1前言
現有的地理信息系統(GIS)主要表達二維地表特征的圖形和屬性信息，但向真正的包含地下地質構造的三維地質信息系統擴展仍有差距。壹個大型的地質工程項目，從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段，甚至到項目的建設運行階段，往往積累了大量的地質資料。用三維模型圖形和圖像來表達和解釋如此龐大的數據，比單純依靠數據庫、圖表、圖紙等傳統手段要有效得多。建立工程地質體的三維模型，處理巖石界面與結構面的組合關系，逼真地反映地下主要地質構造的全貌，將為工程地質學家分析研究工程地質現象，發現和掌握巖土體的結構規律提供壹種全新的研究手段和方法。
國外三維地質建模與可視化研究發展迅速。加拿大阿波羅科技集團開發的三維建模與分析軟件MicroLYNX，通過對離散點采樣、鉆孔采樣、溝槽采樣等空間數據進行處理，生成剖面、塊體、表面等模型，確定礦床分布和品位變化，計算礦產儲量。加拿大Gemcom軟件國際公司開發的Gemcom軟件通過鉆孔、點、多邊形等數據顯示鉆孔分布，使用實用的圖形編輯和生成工具，利用不規則三角網建立表面和實體模型，利用多義線圈閉合巖層和礦體邊界分析儲量和品位，提供交互式操作功能，允許用戶根據自己的經驗和專家知識繪制地質模型，實現實體或實體與表面之間的任意剖切觀察、相交和布爾運算。國外軟件主要針對采礦工程，能較好地滿足采礦工程活動中礦產資源勘查評價、地下礦山和露天礦山設計規劃、礦產資源管理和采礦生產管理的需要。美國Kinetix公司開發的3D Studio MAX、Alias/Wavefront公司開發的Maya、微軟公司開發的Softimage等流行的三維建模軟件，在構建工業和建築模型、動畫制作等方面有其獨到之處，但交互查詢功能較弱，與工程勘察數據庫結合應用於工程地質三維建模還有很長的路要走。
張巨明等人對風化帶分布、多層地層等地質信息的可視化、斷層錯動地層的表達與顯示算法進行了深入研究，為工程地質三維可視化軟件的開發奠定了數學基礎，並借助AutoCAD平臺實現了復雜三維地質圖形的顯示。國內的圖靈VRMap地理信息系統軟件具有強大的地形模擬和地物查詢功能，但不是真正的三維地質建模工具。Titan三維建模軟件由北京東方TITAN科技有限公司開發，基於框架建模的思想，利用平行或基本平行的輪廓數據，建立三維空間中復雜物體的真三維實體模型。但目前還只是初步的三維建模和圖形處理引擎，專業模塊，比如工程地質模塊，在面對具體學科時還需要增加或擴展。
縱觀國內外幾款軟件的研發現狀，為工程地質三維建模和可視化奠定了良好的技術基礎，提供了寶貴的開發經驗。而工程地質學中對地質體的建模和可視化分析針對性不足，無法滿足工程地質生產和研究的專業功能需求。因此，本文將從工程地質三維建模與可視化的關鍵技術問題分析入手，簡述作者在工程地質三維建模與可視化方面的初步開發和研究成果。
2關鍵技術問題分析2.1離散數據的插值與擬合
工程地質復雜地質體中的各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節理、風化帶分布、侵入體以及各種地球物理、地球化學和巖土體的物理力學參數或數據的等值面(線)，都可以看作是三維空間中的函數。它們的擬合函數要根據實際調查數據來建立，實測數據越豐富，越能真實地描述這些信息的空間分布規律。單值曲面的圖形生成，如曲面地形測量數據和地下水位測量信息，可歸結為兩個獨立變量的離散數據的插值和擬合。對於多值曲面，如反褶曲和空間等值面，應采用多參數變量插值等其他復雜方法。空間曲面插值函數的構造方法有以下幾種，如與距離成反比的加權法(Shepard法)、徑向基函數插值法(Multiquadric method) [3]、平面彈性理論插值法等。它們也適用於單個連續的地層界面、地球物理勘探數據、地球化學勘探數據以及巖土物理力學參數在地質空間的分布。
2.2三維數據結構
工程地質體壹般是不規則體。在計算機圖形學中，曲線和曲面總是用許多微小的直線和微小的三角面來近似模擬地層巖性邊界和巖石面，即巖石界面(以及曲面曲線、地下水位等地質邊界線)和巖石面分別是許多微小直線和微小三角面的集合。地質體的三維空間數據結構是工程地質三維建模和可視化的基礎，需要壹個有效的層次化三維數據結構來保證人機交互和查詢的實現。
