CAD在岩土三维可视化模拟中的应用

LOGOGOCAD在岩体三维可视化模拟中的应用魏群2008.11主要内容引言1GOCAD软件及数学处理方法2三维模型的建立方法3地质对象建模4结论5目前，对于地质勘测所获得的大量二维和静态的地质信息资料，地质专业人员只是依照经验推断出地下岩层和构造的走向、分布，进而预测其变化规律。近年来，计算机软硬件技术的发展为地质勘测资料在计算机上建立三维地质模型创造了条件。目前，在地质学领域中，岩体的三维可视化模拟已成为人们广泛关注的热点。引言CAD图形技术GOCAD软件精确绘图技术三维实体模型的创建图形拓扑运算三维实体模型的编辑核心的地质建模功能强大的可视化功能结构特征和地质属性的统一地质解释功能岩体三维可视化模拟GOCAD软件及数学处理方法三维数据结构建模方法GOCAD软件简介GOCAD的数学处理方法数据接口和二次开发（1）GOCAD软件简介GOCAD是法国Nancy理工大学开发的主要用于地质领域的三维可视化建模软件。GOCAD软件可以建立表面模型提供多种约束条件可以建立实体模型编辑任意形状的图形变现空间属性分布灵活的信息存储技术地质工程地球物理勘探矿业开发水利工程Simulatingauraniumopen-pitgalleriesinpinkorebodiesinyellowSimulatingfluidinaporousreservoirSimulatingstratumingeology（a）Faultedporousreservoir；（b）porousitymappedonaverticalcross-session；（c）reproducingfaciesfromwellmeasurements；（d）simulatingmeanderingchannelGOCAD软件主界面（2）GOCAD的数学处理方法GOCAD软件采用离散平滑内插方法（DiscreteSmoothInterpolation简称DSI）作为其核心的技术.DSI方法用一系列具有物体几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质体。并将典型信息转化成线型约束，引入到模型生成的过程中。DSI方法可自由选择和自动调整格网模型，实时交互操作，并能够处理一些不确定的数据等。（3）建模方法GOCAD三维地质体建模主要包括两类：①构造模型建模主要采用线、面模型，重在模拟对象的形态及其相互之间的位置关系建立地质体构造模型,能够模拟地层面、断层面的形态、位置和相互关系；结合地质体各属性模型的可视化图形，还能用于辅助设计钻井轨迹。此外，构造模型还是地震勘探过程中地震反演的重要手段。②三维储层栅格结构建模栅格模型是在构造模型建立对象的基础上用三维网格（grid）来模拟地质体和地质属性参数的分布，栅格模型是构造模型的综合和进一步应用根据建立的构造模型，建立立体模型；同时，地质体含有多种反映岩层岩性和资源分布等特性的参数（如岩层的孔隙度、渗透率等），可对这些物性参数进行计算和综合分析，得到地质体的物性参数模型（4）三维数据结构三维建模软件采用数据结构的类型，对于模型的精度、存储量和实时分析等有重要影响。GOCAD软件采用边界表示结构。边界表示结构点：有其空间坐标来确定线：由连结两点的一系列节组成面：由连结3点的三角形组成体：由1组面组成（5）数据接口和二次开发ASCII文件DXF文件ShapeBMP文件IRAP/RMSZMapSEGFAutoCAD软件Gocad软件C语言二次开发地形等高线柱状图剖面图.dxf格式AutoCAD的三维面模型点模型线模型体模型剖面模型可导入到可导入到三维模型的建立方法三维岩体可视化建模的思想，是通过利用各种地质勘测资料，借助GOCAD内部的离散平滑内插运算方法，将离散数据转化为连续曲面，进而建立岩体的三维模型，处理岩层界面与结构面的组合关系，逼真地反映地质体的全貌。三维岩体可视化建模的具体过程：①由地形等高线和地质点数据建立地面模型②根据钻孔的分层信息，结合地质剖面图，分析确定各岩层的走向、缺失和尖灭位置等信息，抽象出岩体构成，并在钻孔不足地区和研究区边界上虚拟钻孔，提取各子体岩层的分层信息及地层的边界点，形成原始插值数据。