工程地質空間多場耦合構模技術研究論文
摘 要：現有的三維地質模擬技術沒有考慮地質空間幾何結構場與屬性參數場之間的耦合關系，從而限制了計算機模擬結果的真實性和實用性。工程地質空間多場耦合構模問題已成為制約三維地質模擬技術深入發展應用的瓶頸。在綜合國內外研究現狀與發展趨勢的基礎上，提出了工程地質空間多場耦合構模的總體研究框架和基本工作流程，給出了研究過程中所遇到的主要科學問題的解決思路或實現方案，并通過實例說明地質體多場耦合模型在三維地質建模及可視化系統中初步實現后的效果。這些研究成果為建立一套完整的地質體多場耦合構模理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于推動工程地質數字化建模分析技術的深入應用。
關 鍵 詞：三維地質模擬;工程地質場;地質結構模型;地質屬性模型;耦合構模1 引 言在大型工程建設項目的勘察、規劃、設計、施工階段，都需要盡可能多地掌握地下工程地質環境的準確信息，盡量精確地刻畫工程地質體的幾何結構特征以及地質體內部屬性參數(包括物理、化學、水文地質、工程地質等屬性特征)的變化規律[1-4]。
傳統地使用二維紙質地圖和數字化 CAD 圖件來表達工程地質信息的方式已很難滿足實際應用的要求[5]，需要綜合應用 GIS、空間數據庫、三維可視化和計算機圖形圖像等技術進行工程地質體的三維建模及可視化分析，以直觀、形象的三維可視化圖形圖像形式表達工程地質空間中構造單元的時空展布特征及其內部屬性參數的時空分布規律，實現工程地質信息從二維表達形式向三維甚至四維表達形式的升華，將以往僅僅蘊涵于地質工作者腦海中的工程地質體直觀形象地展現在地質工作者、規劃設計師、巖土工程師乃至非地質專業的管理、決策人員面前。這不僅能使地質工作者在研究過程中非常容易地表達、驗證和修改自己建立的地質認識，而且能夠在其基礎上進行定量的可視化空間分析和專業應用，最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，做出符合地質現象分布變化規律的工程設計與施工方案，減少人類對地質問題認識的盲目性以及地下工程設計、施工面臨的巨大風險，為制定科學合理的地下空間開發利用方案提供基礎地質資料和決策依據。
近 20 年來，工程地質三維模擬技術已引起地球科學界和實際工程界的廣泛關注，并成為具有國際前沿性質的研究熱點[1-2]。在地質工作者、計算機專家和 GIS 研究人員的共同努力下，一系列用于精確刻畫地下工程地質體結構特征的三維地質建模及可視化分析技術相繼開發出來并在實際工程中得到應用[1]，初步顯示了三維地質模擬在工程地質空間重構、分析與表示、過程模擬等方面具有巨大的潛力和價值。然而，隨著地下空間勘探開發的不斷深入，對工程地質體的建模分析工作提出了更高的要求，早期的只建立簡單的幾何結構構造模型的三維地質模擬技術，已無法滿足實際綜合地質研究工作的需要[4-5]。實際工作中不僅需要準確地描述工程地質體的幾何形態，更需要準確地描述地質體內部非均質分布的物理、化學、水文、工程等屬性特征，甚至需要將兩者耦合起來進行各種定量的空間分析和專業應用。地下空間勘探開發的實際應用需求推動了三維地質建模及可視化分析技術的發展，使得建立實用、可靠的地質體幾何結構構造和屬性參數特征耦合模型成為三維地質模擬技術必然的發展方向。
2 國內外研究現狀與發展趨勢
工程地質三維模擬研究是一個集合了基礎地質學、工程地質學、巖土工程學、地球空間信息科學和計算機科學等多學科的交叉領域。近 20 年來，國內外在工程地質三維模擬方面的研究主要集中在三維地質模擬的理論基礎、實現技術、實際工程應用等 3 個方面。
