陳 兵 朱泳標 張 燕

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2. 成都理工大學， 成都 610059)

BIM技術具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性、模擬性等特點，在地質行業(yè)逐步得到了推廣和應用。三維地質模型是地質BIM技術應用的核心，同路基、橋梁、隧道、站場等專業(yè)的計算模型建模相比，具有地層分界面不規(guī)則、地質認識的多解性、地質數(shù)據(jù)多樣性、約束條件多等特點。在建模過程中，需考慮地質體平面出露界線與地質剖面界線的空間耦合性、地質成因上的合理性等條件。因此，選擇適合的地質建模平臺極為重要，既能表達地質對象的拓撲結構、幾何結構及屬性信息，還需具備融合多源數(shù)據(jù)及地質模型動態(tài)更新的能力。

EVS(Earth Volumetric Studio)建模系統(tǒng)是應用于地球科學領域的3D建模軟件[1]，此軟件基于數(shù)據(jù)驅動，采用拖拽式功能模塊，靈活定制工作流，具有數(shù)據(jù)可視化及模型動態(tài)更新的特點，能較好地滿足地質建模的需求。隨著BIM技術的推廣，EVS地質建模平臺在越來越多的項目中得到運用，本文通過對EVS地質建模平臺的建模理論介紹及應用方法總結，為使用EVS地質建模平臺的地質技術人員提供參考。

1 EVS建模理論

EVS地質建模平臺提供了多種空間插值方法和網(wǎng)格類型，根據(jù)選定的插值方法和網(wǎng)格類型可實現(xiàn)仿真三維地質體數(shù)據(jù)建模、分析及可視化，并可基于仿真三維地質模型制作動畫展示。

1.1 插值方法

地質模擬中所用的數(shù)據(jù)主要為空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)插值法是常用的插值處理方法之一[2]，用于估計網(wǎng)格中與原始數(shù)據(jù)點不重合的節(jié)點數(shù)據(jù)。EVS主要提供了以下七種空間插值方法：克里金(Kriging)法[3]、自然鄰點(Natural Neighbors)法、最近鄰點 (Nearest Neighbor) 法[4]、樣條(Spline)法[5]、謝別德(Shepard)法、改進謝別德(Franke/Nielson)法[6]、徑向基函數(shù)(FastRBF)法[7]，根據(jù)地質數(shù)據(jù)分布特征采用不同的空間插值方法。

1.2 網(wǎng)格類型

EVS地質建模平臺支持矩形線性網(wǎng)格、有限差分網(wǎng)格、凸包網(wǎng)格、自適應網(wǎng)格等多種網(wǎng)格類型。

1.2.1矩形線性網(wǎng)格

矩形網(wǎng)格是最簡單的網(wǎng)格類型之一，網(wǎng)格坐標軸平行于坐標系坐標軸，單元格大小和方向均為固定設置，通過網(wǎng)格的坐標范圍即可計算所有節(jié)點的位置，網(wǎng)格的連接性直接可以用隱式表示。矩形線性網(wǎng)格易于創(chuàng)建且具有二維平面單元和三維體積單元的均勻性，如圖1所示。

圖1 矩形線性網(wǎng)格圖

1.2.2有限差分網(wǎng)格

矩形線性網(wǎng)格由于每個網(wǎng)格的大小和方向都是固定的，在進行某些數(shù)據(jù)插值時，會產生大量外插沒有意義的區(qū)域，增加插值計算時間，這種不足在鐵路、公路等線狀工程建模中尤其突出。而有限差分網(wǎng)格可以調整網(wǎng)格間距，在保證網(wǎng)格方向一致的情況下可對所有網(wǎng)格進行旋轉，如圖2所示。

圖2 有限差分網(wǎng)格圖

1.2.3凸包網(wǎng)格

相對于矩形線性網(wǎng)格和有限差分網(wǎng)格，凸包網(wǎng)格并不規(guī)整，每個單元都可以是不一樣的大小和方向，二維空間中一組點的凸包即為包含該集合的最小凸區(qū)域。使用凸包網(wǎng)格的模型所有點均可內插。其最大優(yōu)勢在于可以保證整個模型的每個地方都是內插，如 圖3所示。

圖3 凸包網(wǎng)格圖

圖4 自適應網(wǎng)格圖

1.2.4自適應網(wǎng)格

當需要把每個原始數(shù)據(jù)點或者鉆孔都放在網(wǎng)格節(jié)點上時，上述3種網(wǎng)格類型都很難做到。而自適應網(wǎng)格可以在保證計算效率的基礎上，又可滿足所有原始數(shù)據(jù)點落在節(jié)點上。自適應網(wǎng)格如圖4所示。從圖4可以看出，在原始數(shù)據(jù)點處增加了1個節(jié)點，模型對該節(jié)點所在的網(wǎng)格進行了細分。

