目前，国内水利水电工程建设突飞猛进，工程地质勘察广泛开展，随着现代测量、信息获取和信息处理等技术不断进步，使得获取各种高精度数据成为可能，传统的地质信息管理及二维、静态的表达方式已不能满足繁重的设计任务［1－4］，因此，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描述地质构造的空间展布情况，已成为当前地质学及计算机科学研究的重要课题。伴随科学计算可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，为建立基于可计算信息的三维地质模型提供了有效的方法，并在此基础上实现人机可视化的交互分析与操作等。空间地质信息管理及三维可视化已经成为计算机在该领域应用的一个必然趋势［3，5］，不仅可以实现地质信息的规范存储、有效管理和高效应用，而且能够直观描述地下复杂的地质构造情况，形象地表达各构造要素的形态特征及空间关系，使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，为可视化分析和工程设计提供有效的支持［6］，同时使得处理繁重或相似性问题时的效率得到明显提高。对于地质信息三维可视化技术国外开展研究比较早，相应的理论和软件较为成熟，并在市场上得到开发应用［7］，国际上有一些公认的比较成熟的地质建模分析软件如GOCAD，EarthVision，Vulan，Landmark，Su-pac，Microlynx，GeoSec等。这些软件在油田勘探、石油开采和露天矿开采等领域得到了颇有成效的应用［8］，但其费用和硬件要求高，并且已有商业三维建模软件，或因“普适性”而不符合中国水利水电工程地质实际情况，或因较强的行业专属性，对地质的分析思维不同，致使工程地质分析存在一定差异，在水利水电行业难以得到推广使用［9－10］。国内总体技术水平相对较为落后，一些学者结合实际工程对地质信息三维可视化与分析也开展了一些应用研究，这些工作虽然取得了一定的成果，但对于更大区域、更复杂的地质构造和更高的地质分析需求，以及地质信息规范存储、管理和高效应用等方面存在一定的局限性。本文在总结前人工作的基础上，针对国际上地质体可视化技术的发展历程和应用现状，结合中国大型水利水电工程地质实际需求，采用国际先进的地质体模拟核心算法DSI和数据库技术研发了水利水电工程地质三维可视化系统(ItasCAD)。该系统由三个模块组成(图1)，这三个模块可以独立运行，分别满足地质信息管理、三维地质建模、三维模型应用三个方面的需要。
1地质信息管理
地质信息管理系统数据库结构和功能设计以工程地质工作实际需要为出发点，采用水平分类和垂直分级共同组成树形层次结构来组织地质数据，既体现了工程需要，也考虑了实际工作流程的应用方便。地质数据库是管理地质信息和实现三维可视化的基础，包括工程资源管理模块和文件管理模块，涵盖地质、勘探、物探和试验等资料，为全功能工程地质数据库管理系统。在数据库中可以对不同工程、不同阶段、不同工程部位的对象进行查询和统计，有效地实现数据管理和维护。系统功能设计思路及应用流程如图2所示。
1．1模块设计
地质信息管理系统由数据库、录入、成果输出、系统、程序等5个区块组成，每个区块内包含数量不等的图标命令(图3)，采用树形层次结构组织管理地质数据，实现所需要的操作。数据库具体功能设计上既服从现实工作流程的分工习惯，也打破了专业分工的制约。
1．2功能和特点
地质信息管理系统不仅具备传统数据库的数据存储、管理、查询统计等功能，而且具有生成钻孔柱状图和节理玫瑰花图的功能，并可以为地质三维建模和分析输出数据格式，实现了数据一次性输入，多次应用，大大提高日常工作效率。此系统开发过程中考虑了地质人员的工作性质，实现了离线和在线两种工作模式进行入库和管理，实现了数据库的分布式访问，其中离线操作方式方便野外地质人员在没有网络的情况下对工程现场调查和勘探数据及时入库，可以正常使用数据库查询、统计和成果输出等基本功能，有效地对地质信息数据进行管理;在线模式下管理员通过用户管理和角色管理赋予相应的工程和数据库操作权限来操作，有效地保证了数据的正确性和完整性，满足前方现场新采集数据向后方服务器数据库的更新。为方便三维地质建模，该系统可以实现勘探资料导入ItasCAD建模软件，具有很好的数据管理和入库检验的功能。地质人员登录地质信息管理系统建立工程并设置工程参数包括地层、岩性、结构面编号、结构面类型及填充类型等，根据数据库格式要求和三维地质建模需要录入不同阶段不同部位的钻孔、平硐以及试验数据等基本信息建立地质数据库。将钻孔和平硐勘探数据入库之后，利用“导入至ItasCAD”功能，实现钻孔和平硐的三维可视化显示和勘探数据的入库检验并运用到三维地质建模过程中。
2三维地质建模
2．1DSI建模技术
