建立三维地质模型的方法及应用

三维地质模型可由地表TIN三角网、地质结构面TIN三角网、边界剖切面TIN三角网共同组合而成，下面简单介绍三维地质模型的建立过程。

1.生成地表TIN三角网

三维地质模型的地表TIN三角网的生成方法与普通地形TIN三角网一样，只是额外附加了地表空间地质特征线的约束，可直接调用TIN三角网生成程序建立。

2.地质结构建模

地质结构建模是整个三维地质模型建立的核心环节。通常，地质结构包括地层类地质结构、断裂类地质结构和界限类地质结构。不用类型的地质结构其建模的复杂程度不同，总的来说，地质结构建模的思路是：首先确定各地质结构的边界范围，然后计算不同地质结构间的交线作为约束线，把地质结构面的构建转化为带约束TIN三角网的生成问题。

（1）地层类地质结构。主要包括岩层、覆盖层和层间错动带。岩层是最常见的地层类地质结构，对于单个成层岩层，其确定方法较简单，只要确定上下两个岩层趋势面和周边四个边界面就可拼合而成。对于多个成层构造岩层，其空间接触关系主要有整合接触、平行不整合接触和角度不整合接触，如图4-22所示，这类构造岩层的岩层面确定相对较复杂，需要通过空间曲面的求交计算求得岩层面之间的交线，作为生成岩层面TIN三角网的约束线，并依据交线对岩层趋势面进行裁减、拼接运算，形成最终岩层面边界。最后，以岩层面约束线、控制点和岩层边界线为数据源生成TIN模型。

图4-22　相邻地层空间关系示意图

①、②、③—成层构造岩层

（2）断裂类地质结构。断裂构造是地壳上发育最广泛、最常见的一种地质构造，它使岩体的连续性和完整性遭到破坏，并使断裂面两侧岩体沿断层面发生位移。对于发生较小位移的断裂构造，称为节理；发生较大位移的断裂构造，称为断层。水利水电工程地质主要考虑以断层为主的断裂构造。

断层的处理是地质结构建模的难点，除了建立断层自身的三维模型外还要处理由于岩层的错动问题。当断层厚度不大时，可将其作为一个断层模型可简化为空间曲面来处理；如果断层的厚度不可忽略，则需把其作为一个实体来构造。对于后一种情况，与岩层处理类似，在建立断层上下层面的基础上，把所有构成面缝合起来即可。通常，断层面可用一次趋势面来拟合。对于单个断层的建模相对较简单，而对于多个断层相交以及复杂断层网络的建模研究，目前仍处于探索阶段。

（3）界限类地质结构。界限类地质结构主要包括风化层界限、岩体卸荷界限、地下水位分界面等，风化、卸荷作用对岩体的影响是一个随机动态过程。这类界限往往采样数据较少，因此，界限类地质结构建模的难点是趋势面的确定问题。这类地质结构的模型可用空间曲面描述，在确定趋势面后，可根据控制点数据和边界线直接生成TIN模型。

3.生成边界剖切面TIN三角网(www.xing528.com)

在确定各类地质结构的趋势面后，分别对各地质结构趋势面与边界剖切面空间求交，将交线最为边界剖切面的约束线，如图4-23所示，可分别建立四周剖切面TIN三角网和底面TIN三角网。

图4-23　生成的地质结构边界约束线

4.拼合三维地质模型

将以上建立的地表三角网、地质结构三角网和边界剖切面按照特定的空间位置进行合并，即可拼合成完整的三维地质模型，如图4-24所示。

图4-24　拼合TIN三角网形成的三维地质模型

三维地质模型建立以后可将其直接导入3DS Max等三维动画制作软件，进行材质及贴图设置，使其产生真实质感，如图4-25所示。另外，在3DS Max中利用布尔运算，可按需要对模型进一步进行任意剖切分析，动态展示剖切过程。

图4-25　导入3DS Max的三维地质模型

可用来描述三维地质模型的几何特征的数据结构很多，大体可分为基于曲面的数据结构和基于体元的数据结构，本节所介绍的TIN结构是最常用的一种面片结构，其缺点是数据存储量大，当用来描述含有复杂地质结构的三维地质模型时尤为明显，因此，用TIN结构来描述三维地质模型并不是最佳的方法，本节内容只是为了说明使用TIN结构来描述三维地质模型的可行性，作为TIN模型在水利水电工程中的一个应用实例。