本文關(guān)鍵詞：基于帶約束三角剖分的三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)?Vol.21No.19；2009年10月JournalofSystemS；第21卷第19期系；基于帶約束三角剖分的三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用；孟永東1,2,徐衛(wèi)亞1,田斌2,李明衛(wèi)3；（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京21009；3.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽55；摘要：帶約束的Delaunay剖分算法多應(yīng)用于表；關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模

統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報(bào)? Vol. 21 No. 19

2009年10月 Journal of System Simulation Oct., 2009

第21卷第19期 系

基于帶約束三角剖分的三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用

孟永東1,2, 徐衛(wèi)亞1, 田 斌2, 李明衛(wèi)3

（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；2.三峽大學(xué)土木水電學(xué)院，宜昌 443002；

3.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002）

摘 要：帶約束的Delaunay剖分算法多應(yīng)用于表達(dá)數(shù)字地面模型，用于三維地質(zhì)模型的構(gòu)建尚不成熟。為了直觀顯示工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和快速準(zhǔn)確分析工程地質(zhì)條件，可依據(jù)帶約束Delaunay三角剖分算法分別生成地層、斷裂、界線類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的TIN模型，拼合形成工程整體三維地質(zhì)模型。通過編制基于TIN模型的工程三維地質(zhì)建模程序，建立了金沙江兩家人水電工程壩址區(qū)域的三維地質(zhì)模型，為工程地質(zhì)評價(jià)及工程設(shè)計(jì)提供了決策支持，以此作為工程應(yīng)用實(shí)例。實(shí)踐應(yīng)用表明，該方法具有快速、準(zhǔn)確、通適的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型；可視化；Delaunay三角網(wǎng)；TIN模型 中圖分類號：TP39; TV511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-731X (2009) 19-5985-05

Method of Modeling 3D Geological Modeling and Its Application

Based on Constraint Delaunay Triangulation

MENG Yong-dong1,2, XU Wei-ya1, TIAN Bin2, LI Ming-wei3

(1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. College of Civil and Hydroelectric Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3. Guiyang Hydropower Investigation Design & Research Institute, CHECC, Guiyang 550002, China)

Abstract: For directly displaying engineering geological structure and accurately analyzing engineering geological condition, Delaunay triangulation algorithm was applied to make geological structure TIN model, such as geologic strata, faults, boundary etc., and then they were merged together to combine the whole engineering 3D geological model, and this method is fast, accurate and general. Through making the program of modeling 3D geological, the 3D geological model of Liangjiaren hydro-power project, which locates at Tiger Leaping Gorge in Jinshajiang River, was built as a sample, and decision support for engineering geological evaluation and engineering design was provided. Key words: 3D geological modeling; visualization; delaunay triangulation; TIN

引 言

三維地質(zhì)建模（3D Geological Modeling）也可稱為三維地學(xué)建模、三維地質(zhì)數(shù)字化建模等，指在獲取原始地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，如地質(zhì)點(diǎn)、鉆孔、平硐、航拍片等，通過對地質(zhì)實(shí)體對象的拓?fù)湫畔⒌慕庾g和幾何形態(tài)的確定，將各種信息綜合形成一個(gè)復(fù)雜整體三維模型的過程。三維地質(zhì)建模的研究工作最初主要在地球物理、采礦工程、石油工程等領(lǐng)域進(jìn)行，隨著國內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下的大型水電工程項(xiàng)目開工建設(shè)，工程三維地質(zhì)建模為直觀顯示工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和快速準(zhǔn)確分析工程地質(zhì)條件提供了有力保障，對于工程三維地質(zhì)建模的研究，目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是適合于地質(zhì)體三維模擬的空間數(shù)據(jù)模型研究，主要包括：TIN模型、三棱柱模型、類三棱柱模型、廣義三棱柱模型、似直三棱柱模型、四面體模型、超體元實(shí)體模型，以及上述各模型的混合模型；二是三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的具體實(shí)現(xiàn)方法，如：基于多層DEM的三維地層骨架構(gòu)模方法、基