再通过添加不同的约束条件，进行插值拟合，得到岩层面模型，进而对各原始曲面进行局部编辑处理③通过GOCAD软件内置的三维储层网格建模流程,由岩层面建立三维岩体模型④在已上岩层面和岩体模型基础上，生成任意方向的剖面图，或由岩层实体模型形成属性模型等。岩体三维建模及分析流程图地形等高线钻孔、平硐等电磁波CT结果数字成像结果勘测资料地质解释地质剖面虚拟钻孔岩层界面模型岩层实体模型属性模型可视化分析（旋转等）形成剖面图通过Gocad的workflow建立地质对象建模坝陵河地区勘测资料GOCAD软件工程地质三维建模三维地质体的操作三维地质体的切割本课题组提出的三维数字地质模型本课题组提出的五维空间概念为坝陵河大桥重点工程提供全方位的GIS数据库及虚拟现实模型，解决了一系列关键问题钻孔建模岩层界面模型岩体实体模型属性模型坝陵河重点工程具体建模过程（1）钻孔建模钻孔资料是地质建模中不可或缺的重要信息。但由于钻孔资料量有限，且钻孔揭示的地层分层参数很局限——只在某钻孔揭露点的可见范围内有效，因此在建模过程中，根据地质剖面图上地层的走向趋势和经验推测，要在钻孔分布稀少的地区和研究区域的边界虚拟出钻孔。这些钻孔信息通过导入GOCAD，即可建立钻孔模型。根据坝陵河大桥西锚踮和西索塔的地质概况以及地质剖面和地质钻孔数据信息，坝陵河大桥西岸选择距离“东西锚踮轴线”两边各120米的区域进行研究。根据提供的钻孔坐标信息，在坝陵河西岸地形图中插入钻孔实体。实际钻孔的直径相对于整个地形图来说很小，不利于直观的观察，于是对每个钻孔做了处理，以钻孔的坐标原点和高程为基础，在每个钻孔的外围包了一个内径2.0米外径2.5米的壳。同一个钻孔根据地层的不同对壳划分网格，这样可以更直观的把钻孔信息在地形图上表示出来.通过无重复点的散乱数据点集按某种规则进行三角剖分，使这些散乱点形成连续但不重叠的不规则三角面片网，并以此来描述3D物体的表面。微风化白云岩微风化泥晶灰岩层微风化泥质灰岩层（2）岩层界面模型地表模型在GOCAD中实现代表不同地层的不规则三角面片网坝陵河地区地质模型微风化白云岩微风化泥晶灰岩微风化泥质灰岩弱风化白云岩弱风化泥晶灰岩弱风化泥质灰岩弱风化砂质灰岩强风化泥晶灰岩强风化泥质灰岩强风化砂质灰岩残坡积层地表面西锚踮西索塔（2）岩层界面模型地层界面模型坝陵河西岸所研究区域地层界面模型坝陵河西岸所研究区域地层界面模型坝陵河西岸所研究区域地层模型纵剖面图GOCAD中三维地质模型横剖面图（3）岩层实体模型根据已建的各个岩层的曲面模型，进而通过GOCAD的workflow建立各岩层的块体模型，地质实体用实体模型（Sgrid）来表现，表达地质信息在研究区域内的分布规律。（4）属性模型地质对象的各种属性不但可以附加在模型上，而且，GOCAD里对象的属性还可以遗传，比如将孔隙率属性附加在点对象上，由点生成的线或面的控制点上也具有同样的属性，这样就可利用离散平滑内插技术对属性进行内插，由局部点的特征属性插值得到整个地质区域内该属性的分布情况。基于GOCAD软件所建立的实体模型，模拟了复杂岩体的产状和形状及其接触关系，图形实体的主要特征属性能够相互接触，利用其所具有的图形特性和直接利用图形的运算能力，属性的分布和相关关系可从图形中导出和计算，然后应用于多种数值方法之中，较之现有的纯数学计算方法更加直观、简便和可靠。坝陵河地区研究区域地表等高线（Z坐标显示）结论课题组通过融合CAD图形技术，借助GOCAD软件强大的地质建模功能，尝试建立了贵州安顺坝陵河大桥西岸局部地质体的三维模型。该模型融合了众多钻孔、地质剖面等各种地质信息，不但清楚直观地展现了地层的空间走向和分布，模拟了复杂岩体的产状、形状，同时将GOCAD模型转化到CAD模型之中，使CAD将属性信息附着于图形，从而在图形上即可获知整个区域的属性分布，并清楚地显现出来。这有利于发现以往二维可视化成果难以获取的信息，为设计人员作出迅速或正确决策提供有效参考。目前建立的模型还是一个静态模型，今后的研究趋势是将地层年代的变化信息进一步融入模型之中，使GOCAD和AutoCAD更加容易转换和数据共享，以建立一个能反映地质变化的动态模型。下一步工作展望谢谢各位领导和专家！