工程地质空间多场耦合构模技术研究论文
摘 要：现有的三维地质模拟技术没有考虑地质空间几何结构场与属性参数场之间的耦合关系，从而限制了计算机模拟结果的真实性和实用性。工程地质空间多场耦合构模问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上，提出了工程地质空间多场耦合构模的总体研究框架和基本工作流程，给出了研究过程中所遇到的主要科学问题的解决思路或实现方案，并通过实例说明地质体多场耦合模型在三维地质建模及可视化系统中初步实现后的效果。这些研究成果为建立一套完整的地质体多场耦合构模理论体系和方法体系奠定了基础，有助于推动工程地质数字化建模分析技术的深入应用。
关 键 词：三维地质模拟;工程地质场;地质结构模型;地质属性模型;耦合构模1 引 言在大型工程建设项目的勘察、规划、设计、施工阶段，都需要尽可能多地掌握地下工程地质环境的准确信息，尽量精确地刻画工程地质体的几何结构特征以及地质体内部属性参数(包括物理、化学、水文地质、工程地质等属性特征)的变化规律[1-4]。
传统地使用二维纸质地图和数字化 CAD 图件来表达工程地质信息的方式已很难满足实际应用的要求[5]，需要综合应用 GIS、空间数据库、三维可视化和计算机图形图像等技术进行工程地质体的三维建模及可视化分析，以直观、形象的三维可视化图形图像形式表达工程地质空间中构造单元的时空展布特征及其内部属性参数的时空分布规律，实现工程地质信息从二维表达形式向三维甚至四维表达形式的升华，将以往仅仅蕴涵于地质工作者脑海中的工程地质体直观形象地展现在地质工作者、规划设计师、岩土工程师乃至非地质专业的管理、决策人员面前。这不仅能使地质工作者在研究过程中非常容易地表达、验证和修改自己建立的地质认识，而且能够在其基础上进行定量的可视化空间分析和专业应用，最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，减少人类对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的巨大风险，为制定科学合理的地下空间开发利用方案提供基础地质资料和决策依据。
近 20 年来，工程地质三维模拟技术已引起地球科学界和实际工程界的广泛关注，并成为具有国际前沿性质的研究热点[1-2]。在地质工作者、计算机专家和 GIS 研究人员的共同努力下，一系列用于精确刻画地下工程地质体结构特征的三维地质建模及可视化分析技术相继开发出来并在实际工程中得到应用[1]，初步显示了三维地质模拟在工程地质空间重构、分析与表示、过程模拟等方面具有巨大的潜力和价值。然而，随着地下空间勘探开发的不断深入，对工程地质体的建模分析工作提出了更高的要求，早期的只建立简单的几何结构构造模型的三维地质模拟技术，已无法满足实际综合地质研究工作的需要[4-5]。实际工作中不仅需要准确地描述工程地质体的几何形态，更需要准确地描述地质体内部非均质分布的物理、化学、水文、工程等属性特征，甚至需要将两者耦合起来进行各种定量的空间分析和专业应用。地下空间勘探开发的实际应用需求推动了三维地质建模及可视化分析技术的发展，使得建立实用、可靠的地质体几何结构构造和属性参数特征耦合模型成为三维地质模拟技术必然的发展方向。
2 国内外研究现状与发展趋势
工程地质三维模拟研究是一个集合了基础地质学、工程地质学、岩土工程学、地球空间信息科学和计算机科学等多学科的交叉领域。近 20 年来，国内外在工程地质三维模拟方面的研究主要集中在三维地质模拟的理论基础、实现技术、实际工程应用等 3 个方面。
(1)在工程地质三维模拟的理论基础方面，主要是基于工程地质空间认知、划分、映射、表达的要求，研究适合于三维地质模拟的空间数据模型及其数据结构。