于三棱柱或四面體的體元構(gòu)模方法、基于空間插值技術(shù)的三維地層模擬技術(shù)、基于鉆孔數(shù)據(jù)的“地層一實(shí)體模型算法”、基于地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)的三維矢量數(shù)據(jù)生成算法、基于支持向量機(jī)的三維地質(zhì)模型自動構(gòu)建技術(shù)等。綜合考察現(xiàn)有的研究成大多集中于簡單層狀地質(zhì)體的三維重構(gòu)與表達(dá)分析，果[1-10]，

對于復(fù)雜工程三維地質(zhì)模型的建立，目前還沒有成熟的理論體系。

帶約束的Delaunay剖分算法的應(yīng)用以往僅用于表達(dá)數(shù)字地面模型[11-13]，用于三維地質(zhì)模型的構(gòu)建尚不成熟，制約其發(fā)展的原因一方面是地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模工作量大、信息存儲量大；另一方面是以往計(jì)算機(jī)處理速度和地質(zhì)結(jié)構(gòu)處理算法的不足。國內(nèi)外一些研究學(xué)者使用Nurbs曲面來代替TIN來構(gòu)建三維地質(zhì)模型，雖然可以減小信息存儲量，但在一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的表現(xiàn)上卻出現(xiàn)一些不足，且Nurbs曲面的顯示比三角面的顯示更消耗系統(tǒng)資源。由于三角形的固有特性決定它在處理復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)的靈活性，且當(dāng)今計(jì)算機(jī)存儲技術(shù)的進(jìn)步已弱化了TIN模型的一些不足。本文研究基于帶約束Delaunay三角剖分算法生成TIN模型來建立工程三維地質(zhì)模型，應(yīng)用實(shí)踐證明，該方法具有快速、準(zhǔn)確、通適的特點(diǎn)。該方法參用了“分解—拼合”的思想以應(yīng)對大規(guī)模復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的建模，因此使用本方法進(jìn)行大規(guī)模地質(zhì)建

收稿日期：2008-04-17 修回日期：2008-09-25 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50539110）；湖北省教育廳基金（D200513010）。

作者簡介：孟永東(1976-), 男, 寧夏中衛(wèi)人, 博士生, 副教授, 研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)建模；徐衛(wèi)亞(1962-), 男, 江蘇張家港人, 博士, 教授, 博導(dǎo), 研究方向?yàn)閹r土工程。

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(2) 找出與起始點(diǎn)最近的數(shù)據(jù)點(diǎn)相互連接形成Delaunay三角形的一條邊作為基線，按Delaunay三角網(wǎng)的判別法則

[11]

模時(shí)所耗費(fèi)時(shí)間與模型規(guī)模和復(fù)雜度呈線性增長，這樣保證了建模效率。隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)模和復(fù)雜度提高，建模所需的空間地質(zhì)特征線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取會變得復(fù)雜，應(yīng)合理分解空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)以提高建模效率。本文最后以金沙江兩家人水電工程壩址區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蠼⒘巳S地質(zhì)模型，作為工程應(yīng)用實(shí)例。

，找出與基線構(gòu)成Delaunay三角形的第三點(diǎn)； (3) 基線的兩個(gè)端點(diǎn)與第三點(diǎn)相連，成為新的基線； (4) 迭代以上兩步直至所有基線都被處理。

上述過程表明，三角網(wǎng)生長算法的思路是：先找出點(diǎn)集

1 三維地質(zhì)模型的生成原理

三維地質(zhì)建模的方法很多，有直接點(diǎn)面法、剖面框架法、多源數(shù)據(jù)耦合建模法等�；趲Ъs束Delaunay三角網(wǎng)的三維地質(zhì)建模方法屬于剖面框架法，生成原理為：首先依據(jù)地質(zhì)勘測資料來確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，通過空間求交生成地質(zhì)結(jié)構(gòu)縫合面；然后，剖切生成各地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與建模范圍邊界面的交線，以確定各剖切面；最后，利用帶約束Delaunay三角網(wǎng)建立地表、邊界剖切面和底面的TIN模型，將各TIN模型拼合即可建立所需的三維地質(zhì)模型。圖1為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)TIN概化模型。