2 EVS數(shù)據(jù)類型

2.1 地質數(shù)據(jù)

地質數(shù)據(jù)具有多源異構特征，很難用一種統(tǒng)一的格式進行描述。在EVS平臺下，可采用兩種方法去描述地層信息：一種是包含鉆孔數(shù)據(jù)的鉆孔地層信息，數(shù)據(jù)文件格式為PGF；一種是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進行了地質解釋的層序地層信息，數(shù)據(jù)文件格式為GEO或GMF。

(1)PGF文件

PGF文件可利用EVS的PGF制作工具，將鉆孔編錄信息轉換成PGF格式，每個部分代表單個鉆孔的巖性。其格式如下：

Elevation "1|Silty Sand" "2|Clay" "3|Gravel" m

162

630438.60 4272028.71 31.95 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 22.46 1 CSB-1

630438.60 4272028.71 21.57 2 CSB-1

630438.60 4272028.71 -0.70 3 CSB-1

……………

第一行數(shù)據(jù)依次定義了分層位置(采用高程或深度模式)、巖性序號、巖性定名和單位；第二行為數(shù)據(jù)區(qū)行數(shù)；第三行及以后為數(shù)據(jù)區(qū)，包含鉆孔東坐標、鉆孔北坐標、巖性分層高程或深度、巖性序號和鉆孔編號。若第一行定義為深度模式，須在數(shù)據(jù)區(qū)鉆孔編號后增加鉆孔高程數(shù)據(jù)。

(2)GEO文件

GEO文件以PGF文件為基礎數(shù)據(jù)，利用make_geo_hierarchy模塊通過人機交互的方式創(chuàng)建而成。GEO文件包含一系列對垂直鉆孔分層巖性及分層位置進行空間插值運算取得的透鏡體和傾斜地層的地層巖性和位置數(shù)據(jù)。其格式如下：

X Y Top Bot_0 Bot_1 Bot_2 Bot_3 Bore

Elevation "Silty Sand" "Silty Sand" "Clay" "Gravel" m

45 4 1 1 2 3

630438 4272028 31.9 22.4 21.5 -0.7 "CSB-1"

630874 4271975 30.7 21.6 11.8 -0.7 "CSB-10"

630875 4272007 30.4 21.1 13.2 -0.7 "CSB-11"

………………

第一行數(shù)據(jù)依次定義東坐標、北坐標、第一層頂面名稱、第一層底面名稱、第二層底面名稱、鉆孔編號；第二行數(shù)據(jù)定義了分層位置為高程或深度模式及各分層面巖性定名；第三行數(shù)據(jù)依次描述了數(shù)據(jù)行數(shù)、巖性分界面?zhèn)€數(shù)、各分界面序號；第四行以后為各鉆孔在對應巖層面上的點數(shù)據(jù)描述，若分層數(shù)據(jù)缺失，用pinch表示。

(3)GMF文件

GMF文件以PGF文件或GEO文件為基礎數(shù)據(jù)制作而成，包含一系列用于定義地層各分層點的數(shù)據(jù)。GMF文件不限于垂直鉆孔，每一層都可有任意數(shù)量的坐標點，需要采用插值算法來處理透鏡體和傾斜地層。其格式如下：

units m

surface 0 Top

11086.5 12830.7 4.5

11199.0 12810.2 4

…………………

第一行定義數(shù)據(jù)單位；第二行定義層面序號及名稱；第三行以后為數(shù)據(jù)區(qū)，包含東坐標、北坐標、高程。

2.2 屬性數(shù)據(jù)

在地質數(shù)據(jù)中，除巖性數(shù)據(jù)、構造數(shù)據(jù)外，還有密度、孔隙度、電導率、重力、溫度、地震、電阻等物探數(shù)據(jù)，污染物濃度、鹽度、浮游生物密度等環(huán)境數(shù)據(jù)，以及如地下水位的變化、地形變化等帶有時間效應的數(shù)據(jù)。針對這些屬性數(shù)據(jù)可以選用合適的插值方法進行三維屬性建模。EVS中采用兩種不同的 ASCII數(shù)據(jù)格式來表示屬性數(shù)據(jù)，具體格式如下：