离散光滑插值技术(DiscreteSmoothInterpolation，以下文中简称为DSI)实际上在20世纪20年代就开始得到发展和应用［11－13］。在20世纪90年代法国科学家Mallet［14］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，广泛应用在采矿、石油等领域进行三维地质建模与分析。DSI作为目前国际领先的三维地质建模技术，它的优势在于唯有其能够准确表达复杂地质界面的非连续性和多值性?，且可以根据各种约束条件实时拟合构建复杂的(褶皱、透镜体)(图4)、非连续性(断层、覆盖层)(图5)的具有二元结构的地质模型，并且能根据地质勘探资料的变化进行实时修改和局部调整而不必重新建模。
2．2ItasCAD三维建模
ItasCAD是由依泰斯卡(武汉)工程咨询有限公司开发的、具有独立自主知识产权的三维地质建模与分析软件，为国内首款利用DSI技术作为地质建模内核的软件，与国际领先的地质建模软件GOCAD相比，具有操作简单实用、快速建模的特点。ItasCAD具有多种数据接口，可以与其他软件(比如AutoCAD、Mircosta-tion、Catia、GOCAD等)进行数据交换，还拥有完全独立的底层图形平台，可以根据用户需要开发各种三维可视化效果，使用方便，能满足各行业的需求。该软件提供三维非连续和多值性复杂地质模型的快速构建(比如断层、透镜体)以及各种约束工具进行地质界面的构建和编辑，针对地质工作特点定制开发了单一层面、覆盖层、断层错断、透镜体及二维工作面等5个建模“集成工作流”，以向导方式引导用户完成模型构建和编辑。这种workfollow的工作方式能利用现有数据方便快捷地建立三维地质模型，而避免了对建模数据准备的盲目性，极大降低了三维建模软件的应用难度。三维地质建模时首先将数据库中相关数据导入ItasCAD，根据实际建模需要选择相应的集成建模工作流，将数据库中所定义的地质界面(如地层界面、风化界面等)作为建模约束条件，采用DSI技术对层面进行拟合构建三维地质模型(图6)。建模过程以地质数据库为数据来源，随着勘探工作和地质人员认识的不断推进，可以实现地质模型的不断调整和及时更新，保证地质模型的准确性和实时性，能够体现地质工程师对地质体的认识过程。完成地质三维建模之后在二维工作面中可以实现剖面的局部调整，其结果自动反映在三维空间，即二维驱动三维模型，方便地实现了三维模型的校验和修改。
3二维图形输出
水利水电工程地质内业整理的重要任务之一是制作AutoCAD格式的二维地质图，如平面地质图、剖面地质图、平切面图等，传统的手工作业不仅效率低下，而且采用二维视角描述三维地质体不可避免地存在一些局限性，导致成果之间可能出现矛盾。采用ItasCAD构建三维地质模型以后，二维图形输出模块可根据不同设计方案中二维剖面线的布置输入或者导入坐标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、平切面图、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。经过实际工程的检验证明，二维应用模块可做到各二维图一次性符合实际生产标准80%以上，自动化应用大幅度地减少了地质工程师内业重复工作量，特别是以格式文本的方式保存和调入，批量输出图件极大提高了出图效率。图例符号也可实时调用地质信息管理系统中的定义，并与二维输出图件自动保持一致。
4应用实例
目前，该研究成果已在玛尔挡水电站、巴塘水电站、NN3水电站和镇安抽蓄水电站等十几个实际生产项目中应用，成果满足设计需求，软件运行稳定。ItasCAD系统在这些工程中的一些典型应用成果如图7所示。
5结语
针对国内水利水电工程地质信息三维可视化的实际情况，采用DSI建模底层技术和二元结构框架，结合数据库技术研发了地质信息三维可视化系统———Itas-CAD。该系统包含地质信息管理、三维地质建模、二维图形输出三个模块，可进行与工程设计密切相关的三维可视化分析，很好地实现了国际先进建模技术与中国水电工程地质实践需求的结合。通过工程实践证明具有以下功能:(1)可以实现不同工程地质信息的规范存储、有效管理和高效应用管理，同时为三维可视化提供数据支持;(2)以“集成工作流”向导建模方式引导用户完成复杂地质模型的快速构建并可根据各种约束条件对地质界面进行编辑，其建模过程简单，易操作，便于掌握应用;(3)模型完成之后可以根据设计需求进行地质开挖和方量计算;(4)可根据不同需求实现三维地质模型的任意剖切，批量输出符合地质出图规范的不同类型的二维地质图件，极大地提高了二维地质出图效率。
作者：张春峰 周小娟 贾新会 鲁博 李浩 单位：中国电建西北勘测设计研究院有限公司 湖北省地质调查院 依泰斯卡(武汉)咨询有限公司
相关专题：工程设计学报 电商对传统商业的冲击