中相距最短的兩點(diǎn)連接成為一條Delaunay邊，然后按Delaunay三角網(wǎng)的判別法則找出包含此邊的Delaunay三角形的另一端點(diǎn)，依次處理所有新生成的邊，直至最終完成。

2.2 在標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角網(wǎng)中嵌入約束邊

在標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角網(wǎng)嵌入約束邊過程中，需要由三角網(wǎng)拓?fù)湫畔⒖焖偎阉鞯郊s束邊所影響的三角形，并且在嵌入約束邊的過程中，三角網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系在動態(tài)變化。因此，保證三角網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌恼_性對于建立帶約束Delaunay三角網(wǎng)是至關(guān)重要的。在三角網(wǎng)內(nèi)查詢的拓?fù)湫畔ǎ?/p>

(1) 對于一個(gè)三角形，獲得其3個(gè)頂點(diǎn)，3條邊以及3個(gè)鄰接三角形的信息；

(2) 對于一個(gè)點(diǎn)，定位所有以該點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形。 設(shè)Delaunay三角形集合T(V;L)，需在標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角網(wǎng)中嵌入約束邊l，l = pi pj，pi, pj∈V，與約束邊l相交的三角形所構(gòu)成的區(qū)域稱為約束邊l的影響域。區(qū)域的邊界所構(gòu)成的多邊形稱為影響多邊形Q。l將Q分成兩部分Qu和Qd，如圖2所示。

(a) TIN網(wǎng)格 (b) 著色渲染圖

圖1 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)TIN概化模型

pi

pj

2 帶約束Delaunay三角剖分算法

帶約束Delaunay三角剖分是指對點(diǎn)集進(jìn)行剖分時(shí)，應(yīng)滿足某種約束條件，如對象重建中的模型邊界，如道路、施工場地等，地表模型中的山脊線、山谷線和斷裂線等，地質(zhì)模型中的斷層和巖層邊界等。在不允許改變原有點(diǎn)集的場合，帶約束Delaunay三角剖分的一種有效算法是先將所有點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角剖分，然后強(qiáng)行嵌入不在剖分中的約束邊，也可以通過交換對角線的方法強(qiáng)行嵌入約束邊。這里使用方法的工作原理為：首先建立標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角剖分，然后將復(fù)雜區(qū)域的邊界線作為一種約束線，對嵌入的所有約束邊所影響的三角形進(jìn)行局部調(diào)整，使約束邊成為三角剖分中的一條邊，且滿足約束Delaunay三角網(wǎng)的基本性質(zhì)，然后將區(qū)域邊界外的三角形從三角形鏈表中刪除，即得任意復(fù)雜邊界的帶約束Delaunay三角網(wǎng)。

圖2 約束邊l的影響域

在標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角網(wǎng)內(nèi)嵌入一條約束邊pi pj的算法過程如下[12]：

且t1與pi pj(1) 在三角網(wǎng)中找出以pi為頂點(diǎn)的三角形t1，

相交。由點(diǎn)結(jié)構(gòu)信息可即時(shí)定位以pi為頂點(diǎn)的三角形t，再由三角形拓?fù)湫畔膖開始以pi為頂點(diǎn)逆時(shí)針方向?qū)ふ业饺切蝨1。如圖3所示。

j

2.1 逐步生成法標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角剖分

逐步生成法生成標(biāo)準(zhǔn)Delaunay三角網(wǎng)的過程為： (1) 以任一點(diǎn)為起始點(diǎn)；

圖3 定位與pi pj邊相交的首三角形

2009年10月 孟永東，等：基于帶約束三角剖分的三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用 Oct., 2009

(2) 從t1開始，由三角形拓?fù)湫畔⒁来握业接绊懹騼?nèi)三角形t2, t3,…, tk，存入影響域三角形數(shù)組中，同時(shí)生成Qu和Qd影響域邊界數(shù)組，其邊界點(diǎn)具有拓?fù)湫�。約束邊pi pj的影響域如圖4所示。

