工程地质空间多场耦合构模技术研究论文

工程地质空间多场耦合构模技术研究论文(2)

时间：2021-08-31

　　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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