(2)在工程地质三维模拟的实现技术方面，主要研究三维地质模拟的体系结构和三维地质模型重构的具体方法。一般将三维地质模拟划分为地质数据处理、地质实体建模、模型分析与应用(包括属性建模、空间分析、其他应用等)3 个阶段[6]。现有的三维地质建模方法可分为 2 类：一类是用于重构地质体空间几何形态的地质结构建模方法[7-10];
另一类是用于地质体内部属性参数特征三维重构的地质属性建模方法，如：以空间插值为基础的确定性属性建模方法;以随机模拟为基础的不确定性属性建模方法[4]。
(3)从实际应用上来看，地质体三维建模与可视化分析是工程界长期的需求。基于地质概念的工程地质三维实体模型能够定量地分析地质单元结构形态及其属性特征，为深入认识工程地质现象和地质过程提供新的手段和视野。在 20 世纪 90 年代中期，很多地质专家和工程人员就认同了三维地质模拟的概念和作用，并开展了一系列探索性的应用研究工作。但现有的三维地质模拟技术多是以对地质体几何结构构造的直观描述和空间展示为主，主要应用于地下地质体的几何表示、地质属性参数空间不均一性的可视化显示、数值模拟模型的前处理和后处理等有限的几个领域[3]，更深层次的定量分析应用则很少，工程地质三维模拟的潜力远未挖掘出来。
从总体上来看，工程地质三维模拟的理论、方法和技术目前尚处于研究和应用的初级阶段，还有许多问题有待于解决。按照现在的理论和技术水平，真正实现完全意义上的三维地质模拟至少需要10～20 a 的时间。当前亟需开展研究的重要工作包括：研究并设计、实现面向地质实体、胜任复杂环境下地质模拟、具有真三维拓扑结构的数据模型及数据结构;研究三维地质结构模型/属性模型的统一构模与融合分析技术;研发成熟的 3D/4D 可视化定量空间分析工具;研究地质数据和地质模型不确定性的表示、地质模型准确性的检验等。
3 多场耦合构模的基本概念
用地质场的观点[11-13]来分析，工程地质三维模拟是对工程地质场中的物质、信息、特征进行三维重构、再现、分析的过程。工程地质场由 2 类相互关联的场组成：一类是地质属性参数场，它是地质体、不同地质体的界面或地质体组合的物理、化学、水文、工程等方面的特性在空间上的反映，它连续地分布在三维地质空间中，没有明确的边界形态;另一类是地质几何结构场，它是地质体、不同地质体的界面或地质体组合的几何结构形态特征在空间上的反映，它具有相对明晰的边界，控制数据呈离散状分布。
在工程地质空间，地质几何结构场和地质属性参数场不仅在空间位置上重合(具有套合关系)，而且在成因及特性上相互关联(具有耦合关系)。工程实践中通常是根据地质属性参数特征来划分地质几何结构场的控制界面(如地层之间的分界面)。但从另一角度来看，地质属性参数场的分布特征往往与地质体的几何形态、埋藏深度以及与其周围地质体的相对差异有关[13]，地质几何结构场不仅展现了地质体的空间几何分布特征，还控制了地质体内部属性参数的空间分布变化。因此，亦可在地质几何结构场的基础上推断、预测地质属性参数特征，实际工作中也常有这方面的应用需求。厘清工程地质空间几何结构场与属性参数场的耦合关系，不仅具有理论意义，更重要地是在三维地质模拟时具有实际的.指导意义。
在三维空间中，对地质几何结构场进行模拟重构生成三维地质结构模型，对地质属性参数场进行模拟重构生成三维地质属性模型。三维地质结构模型侧重于反映地质体的空间位置、几何形态和拓扑关系，但难以表达地质体内部的属性参数特征变化情况，一般是将同一地质单元内部的属性参数特征假定为均一不变的。三维地质属性模型可以方便地表达地质体内部属性参数特征的非均一性，并易于进行统计计算和综合分析，但不含地质体几何形态和拓扑关系方面的信息。
