地质平面图、剖面图、平切图等图件，解决了传统的手工作业效率低下的问题，且避免了采用二维视角描述三维地质体存在的一些局限性。

同时，ItasCAD还开发了多种数据接口，可以与其他软件(比如AutoCAD、Mircostation、Catia、GoCAD等)进行数据交换，方便和满足多行业的工程应用需求。

3 应用实例

3.1 工程简介

巴塘水电站为金沙江上游河段13级开发的第9级水电站，电站装机容量为750 MW，多年平均发电量33.93亿kWh(联合)，水库正常蓄水位2 545.00 m，死水位2 541.00 m，总库容1.58亿m3，属Ⅱ等大(2)型工程。坝址区河床覆盖层深厚，颗粒组成以砂卵砾石为主，间夹含泥砾中粗砂、含泥砾中细砂透镜体。坝基岩体卸荷、松动，地形凸起，岩体破碎，F50断层破碎带宽15 m左右，F11为雄松-苏洼龙断裂的分支断层，陡倾岸外发育。

3.2 工程地质数据管理

针对不同工程阶段、不同工程部位分别录入钻孔、平硐以及物探和试验等基本信息，建立了巴塘水电站地质数据库，利用“导入至ItasCAD”功能，实现钻孔和平硐的三维可视化显示及勘探数据的入库检验，并运用到三维地质建模过程中。

3.3 工程地质建模

(1) 单一岩层建模

将数据库中钻孔、平硐、地质点等数据导入ItasCAD，结合地形测绘资料定义建模范围并创建勘探资料的中值面，以测绘数据为模糊约束、勘探点数据为精确约束进行离散光滑插值运算(DSI)构建如地层、风化、地下水等地质界面的基本形态，对比参考面进行局部修改并裁剪处理建立单一界面。

(2) 覆盖层建模

首先根据已知资料选择覆盖层参考面或导入勘测的覆盖层露头线，将钻孔揭露界限作为精确约束，同时根据地质人员推测覆盖层深度定义最大、最小厚度值作为模糊约束建立覆盖层界面，执行离散光滑插值(DSI)运算构建覆盖层面模型。建模过程除充分利用已知勘探资料外，还可以人工干预。

(3) 结构面建模

将二维平面图中结构面迹线导入至ItasCAD并投影到覆盖层下底面，若该区域没有覆盖层可直接将断层迹线投影到地形面，在面对象中选择“线与产状”命令，根据产状信息创建结构面模型。结构面模型如图4所示。

图4 坝址区断层模型图

(4) 透镜体建模

从数据库导入透镜体勘探控制点，选择要建立的透镜体对象→生成中间面→加密中间面→勾画要建立透镜体的范围界限，对边界线进行适当移动、插入节点、加密边界、光滑边界线等操作，点击下一步

生成初始透镜体，通过网格加密调整网格密度，输入迭代步数，将勘探点设置为精确约束，然后进行拟合计算，逐渐加密细化，生成透镜体，建模过程既遵从勘探资料又符合地质认识过程。

(5) 模型局部修改(二维工作面)

此项工作主要是针对模型校审，根据校审人员的认识，实现对勘探点之间模型进行动态修改，修改结果自动反映在三维空间，适用于对模型小幅度调整。基本流程为：任意定义二维工作面位置→定义二维工作面影响范围→在剖面上移动任意部分节点进行模型调整。调整过程中将勘探点设置为精确约束，避免修改时影响到勘探点部位的精度。二维剖面驱动三维面模型，方便了审验和校核，很好地保证了三维模型的实时更新和模型的精确度。

3.4 二维图件输出

根据不同设计方案中二维剖面线布置图，输入或者导入剖面端点数据，实现三维地质模型任意剖切，批量输出符合地质出图规范的二维地质图，包括地质剖面图、平切图、平面图以及等值线图等不同类型图件。二维出图时可以根据规范要求对每一个对象属性进行定义或将数据库中属性更新至二维剖面，然后导出DXF格式文件。巴塘水电站坝轴线工程地质剖面见图5。

图5 坝轴线工程地质剖面图

4 结 语

(1) DSI插值算法作为目前国际上领先的三维地质体建模技术，不同于中国常用的克里金插值法，特别适合非连续、非线性和具有二元结构的地质体三维建模。建模过程也能够体现地质工程师对地质体的认识过程，即，随着地质勘探数据的增多，地质模型能局部调整并逐步完善。

(2) DSI插值算法被应用到专业地质三维建模软件I中小型工程项目急性高原病防治体系的建立tasCAD中，设计成各种建模流程，配合定制的工程地质数据库、二维校核与出图模块，提供给地质工程师，使得勘探数据的利用、工程地质三维建模、二维图件制作等工作变得快速高效。

(3) 巴塘水电站的成功应用证明，ItasCAD平台适用于水电工程地质领域三维建模及地质分析，具有极高的推广价值。

(4) ItasCAD已经具备了地质体几何建模方面的几乎全部功能，后续开发的基于三维地质体模型的分析应用功能，如岩体质量分级、卸荷带定量划分、硐室和边坡工程的稳定性计算、水电施工与运行期监测预警等模块将极大地拓展平台的应用范围，提升地质勘探数据及模型的应用价值。

[1] 朱良峰,吴信才,刘修国.基于钻孔数据的三维地层模型的构建[J].地理与地理信息科学, 2004 (03):28-29.

[2] 石勇,杨鹏,吕文生.一种新的断层构造三维建模技术[J].矿业工程,2006(04):53-55.

[3] 贾新会,王小兵,曹文广.基于GoCAD平台的地质三维建模技术在水电工程中的应用[J].西北水电,2012(04): 26-30.

[4] 张春峰,王小兵,贾新会.水电工程地质信息管理系统研究[J].西北水电,2016(01):14-17.

[5] 张春峰,周小娟,贾新会等.水电工程地质信息三维可视化研究及应用[J].资源环境与工程,2015(05):726-130.

[6] Mallet,J.L.Discrete Smooth Interpolation in Geometric Modeling[J].Computer-Aided Design,1992,24(04):177-191.

[7] Mallet,J.L.Geomodeling[M].New York:Oxford University Press, 2002:600.

[8] 王靖波,潘懋,张绪定.基于Kriging方法的空间散乱点插值[J].计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(06):525-529.

Application of DSI Interpolation Based Flow Modeling Technology for Complicated Geological Mass in Engineering

JIA Xinhui1, WANG Xiaobing1, ZHANG Chunfeng1, LI Hao2

(1.Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Itasca (Wuhan) Consulting Co., Ltd., Wuhan 430205,China)

The world advanced modeling technology for 3D geological curved surface is introduced and the method advantage is analyzed as well. This method is introduced to the modeling of the complicated geological mass. The flow modeling tools are developed in combination of the engineering geological flow and habits. The successful application of the technology in Batang Hydropower Project proves that DSI method is applicable to the 3D modeling of the discontinuous, nonlinear and dualistic structural geological mass. In Combination with the engineering geological database, the work efficiency is improved by application of the flow tools to establish the 3D model of the complicated geological mass. The work process displays the recognization of geologist to the geological mass. The modeling accomplishment reflects the spatial relationship of the geological objects.Key words:DSI; complicated geological mass; geological database; 3D geological model; flow modeling; Batang Hydropower Project

1006—2610(2016)06—0090—04

2016-08-25

贾新会(1979- )，男，甘肃省宁县人，工程师，从事工程数字化工作.

科研项目：地质三维设计及信息化管理研究(XBY-2012-003).

P642.4;TP391.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.023