Qu = { pi , u1, u2, ..., um , pj} Qd = { pi , d1, d2, ..., dn , pj}

由pi pj開始對Qu和Qd按角度最大原則在影響域內(nèi)生成新三角形。新生成的三角形信息寫入影響域三角形數(shù)組存儲的三角形空間中。由于未插入新點(diǎn)，三角形個(gè)數(shù)不變，所以不用再開辟新空間。為了確定三角形生成的先后次序，使用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

pi

j

數(shù)據(jù)庫格式存儲的三維地質(zhì)模型幾何信息和紋理映射信息，可通過利用Java的JDBC開發(fā)并結(jié)合VRML/X3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)跨平臺應(yīng)用的三維地質(zhì)虛擬現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建和組件[16~20]，

地質(zhì)信息三維交互式查詢。

3.3 三維地質(zhì)建模程序開發(fā)

根據(jù)帶約束Delaunay三角剖分算法，作者編制了基于TIN的三維地質(zhì)模型生成程序，具體流程描述如下：

(1) 利用CAD軟件對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖層、標(biāo)注的約定，使用DXF格式存儲地質(zhì)特征約束線和控制點(diǎn)的空間信息，方便程序提取地質(zhì)結(jié)構(gòu)體空間幾何信息和紋理映射信息；

(2) 各空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行空間求交運(yùn)算，生成交線并更新地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊界線和約束線；

(3) 通過將地質(zhì)特征約束線（點(diǎn)）向XZ、YZ平面投影，使空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)TIN模型可以用帶約束Delaunay三角剖分算法來生成；

圖4 確定pi pj邊的影響域

(4) 地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的模型以三角面集合的形式分別存儲為DXF圖形格式，同時(shí)存儲空間幾何信息和紋理映射數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。

程序開發(fā)環(huán)境為Visual Basic.Net，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，程序界面如圖5所示。

3 三維地質(zhì)模型的建立

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲形式

目前工程使用的地質(zhì)測繪成果大多是CAD圖形格式，考慮到方便實(shí)際工程應(yīng)用，對三維地質(zhì)模型建立所需的基礎(chǔ)圖形數(shù)據(jù)以DXF格式進(jìn)行存儲，通過對DXF圖形進(jìn)行圖層和標(biāo)注約定，以便于三維地質(zhì)建模程序能夠快速提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息和紋理映射信息，主要約定包括：圖層約定、控制線類型和控制線方向的約定。圖層約定指將離散控制點(diǎn)放入規(guī)定名稱命名的圖層，圖層中可包含點(diǎn)和多段線，數(shù)據(jù)提取模塊自動會把多段線轉(zhuǎn)化為控制點(diǎn)；控制線類型約定指將控制線類型以文字標(biāo)注的形式命名，存儲在特定圖層，根據(jù)程序處理需要，可將控制線按類型特征和預(yù)處理任務(wù)進(jìn)行分類；在AutoCAD中，從多段線的起始點(diǎn)到多段線的終點(diǎn)的沿程走向?yàn)槎喽尉�的正方向，為了對各控制線標(biāo)示文字的正確提取和判別，程序約定形成閉合區(qū)域的多個(gè)多段線方向必須一致，因此需要對控制線的方向進(jìn)行約定。經(jīng)過以上簡單處理的DXF圖形格式，按照DXF文件的組碼方式基本輸入數(shù)據(jù)。

[14~15]

圖5 三維地質(zhì)建模程序界面

3.4 獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并確定建模范圍

建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地表空間數(shù)據(jù)和地下空間數(shù)據(jù)。地表空間數(shù)據(jù)主要通過工程地質(zhì)測繪工作獲得，這些數(shù)據(jù)包括地形等高線、地質(zhì)點(diǎn)和遙感信息數(shù)據(jù)等，地質(zhì)點(diǎn)觀測信息主要包括地質(zhì)點(diǎn)位置、巖層產(chǎn)狀要素、地質(zhì)現(xiàn)象素描與照片、巖石標(biāo)本等。在工程地質(zhì)平面圖中一般提供地層分界線、斷層和裂隙產(chǎn)狀要素等信息。地下空間數(shù)據(jù)主要來源于工程地質(zhì)勘探和工程物探工作，主要在工程地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步查明地表以下的工程地質(zhì)問題，取得深部地質(zhì)資料數(shù)據(jù)而進(jìn)行的。鉆孔和平硐是水利水電工程地質(zhì)勘探中最常用的兩種方式，可提供鉆孔柱狀圖和平硐展