鉴于地质空间中几何结构场与属性参数场的耦合关系，工程地质体三维模拟的流程应能准确地反映“根据采样的地质属性参数信息→界定地质空间几何结构特征→预测地质属性参数空间展布规律→实际验证与应用”这一实际工作过程，但现有的三维地质建模流程和技术方法在实现这一目标时却存在很大的不足，主要问题涉及 4 个方面：(1)在三维空间数据模型方面缺乏实用高效、矢栅一体的混合数据模型。现有的空间数据模型在对工程地质空间划分、表达及分析时存在着或多或少的缺陷，难以完整、统一地描述地质体的几何结构特征及其内部属性参数信息。
(2)在三维地质模拟的过程中，目前一般采用“独立构模”或“顺序构模”的方法来重构地质空间几何结构场和属性参数场。“独立构模”是指完全不考虑地质空间几何结构场和属性参数场的相互关系，将其作为 2 个独立的数据场，分别单独的构建地质结构模型和地质属性模型。“顺序构模”则考虑到地质几何结构场和属性参数场在空间位置上的重合关系，先构建地质空间几何结构场模型，然后在此基础上体素化，生成属性参数场模型，并建立属性数据与地质体几何结构数据的对应关系。“独立构模”或“顺序构模”的思路都没有考虑地质结构和属性参数在空间和成因上的耦合关系，在理论上具有很大的局限性，计算机模拟的结果也与真实的地质情况差别较大。
(3)从三维地质模拟的具体实现技术上来看，现有的技术侧重于重构地质体的空间几何形态，并形成了不少实用高效的三维地质结构建模方法，而对地质属性参数重构技术研究较少，属性建模大多采用自动插值方法或基于地质统计学的 Kriging 方法，这些属性建模方法复杂繁琐，且未能充分有效地考虑属性参数场与地质体的结构特征、地质约束作用及地质学原理的耦合关系。
(4)现有的可视化分析技术缺乏统一、完备的三维空间分析理论指导，很难实现对既包含地质体几何形态、又包含地质体内部属性参数特征的地质实体模型进行真正自由、灵活的定量三维空间分析。
一个真正的三维地质实体模型应该能够完整、统一地描述地质对象的空间位置、几何形态、拓扑关系和内部属性信息，具有真三维表达能力、真三维空间分析能力且支持三维空间预测，而不是在地质空间中将几何结构场和属性参数场割裂开来，分别进行重构、描述和分析。理想的三维地质实体模型重构流程应该将地质数据处理、地质体几何结构框架生成、地质属性参数场重构、三维可视化空间分析作为一个统一的整体过程加以研究，充分考虑地质属性参数场对地质几何结构框架的指示意义、地质几何结构框架对地质属性参数场的约束作用，实现真正意义上的地质空间多场(即几何结构场与多种属性参数场)耦合构模，从而生成带属性参数的三维地质多场耦合模型。
结论与展望
(1)工程地质空间三维几何结构场/属性参数场耦合构模是实现工程地质数字化应用突破的关键。
多场耦合构模的过程是一个信息逐步提取与集成的过程，亦是一个“工程地质体→地质空间数据→地质空间信息→知识决策”的过程。
(2)本文提出了工程地质空间多场耦合构模的标准流程框架，并通过一个实例说明地质体多场耦合模型在三维地质建模及可视化系统中初步实现后的效果。这为建立一套完整的地质体多场耦合构模的理论体系和方法体系奠定了基础，有助于完善复杂地质条件下三维地质模拟的方法与技术。
(3)本文提出的研究方案和解决思路，仅仅奠定了该项研究的粗略框架，还有许多问题需要进行进一步的研究与探索。今后的重点研究方向包括：地质空间多场耦合模型的三维可视化分析技术;地质空间耦合场的定量三维空间分析技术;地质空间多场耦合建模分析软件系统的设计与开发;地质空间多场耦合构模与空间分析实证研究等。
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