(1)在工程地質三維模擬的理論基礎方面，主要是基于工程地質空間認知、劃分、映射、表達的要求，研究適合于三維地質模擬的空間數據模型及其數據結構。
(2)在工程地質三維模擬的實現技術方面，主要研究三維地質模擬的體系結構和三維地質模型重構的具體方法。一般將三維地質模擬劃分為地質數據處理、地質實體建模、模型分析與應用(包括屬性建模、空間分析、其他應用等)3 個階段[6]。現有的三維地質建模方法可分為 2 類：一類是用于重構地質體空間幾何形態的地質結構建模方法[7-10];
另一類是用于地質體內部屬性參數特征三維重構的地質屬性建模方法，如：以空間插值為基礎的確定性屬性建模方法;以隨機模擬為基礎的不確定性屬性建模方法[4]。
(3)從實際應用上來看，地質體三維建模與可視化分析是工程界長期的需求。基于地質概念的工程地質三維實體模型能夠定量地分析地質單元結構形態及其屬性特征，為深入認識工程地質現象和地質過程提供新的手段和視野。在 20 世紀 90 年代中期，很多地質專家和工程人員就認同了三維地質模擬的概念和作用，并開展了一系列探索性的應用研究工作。但現有的三維地質模擬技術多是以對地質體幾何結構構造的直觀描述和空間展示為主，主要應用于地下地質體的幾何表示、地質屬性參數空間不均一性的可視化顯示、數值模擬模型的前處理和后處理等有限的幾個領域[3]，更深層次的定量分析應用則很少，工程地質三維模擬的潛力遠未挖掘出來。
從總體上來看，工程地質三維模擬的理論、方法和技術目前尚處于研究和應用的初級階段，還有許多問題有待于解決。按照現在的理論和技術水平，真正實現完全意義上的三維地質模擬至少需要10～20 a 的時間。當前亟需開展研究的重要工作包括：研究并設計、實現面向地質實體、勝任復雜環境下地質模擬、具有真三維拓撲結構的數據模型及數據結構;研究三維地質結構模型/屬性模型的統一構模與融合分析技術;研發成熟的 3D/4D 可視化定量空間分析工具;研究地質數據和地質模型不確定性的表示、地質模型準確性的檢驗等。
3 多場耦合構模的基本概念
用地質場的觀點[11-13]來分析，工程地質三維模擬是對工程地質場中的物質、信息、特征進行三維重構、再現、分析的過程。工程地質場由 2 類相互關聯的場組成：一類是地質屬性參數場，它是地質體、不同地質體的界面或地質體組合的物理、化學、水文、工程等方面的特性在空間上的反映，它連續地分布在三維地質空間中，沒有明確的邊界形態;另一類是地質幾何結構場，它是地質體、不同地質體的界面或地質體組合的幾何結構形態特征在空間上的反映，它具有相對明晰的邊界，控制數據呈離散狀分布。
在工程地質空間，地質幾何結構場和地質屬性參數場不僅在空間位置上重合(具有套合關系)，而且在成因及特性上相互關聯(具有耦合關系)。工程實踐中通常是根據地質屬性參數特征來劃分地質幾何結構場的控制界面(如地層之間的分界面)。但從另一角度來看，地質屬性參數場的分布特征往往與地質體的幾何形態、埋藏深度以及與其周圍地質體的相對差異有關[13]，地質幾何結構場不僅展現了地質體的空間幾何分布特征，還控制了地質體內部屬性參數的空間分布變化。因此，亦可在地質幾何結構場的基礎上推斷、預測地質屬性參數特征，實際工作中也常有這方面的應用需求。厘清工程地質空間幾何結構場與屬性參數場的耦合關系，不僅具有理論意義，更重要地是在三維地質模擬時具有實際的.指導意義。
在三維空間中，對地質幾何結構場進行模擬重構生成三維地質結構模型，對地質屬性參數場進行模擬重構生成三維地質屬性模型。三維地質結構模型側重于反映地質體的空間位置、幾何形態和拓撲關系，但難以表達地質體內部的屬性參數特征變化情況，一般是將同一地質單元內部的屬性參數特征假定為均一不變的。三維地質屬性模型可以方便地表達地質體內部屬性參數特征的非均一性，并易于進行統計計算和綜合分析，但不含地質體幾何形態和拓撲關系方面的信息。