通過編程

即可提取控制點(diǎn)（線）幾何信息，作為三維地質(zhì)建模程序的

3.2 三維圖形存儲和顯示方式

三維地質(zhì)模型以三角面（Triangles）為基本圖形元素，并以TIN模型組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體為集合進(jìn)行存儲。存儲形式包括按地質(zhì)結(jié)構(gòu)體分圖層存儲的DXF圖形格式和以三角面幾何信息和紋理映射信息數(shù)據(jù)表存儲的MySQL數(shù)據(jù)庫格式。以DXF格式存儲的三維地質(zhì)模型可方便檢驗(yàn)地質(zhì)模型的正確性，也可作為其它三維軟件的輸入數(shù)據(jù)；以MySQL

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視圖，依據(jù)這些資料以及鉆孔和平硐的空間位置數(shù)據(jù)，可解譯地下深部的地層和地質(zhì)構(gòu)造。

以金沙江虎跳峽兩家人工程為例，依據(jù)該工程所提供的壩址區(qū)域地質(zhì)平面圖，在確定三維地質(zhì)建模范圍的基礎(chǔ)上，提取巖層分界線、覆蓋層分界線、斷層和裂隙走向等地表空間地質(zhì)數(shù)據(jù)，作為構(gòu)建帶地質(zhì)特征線約束的地面TIN模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

注：圖中①、②、③分別代表不同的成層巖層

[21]

圖7 相鄰地層空間關(guān)系示意圖

求交計(jì)算求得巖層面之間的交線，作為生成巖層面TIN三角網(wǎng)的約束線，并依據(jù)交線對巖層趨勢面進(jìn)行裁減、拼接運(yùn)算，形成最終巖層面邊界。最后，以巖層面約束線、控制點(diǎn)和巖 層邊界線為數(shù)據(jù)源生成TIN模型。

② 斷裂類地質(zhì)結(jié)構(gòu)

斷裂構(gòu)造是地殼上發(fā)育最廣泛、最常見的一種地質(zhì)構(gòu)

造，它使巖體的連續(xù)性和完整性遭到破環(huán)，并使斷裂面兩側(cè)巖體沿?cái)鄬用姘l(fā)生位移。對于發(fā)生較小位移的斷裂構(gòu)造，稱為節(jié)理；發(fā)生較大位移的斷裂構(gòu)造，稱為斷層。水利水電工程地質(zhì)主要考慮以斷層為主的斷裂構(gòu)造。

斷層的處理是地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的難點(diǎn)，除了建立斷層自身

的三維模型外還要處理由于巖層的錯(cuò)動問題。當(dāng)斷層厚度不大時(shí)，可將其作為一個(gè)斷層模型可簡化為空間曲面來處理；如果斷層的厚度不可忽略，則需把其作為一個(gè)實(shí)體來構(gòu)造。對于后一種情況，與巖層處理類似，在建立斷層上下層面的基礎(chǔ)上，把所有構(gòu)成面縫合起來即可。通常，斷層面可用一次趨勢面來擬合。對于單個(gè)斷層的建模相對較簡單，而對于多個(gè)斷層相交以及復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)的建模研究，目前仍處于探索階段。

③ 界限類地質(zhì)結(jié)構(gòu)

界限類地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括風(fēng)化層界限、巖體卸荷界限、地下水位分界面等，風(fēng)化、卸荷作用對巖體的影響是一個(gè)隨機(jī)動態(tài)過程。這類界限往往采樣數(shù)據(jù)較少，因此界限類地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的難點(diǎn)是趨勢面的確定問題。這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型可用空間曲面描述，在確定趨勢面后，可根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和邊界線直接生成TIN模型。

