¿Modelado tridimensional y visualización de la ingeniería geológica?
1 Introducción
El sistema de información geográfica (SIG) existente expresa principalmente gráficos e información de atributos de características de superficie bidimensionales, pero se está moviendo hacia una información geológica tridimensional real. sistema que incluye estructuras geológicas subterráneas. Aún existen lagunas en la expansión. Un gran proyecto de ingeniería geológica a menudo acumula una gran cantidad de datos geológicos desde la etapa de estudio de factibilidad, la etapa de diseño preliminar hasta la etapa de diseño detallado e incluso hasta la etapa de construcción y operación del proyecto. Usar gráficos e imágenes de modelos tridimensionales para expresar y explicar datos tan grandes es mucho más efectivo que confiar únicamente en medios tradicionales como bases de datos, gráficos y dibujos. Establecer un modelo tridimensional de cuerpos geológicos de ingeniería, procesar la relación de combinación entre las interfaces de rocas y los planos estructurales y reflejar de manera realista la imagen completa de las principales estructuras geológicas subterráneas brindará a los geólogos de ingeniería la capacidad de analizar y estudiar fenómenos geológicos de ingeniería y descubrir. y dominar las leyes estructurales de los cuerpos de rocas y suelos. Un medio y método de investigación completamente nuevos.
La investigación en el extranjero sobre visualización y modelado geológico 3D se está desarrollando rápidamente. El software de análisis y modelado tridimensional MicroLYNX desarrollado por Apollo Technology Group de Canadá procesa datos espaciales como muestreo de puntos discretos, muestreo de pozos y muestreo de zanjas para generar modelos como perfiles, bloques y superficies para determinar la distribución y los cambios de ley del mineral. yacimientos, calcular reservas minerales. El software Gemcom desarrollado por Gemcom Software International Corporation de Canadá muestra la distribución de pozos a través de datos como pozos, puntos, polígonos, etc., utiliza prácticas herramientas de generación y edición de gráficos, utiliza redes de triangulación irregulares para establecer modelos de superficie y sólidos, y utiliza polinomios. bobinas para cerrar capas de roca y reservas y leyes de análisis de límites de cuerpos minerales, proporciona funciones de operación interactivas, permite a los usuarios dibujar modelos geológicos basados en su propia experiencia y conocimiento experto, y realizar observaciones de secciones arbitrarias, intersecciones y operaciones booleanas entre entidades o entidades y superficies. . El software extranjero está dirigido principalmente a la ingeniería minera y puede satisfacer mejor las necesidades de exploración y evaluación de recursos minerales, diseño y planificación de minas subterráneas y a cielo abierto, gestión de recursos minerales y gestión de la producción minera en actividades de ingeniería minera. El software de modelado 3D popular, como 3D Studio MAX desarrollado por Kinetix Company en los Estados Unidos, Maya desarrollado por Alias/Wavefront Company y Softimage desarrollado por Microsoft Corporation, tienen sus propias características únicas en la construcción de modelos industriales y arquitectónicos, producción de animación, etc. pero consulta interactiva La función es débil y todavía queda un largo camino por recorrer para su uso en el modelado geológico de ingeniería tridimensional cuando se combina con la base de datos de estudios de ingeniería.
Zhang Juming y otros llevaron a cabo una investigación en profundidad sobre la visualización de información geológica, como la distribución de zonas erosionadas, estratos multicapa y la expresión y algoritmos de visualización de estratos dislocados por fallas, sentando una base matemática. base para el desarrollo de software de visualización tridimensional para ingeniería geológica, y con la ayuda de la plataforma AutoCAD, se realiza la visualización de gráficos geológicos tridimensionales complejos. El software nacional del sistema de información geográfica Turing VRMap tiene potentes funciones de simulación del terreno y consulta de características, pero no es una verdadera herramienta de modelado geológico tridimensional. El software de modelado tridimensional Titan fue desarrollado por Beijing Oriental TITAN Technology Co., Ltd. Se basa en la idea del modelado de marcos y utiliza datos de contorno paralelos o básicamente paralelos para establecer un verdadero modelo sólido tridimensional de objetos complejos en espacio tridimensional. Sin embargo, actualmente es solo un motor preliminar de modelado 3D y procesamiento de gráficos, y es necesario agregar o ampliar módulos profesionales, como el módulo de ingeniería geológica, cuando se enfrentan disciplinas específicas.