(1)APDV：一種空間點數(shù)據(jù)格式，表示在某一點進行測量的分析數(shù)據(jù)。其格式如下：

XYELEV@@1-DCA 1-DCE TCE VC SITE_ID

Elevation m

50 4 mg/kg ug/kg ug/kg mg/kg

12008 12431 22.9 22 ND 500 <0.01 CSB-39

12008 12431 18.9 <0.01 <0.01 2800 <0.01 CSB-39

12008 12431 13.4 <0.01 <0.01 290 <0.01 CSB-39

………………

第一行數(shù)據(jù)依次定義東坐標、北坐標、高程 、數(shù)據(jù)項1、數(shù)據(jù)項2、……、點編號；第二行定義分層位置高程模式及單位；第三行依次定義數(shù)據(jù)區(qū)行數(shù)、數(shù)據(jù)項個數(shù)、數(shù)據(jù)項單位；第四行以后為數(shù)據(jù)區(qū)，若分析數(shù)據(jù)未檢出，用“ND”表示。

(2)AIDV：一種空間區(qū)間數(shù)據(jù)格式，表示在某一段高程(深度)范圍內測量的分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)格式與APDV格式數(shù)據(jù)類似，區(qū)別在于把某一點的高程用某一段的起始高程來表示。

3 EVS建模方法

EVS內置上百個功能模塊，用戶可根據(jù)需求進行模塊組合，靈活定制工作流，實現(xiàn)各種功能。地質實體的幾何形態(tài)建模是建立地質體結構模型，為構造建模。地質實體內部屬性參數(shù)的建模是建立地質體內部物理、化學屬性參數(shù)模型，為屬性建模[8]。

3.1 構造建模

EVS主要有地層建模和巖性建模兩種基本方法，在建模時這兩種方法可以相互套用，進行混合建模，也可加入地質剖面作為建模約束條件，進行剖面建模，以滿足實際需求。

圖5 地層建模流程圖

3.1.1地層建模

地層建模適用于地層層序比較清晰、地層新老關系比較明確、鉆孔分層相對簡單的情況，根據(jù)地質平剖面界線以及鉆孔分層數(shù)據(jù)建立地層分界面，用地層分界面模擬出地質體，地層建模流程如圖5所示。該方法在人機交互層面劃分過程中結合了地質人員的認識，優(yōu)點是建模過程中插值速度快，缺點是對于透鏡體分布較多及溶洞、采空區(qū)等多Z值地質體的表達能力差。

3.1.2巖性建模

巖性建模適用于地層無新老關系、鉆孔分層復雜、層序不能一目了然或存在不規(guī)則巖體、脈體、巖溶、采空區(qū)等多Z值地質體的情況，采用克里金法和隨機模擬法等統(tǒng)計方法，根據(jù)已知巖性的分布位置，計算出各種巖性在空間上的分布概率，其本質是地統(tǒng)計學的數(shù)值模擬，巖性建模流程如圖6所示。該方法優(yōu)點可實現(xiàn)程序化工作，無需人工干預，缺點是數(shù)值模擬結果可能會出現(xiàn)與地質認識不符的情況。

圖6 巖性建模流程圖

3.1.3混合建模

多數(shù)地質條件表現(xiàn)為無序分布，這種情況下就需要先進行主層的地層建模，再進行亞層的巖性建模，最終建立區(qū)域內的地質模型，如圖7所示。

3.1.4剖面建模

在鉆孔比較少的地質區(qū)域，需添加輔助剖面，可把輔助剖面作為建模的層位約束條件，其建模流程如圖8所示。

3.2 屬性建模

地質建模除表達地層巖性分布特征外，還需進一步根據(jù)區(qū)域內電阻率、溫度、地應力等屬性數(shù)據(jù)建立三維屬性模型。EVS根據(jù)屬性數(shù)據(jù)文件，利用krig_3d模塊選用相應的插值方法對屬性數(shù)據(jù)進行插值建立三維屬性模型，如圖9所示。

4 結束語

EVS是一個可進行仿真三維地質建模的平臺，結合地質數(shù)據(jù)分布特征， 選用合適的空間插值方法及網(wǎng)格類型，根據(jù)不同地質條件選用相應的建模方法及流程進行地質建模，可真實反映地質構造形態(tài)、構造關系及地質體內部屬性的變化規(guī)律，以及查看地質體模型內部地質結構及屬性的分布，對于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞等特殊地質體也有很好的處理能力。

圖7 混合建模流程圖

圖8 剖面建模流程圖

EVS可與ArcGIS、Revit、Civil 3D等軟件進行數(shù)據(jù)交互，進而建立地上、地下一體化實景模型，實現(xiàn)三維地質模型對不同來源、不同維度、不同類型、不同精度的地質數(shù)據(jù)的無縫整合與同化，這也是大數(shù)據(jù)時代對地質勘探信息處理的必然要求[9-10]。EVS目前在鉆孔數(shù)據(jù)、平面地質界線、剖面數(shù)據(jù)等多條件約束下的建模過程智能化等方面尚存不足之處，有待進一步改進。

圖9 屬性建模流程圖