2.3表面相交
地質體中存在大量的各種層次，當河谷地表有不整合、斷層錯動巖層、地層尖滅、地下水出露時，自然會出現曲面相交的問題。地質體三維模型的上邊界為地表，用數學方法擬合的巖石水位或地下水位不應超過地表，即超出部分不應顯示。同樣，在顯示多個地層時，下面的每個地層都應該以上面的地層為界。因此，為了可視化地層界面，需要解決地層平面與地表、斷層面與其他地層平面的相交問題。另壹方面，當繪制剖面時，通過顯示剖面(平面)與各種地質界面(表面)相交而獲得的交線來繪制地質邊界。因此，面的相交包括地質界面(層)之間的相交和地質界面與剖面之間的相交。
2.4三維拓撲結構分析
從地質學的角度來看，拓撲是地質對象之間的關系表，拓撲表存儲了層間的上覆、下伏、相交(斷層切割地層的拓撲表達)等地層關系和地質空間位置關系。拓撲也可以看作是壹種數據結構，允許這些地質關系得到合理的存儲。例如，考慮多層地層，上壹層地層的底面和下壹層相鄰地層的頂面是兩個實體的公共或共享邊界，它們之間的拓撲關系是相鄰且相同的關系。在存儲數據時，只存儲前壹個地層的底面或下壹個相鄰地層的頂面，即相鄰地層的邊界面可以存儲為壹個地層面，這就大大降低了數據存儲容量。評價地質模型系統的優劣往往取決於用來描述地質對象的拓撲結構[4]。
2.5可視化技術
工程地質中復雜地質體的可視化是利用計算機技術將工程測量獲得的數據轉化為地下地質構造的立體圖和剖面圖，直觀方便交互分析，其基礎是工程數據和測量數據的可視化[5]。可視化技術可以從龐大的地質調查數據中構造出邊緣破壞穩定性、地下洞室變形破壞等在地質工程中起關鍵作用的巖層和結構面，並顯示其範圍、走向和相互交叉關系，可以幫助工程地質學家正確解釋原始數據，進而為工程地質分析中的具體問題提供決策支持。
3工程地質三維可視化技術的初步開發與應用3.1研究框圖
工程地質中復雜地質體三維建模與可視化研究框圖如圖1所示。
基於離散采樣數據插值擬合的思想，即將離散數據轉化為連續的曲線曲面，工程地質中復雜地質體三維建模與可視化的過程是從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置和巖土體的物理力學參數，通過不同的擬合和插值函數，獲得地質層(面)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達研究區內地質信息的分布規律。生成地質巖層和地質實體後，可以從任意角度觀察所建立的模型，根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。
3.2初步開發與應用3.2.1工程測量空間數據庫管理
收集整理野外測量數據後，錄入金沙江某水電工程測量空間數據庫的分項數據表。這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，還提供屬性數據。
以地層巖性數據表為例，需要輸入鉆孔號、地層起始深度、地層終止深度、層厚、巖性(地層名稱)、地層編碼(地層時代)、地層走向、地層傾角、地層傾角、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程測量的進展，測量數據的修改、補充和管理變得非常方便。圖2是工程測量數據庫中鉆孔地層系統數據表的管理界面。
3D瀏覽
通過對孔口坐標、測量數據等離散數據的擬合和插值，繪制出壩址區右岸地表網格(圖3)，然後可以在三維圖形環境中進行虛擬現實瀏覽和觀察(圖4)。
3.2.3三維地質立體圖
根據工程勘察資料，建立壩址區右岸三維地質圖。壩址區地層巖性組合自上而下依次為:第四系崩積物、侏羅系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、三疊系厚~巨厚層狀細~中粒砂巖、三疊系薄~中厚層狀細紗、粉砂巖、三疊系中厚~厚層狀中粗砂巖。通過有限的工程測量數據獲得的赤平圖能更好地滿足工程地質的精度。圖5為壩址區右岸三維地質圖。
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