Al observar el estado actual de la investigación y el desarrollo de varios software en el país y en el extranjero, se ha sentado una buena base técnica para el modelado tridimensional y la visualización de la ingeniería geológica y se ha proporcionado una valiosa experiencia de desarrollo. Sin embargo, el modelado y el análisis visual de cuerpos geológicos en la ingeniería geológica no están lo suficientemente enfocados y no pueden satisfacer las necesidades funcionales profesionales de la producción e investigación en ingeniería geológica. Por lo tanto, este artículo comenzará con el análisis de cuestiones técnicas clave en el modelado y visualización 3D de la geología de la ingeniería, y describirá brevemente el desarrollo preliminar del autor y los resultados de la investigación en el modelado y la visualización 3D de la geología de la ingeniería.
2 Análisis de cuestiones técnicas clave 2.1 Interpolación y ajuste de datos discretos
Diversa información geológica en cuerpos geológicos complejos de ingeniería geológica, incluida la topografía superficial, los niveles de agua subterránea, las interfaces estratigráficas y las fallas , las juntas, la distribución de zonas erosionadas, los cuerpos intrusivos y las isosuperficies (líneas) de parámetros físicos y mecánicos o datos de diversos cuerpos geofísicos, geoquímicos y geotécnicos, pueden considerarse funciones en el espacio tridimensional. Sus funciones de ajuste deben establecerse basándose en datos reales de encuestas. Cuanto más ricos sean los datos medidos, más fielmente podrán describir los patrones de distribución espacial de esta información.
La generación de gráficos de superficies de un solo valor, como datos de medición topográfica de superficie e información de medición del nivel de agua subterránea, se puede atribuir a la interpolación y ajuste de datos discretos de dos variables independientes. Para superficies de valores múltiples, como deformaciones inversas e isosuperficies espaciales, se deben utilizar otros métodos complejos, como la interpolación de variables multiparamétricas. Existen varios métodos para construir funciones de interpolación de superficies espaciales, como el método de ponderación inversamente proporcional a la distancia (método de Shepard), el método de interpolación de funciones de base radial (método multicuadrácrico) [3], el método de interpolación de la teoría de la elasticidad plana, etc. También son aplicables a una única interfaz estratigráfica continua, datos de exploración geofísica, datos de exploración geoquímica y la distribución de parámetros geofísicos y mecánicos en el espacio geológico.
2.2 Estructura de datos tridimensionales
Los cuerpos geológicos de ingeniería son generalmente cuerpos irregulares. En los gráficos por computadora, las curvas y superficies siempre utilizan muchas líneas rectas diminutas y superficies triangulares diminutas para aproximar los límites litológicos estratigráficos y las superficies de las rocas, es decir, la interfaz de la roca (así como las curvas de la superficie, los niveles de agua subterránea y otras líneas de límites geológicos) y la roca. Superficies Son una colección de muchas pequeñas líneas rectas y pequeñas superficies triangulares, respectivamente. La estructura de datos espaciales tridimensionales de los cuerpos geológicos es la base para el modelado y la visualización tridimensionales de la ingeniería geológica. Se necesita una estructura de datos tridimensionales jerárquica eficaz para garantizar la realización de la interacción y la consulta entre humanos y computadoras.
2.3 Intersección de Superficie
Existe una gran cantidad de capas diversas en el cuerpo geológico. Cuando hay discordancias en la superficie del valle, las fallas dislocan las capas de roca, pinch-outs estratigráficos. Y la exposición al agua subterránea, ocurrirá naturalmente. Hay un problema con la intersección de la superficie. El límite superior del modelo tridimensional del cuerpo geológico es la superficie. El nivel del agua de la roca o el nivel del agua subterránea ajustado por métodos matemáticos no debe exceder la superficie, es decir, la parte sobrante no debe mostrarse. Del mismo modo, cuando se muestran múltiples formaciones, cada formación de abajo debe estar delimitada por la formación de arriba. Por tanto, para visualizar la interfaz estratigráfica, es necesario resolver el problema de intersección del plano estratigráfico y la superficie, y del plano de falla y otros planos estratigráficos. Por otro lado, cuando se dibuja una sección, el límite geológico se traza mostrando las líneas de intersección obtenidas al cruzar la sección (plano) con varias interfaces geológicas (superficies). Por tanto, la intersección de superficies incluye la intersección entre interfaces geológicas (capas) y la intersección entre interfaces y perfiles geológicos.
2.4 Análisis de estructura topológica tridimensional
Desde una perspectiva geológica, la topología es una tabla de relaciones entre objetos geológicos. La tabla de topología almacena la intersección (expresión topológica de) superpuesta, subyacente. estratos de corte de fallas) y otras relaciones estratigráficas y relaciones de ubicación espacial geológica. La topología también puede verse como una estructura de datos que permite almacenar racionalmente estas relaciones geológicas. Por ejemplo, considerando un estrato de múltiples capas, la superficie inferior del estrato superior y la superficie superior del estrato adyacente de la siguiente capa son los límites comunes o compartidos de las dos entidades, y la relación topológica entre ellas es la adyacente y relación idéntica. Al almacenar datos, solo se almacena la superficie inferior del estrato anterior o la superficie superior del siguiente estrato adyacente, es decir, la superficie límite de los estratos adyacentes se puede almacenar como una capa de estrato, lo que reduce en gran medida la capacidad de almacenamiento de datos. La evaluación de la calidad de un sistema de modelo geológico a menudo depende de la estructura topológica utilizada para describir los objetos geológicos [4].