(3) 生成邊界剖切面TIN三角網(wǎng)

在確定各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的趨勢面后，分別對各地質(zhì)結(jié)構(gòu)趨勢面與邊界剖切面空間求交，將交線最為邊界剖切面的約束線，如圖8所示，可分別建立四周剖切面TIN三角網(wǎng)和底面TIN三角網(wǎng)。

圖6 建模范圍內(nèi)的空間地質(zhì)特征線

利用工程地質(zhì)堪探所提供的鉆孔柱狀圖以及平硐展視圖，可解譯巖層地下分布狀況。同時(shí)，依據(jù)鉆孔和平硐的空間位置，可獲得各地質(zhì)結(jié)構(gòu)面空間控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，以確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的建模。

3.5 生成三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型可由地表TIN三角網(wǎng)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面TIN三角網(wǎng)、邊界剖切面TIN三角網(wǎng)共同組合而成，，下面簡單介紹三維地質(zhì)模型的建立過程。

(1) 生成地表TIN三角網(wǎng)

三維地質(zhì)模型的地表TIN三角網(wǎng)的生成方法與普通地形TIN三角網(wǎng)一樣，只是額外附加了地表空間地質(zhì)特征線的約束，可直接調(diào)用TIN三角網(wǎng)生成程序建立。

(2) 地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模

地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模是整個(gè)三維地質(zhì)模型建立的核心環(huán)節(jié)。通常，地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂類地質(zhì)結(jié)構(gòu)和界限類地質(zhì)結(jié)構(gòu)。不用類型的地質(zhì)結(jié)構(gòu)其建模的復(fù)雜程度不同，總的來說，地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的思路是：首先確定各地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊界范圍，然后計(jì)算不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)間的交線作為約束線，把地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的構(gòu)建轉(zhuǎn)化為帶約束TIN三角網(wǎng)的生成問題。

① 地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)

主要包括巖層、覆蓋層和層間錯(cuò)動帶。巖層是最常見的地層類地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對于單個(gè)成層巖層，其確定方法較簡單，只要確定上下兩個(gè)巖層趨勢面和周邊四個(gè)邊界面就可拼合而成。對于多個(gè)成層構(gòu)造巖層，其空間接觸關(guān)系主要有整合接觸、平行不整合接觸和角度不整合接觸，如圖7所示，這類構(gòu)造巖層的巖層面確定相對較復(fù)雜，需要通過空間曲面的

圖8 生成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界約束線

2009年10月 孟永東，等：基于帶約束三角剖分的三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用 Oct., 2009

(4) 拼合三維地質(zhì)模型

將以上建立的地表三角網(wǎng)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)和邊界剖切面按照特定的空間位置進(jìn)行合并，即可拼合成完整的三維地質(zhì)模型，如圖9所示。

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圖9 拼合形成的三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型建立以后可將其直接導(dǎo)入其它三維圖形軟件進(jìn)行編輯，通過布爾運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)對三維地質(zhì)模型的任意平切和剖切分析，另外，通過在三維動畫軟件下進(jìn)行精細(xì)的材質(zhì)及帖圖設(shè)置，使其提高模型中各地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的真實(shí)質(zhì)感。

4 結(jié)論

可用來描述三維地質(zhì)模型的幾何特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很多，大體可分為基于曲面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基于體元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本文所介紹的TIN結(jié)構(gòu)是一種片面結(jié)構(gòu)，用來描述含有復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)模型時(shí)該方法具有快速、準(zhǔn)確、通適的特點(diǎn)。編制的基于TIN模型的工程三維地質(zhì)建模程序，具有操作簡單、建模效率高、數(shù)據(jù)輸出靈活等特點(diǎn)。程序可以將地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型以三角面（3DFace）集合的形式存儲為DXF圖形格式，同時(shí)存儲空間幾何信息和紋理映射數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫，便于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示和其它三維可視化應(yīng)用。最后，建立了金沙江虎跳峽兩家人壩址區(qū)域的三維地質(zhì)模型，為工程地質(zhì)評價(jià)及工程設(shè)計(jì)提供了決策支持。

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