鑒于地質空間中幾何結構場與屬性參數場的耦合關系，工程地質體三維模擬的流程應能準確地反映“根據采樣的地質屬性參數信息→界定地質空間幾何結構特征→預測地質屬性參數空間展布規律→實際驗證與應用”這一實際工作過程，但現有的三維地質建模流程和技術方法在實現這一目標時卻存在很大的不足，主要問題涉及 4 個方面：(1)在三維空間數據模型方面缺乏實用高效、矢柵一體的混合數據模型。現有的空間數據模型在對工程地質空間劃分、表達及分析時存在著或多或少的缺陷，難以完整、統一地描述地質體的幾何結構特征及其內部屬性參數信息。
(2)在三維地質模擬的過程中，目前一般采用“獨立構模”或“順序構模”的方法來重構地質空間幾何結構場和屬性參數場。“獨立構模”是指完全不考慮地質空間幾何結構場和屬性參數場的相互關系，將其作為 2 個獨立的數據場，分別單獨的構建地質結構模型和地質屬性模型。“順序構模”則考慮到地質幾何結構場和屬性參數場在空間位置上的重合關系，先構建地質空間幾何結構場模型，然后在此基礎上體素化，生成屬性參數場模型，并建立屬性數據與地質體幾何結構數據的對應關系。“獨立構模”或“順序構模”的思路都沒有考慮地質結構和屬性參數在空間和成因上的耦合關系，在理論上具有很大的局限性，計算機模擬的結果也與真實的地質情況差別較大。
(3)從三維地質模擬的具體實現技術上來看，現有的技術側重于重構地質體的空間幾何形態，并形成了不少實用高效的三維地質結構建模方法，而對地質屬性參數重構技術研究較少，屬性建模大多采用自動插值方法或基于地質統計學的 Kriging 方法，這些屬性建模方法復雜繁瑣，且未能充分有效地考慮屬性參數場與地質體的結構特征、地質約束作用及地質學原理的耦合關系。
(4)現有的可視化分析技術缺乏統一、完備的三維空間分析理論指導，很難實現對既包含地質體幾何形態、又包含地質體內部屬性參數特征的地質實體模型進行真正自由、靈活的定量三維空間分析。
一個真正的三維地質實體模型應該能夠完整、統一地描述地質對象的空間位置、幾何形態、拓撲關系和內部屬性信息，具有真三維表達能力、真三維空間分析能力且支持三維空間預測，而不是在地質空間中將幾何結構場和屬性參數場割裂開來，分別進行重構、描述和分析。理想的三維地質實體模型重構流程應該將地質數據處理、地質體幾何結構框架生成、地質屬性參數場重構、三維可視化空間分析作為一個統一的整體過程加以研究，充分考慮地質屬性參數場對地質幾何結構框架的指示意義、地質幾何結構框架對地質屬性參數場的約束作用，實現真正意義上的地質空間多場(即幾何結構場與多種屬性參數場)耦合構模，從而生成帶屬性參數的三維地質多場耦合模型。
結論與展望
(1)工程地質空間三維幾何結構場/屬性參數場耦合構模是實現工程地質數字化應用突破的關鍵。
多場耦合構模的過程是一個信息逐步提取與集成的過程，亦是一個“工程地質體→地質空間數據→地質空間信息→知識決策”的過程。
(2)本文提出了工程地質空間多場耦合構模的標準流程框架，并通過一個實例說明地質體多場耦合模型在三維地質建模及可視化系統中初步實現后的效果。這為建立一套完整的地質體多場耦合構模的理論體系和方法體系奠定了基礎，有助于完善復雜地質條件下三維地質模擬的方法與技術。
(3)本文提出的研究方案和解決思路，僅僅奠定了該項研究的粗略框架，還有許多問題需要進行進一步的研究與探索。今后的重點研究方向包括：地質空間多場耦合模型的三維可視化分析技術;地質空間耦合場的定量三維空間分析技術;地質空間多場耦合建模分析軟件系統的設計與開發;地質空間多場耦合構模與空間分析實證研究等。
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