2.5 Tecnología de visualización
La visualización de cuerpos geológicos complejos en geología de ingeniería utiliza tecnología informática para convertir datos obtenidos de mediciones de ingeniería en vistas tridimensionales y secciones transversales de estructuras geológicas subterráneas. que es intuitivo y conveniente para el análisis interactivo, que se basa en la visualización de datos de ingeniería y datos de medición [5]. La tecnología de visualización puede construir estratos de roca y superficies estructurales que desempeñan un papel clave en la ingeniería geológica, como la estabilidad de fallas de los bordes y la deformación y el daño de las cavernas subterráneas a partir de enormes datos de estudios geológicos, y mostrar su alcance, dirección y relaciones de intersección, lo que puede ayudar a los proyectos de ingeniería. Los geólogos interpretan correctamente los datos sin procesar para brindar apoyo a la toma de decisiones para problemas específicos en el análisis geológico de ingeniería.
3 Desarrollo preliminar y aplicación de la tecnología de visualización tridimensional en ingeniería geológica 3.1 Diagrama de bloques de investigación
El diagrama de bloques de investigación del modelado tridimensional y visualización de cuerpos geológicos complejos en ingeniería geológica se muestra en la Figura 1.
Basado en la idea de ajuste por interpolación de datos de muestreo discretos, es decir, convertir datos discretos en curvas y superficies continuas, el proceso de modelado tridimensional y visualización de cuerpos geológicos complejos en ingeniería geológica es para extraer diversa información geológica de la base de datos de exploración. Las posiciones de coordenadas y los parámetros físicos y mecánicos de los cuerpos de roca y suelo se utilizan para obtener visualizaciones gráficas por computadora tridimensionales de capas geológicas (superficies) y entidades geológicas a través de diferentes funciones de ajuste e interpolación para expresar la Patrones de distribución de la información geológica en el área de estudio. Después de generar capas de roca geológica y entidades geológicas, el modelo establecido se puede observar desde cualquier ángulo y se puede generar un perfil vertical basado en la tendencia del perfil, la inclinación y el ángulo de inclinación especificados.
3.2 Desarrollo y aplicación preliminares 3.2.1 Gestión de bases de datos espaciales de levantamientos de ingeniería
Después de recopilar y clasificar los datos de medición de campo, introdúzcalos en la tabla de subdatos de la base de datos espacial de levantamientos de cierto proyecto hidroeléctrico en el río Jinsha. Estas tablas de datos incluyen no sólo datos de ubicación para información geológica, sino también datos de atributos.
Tomando la tabla de datos de litología estratigráfica como ejemplo, debe ingresar el número de pozo de perforación, la profundidad inicial estratigráfica, la profundidad final estratigráfica, el espesor de la capa, la litología (nombre del estrato), el código estratigráfico (edad del estrato), tendencia estratigráfica, ángulo de buzamiento de la formación, ángulo de buzamiento de la formación, relación de contacto, descripción geológica y otros datos. Con el avance de la topografía de ingeniería, se ha vuelto muy conveniente modificar, complementar y administrar los datos de medición. La Figura 2 es la interfaz de gestión de la tabla de datos del sistema estratigráfico del pozo en la base de datos de estudios de ingeniería.
Navegación 3D
Al ajustar e interpolar datos discretos, como coordenadas de orificios y datos de medición, se dibuja la cuadrícula de superficie en la margen derecha del área del sitio de la presa (Figura 3) y luego puede ser navegación y observación en realidad virtual en un entorno de gráficos tridimensionales (Figura 4).
3.2.3 Mapa geológico tridimensional
Con base en los datos del estudio de ingeniería, se estableció un mapa geológico tridimensional de la margen derecha del área del sitio de la presa. La combinación de litología estratigráfica en el área del sitio de la presa, de arriba a abajo, es: coluvión cuaternario, lutita del Jurásico, lutita limosa, limolita arcillosa y arenisca de grano fino a medio en capas gruesas a muy gruesas del Triásico, y arenisca de grano fino a medio del Triásico. hilo fino en capas, limolita, arenisca de espesor medio a grueso del Triásico en capas de espesor medio. Los mapas de chips obtenidos a través de datos limitados de estudios de ingeniería pueden cumplir mejor con la precisión de la geología de la ingeniería. La Figura 5 es un mapa geológico tridimensional de la margen derecha del área del sitio de la presa.
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