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。