水电工程三维监测信息分析系统理论与实践

第1章 绪论 1.1 研究意义 中国是一个水电资源非常丰富的国家，水能资源技术可开发装机容量超过5 亿kW。水电是可持续发展的清洁能源，水电开发可以有效减少对煤炭、石油、天然气等资源的消耗，节约化石能源并减少环境污染。 随着我国经济的持续发展和对清洁能源日益增长的客观需求，自20 世纪70 年代以来，我国水电工程建设获得了大规模的推进，建成了一大批世界级的水电站，如三峡水电站、白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、龙滩水电站、小湾水电站、糯扎渡水电站、向家坝水电站、锦屏一级和二级水电站等。这些大型工程所在地大多地质构造复杂、地质信息众多，给工程场址选择、枢纽布置、地下工程施工及灾害防治等方面带来了极大困难。在水利水电工程设计要求不断提高和计算机软件、硬件技术不断发展的前提下，作为构筑水利水电工程数字化、可视化设计与施工的基础工作，三维地质建模的信息化监测及基础地质建模与分析十分重要。三维地质建模与分析是一项极具挑战性且亟待研究解决的难题，受到地质工程师、工程设计师和科研人员等广泛而密切的关注，并已成为当前岩土工程、数学地质、水文工程地质等多个领域的研究前沿和热点。 随着计算机硬件和软件的不断发展，人们对位置信息的关注促使地理信息系统（geographic information system，GIS ）在近几十年蓬勃发展。其中二维GIS 系统的出现在很大程度上解决了地表信息的存储管理和检索分析问题，它使人们从单调文字界面向图形化信息表达前进了一大步。二维GIS 系统是建立在地图上的信息系统，只要给出二维地理坐标就可以得到与此地相关的各种信息，所有操作用鼠标在计算机屏幕上的图形界面中点击完成，不必像在管理信息系统（management information system，MIS ）中那样要记住名称和编码等，操作简单到非计算机人员也可以即学即用。二维GIS 系统的开发为信息化时代计算机技术的普及做出了巨大的贡献。但是人们生活在三维世界里，人类的活动具有空间性，这就决定了二维GIS 远远不能满足人们对信息的需求，特别是在地下工程中，Z方向（深度）的信息尤其重要，二维GIS 已经不能对其进行很好的表达，这决定了GIS 技术发展的另外一个重要方向——三维GIS（3-dimensional GIS，3D GIS）。3D GIS 不仅能表达地表的起伏，新增加的Z方向维，还使它成为描述地下信息（即地质信息）的有力工具。这种描述包括对地下已有地质信息的表达和对未知信息的预测，同时这种表达和预测以三维图形的方式进行。三维地质信息的表达是通过建立三维地质模型来完成的，建立三维地质模型是3D GIS 的重要组成部分。它不但受到地质学家的广泛关注，也引起了计算机专家特别是地理信息系统专家的重视。 三维地质与地层信息建模的概念由加拿大Houlding[1] 于1994 年*先提出，并随着地球空间信息技术的发展不断完善。它是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析及图形可视化等工具有机结合并用于地质分析的技术。它是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、计算机可视化等学科交叉而形成的一门新学科[2-3] 。经过多年的研究，这一概念可定义为运用现代空间信息理论和技术，对地质体和地质现象及与此有关的人类工程活动进行真三维再现和分析的科学与技术。 三维地质信息理论在人类对地下活动开发领域的应用促进了一门新技术——地质体三维可视化建模技术的诞生。作为一门交叉技术，它集成了科学计算可视化技术、空间几何造型技术、地质学理论及计算机技术等。地质体三维可视化建模的核心有二：一是“可视化”，二是“建模”。 “可视化”指的是科学计算可视化技术。科学计算可视化提出以后，迅速发展成为一个新兴的学科。可视化理论和技术对地学信息的表达和分析产生了很大影响，这种影响可以归纳为两个方面：一方面从技术层次上，可视化技术与GIS 技术的结合，促进GIS 地学数据的图形表达；另一方面在理论上，可视化不仅仅通过计算机图形显示来表达数据，本质上是人们建立某种事物（或某人）在脑海中的意象，是人们对地学信息认知和交流的过程，这个过程可以帮助人们获取地学知识，认识地学规律。地学系统是一个复杂的研究领域，涉及多门学科及多种技术，涵盖的内容相当丰富。与其他领域相比，地理信息具有信息量大、情况复杂等特点。可视化技术的使用可以帮助人们更加全面和准确地了解地学信息，分析地学规律，甚至可以为地学领域的生产及宏观规划提供辅助决策。可以说，地理信息可视化技术的发展必将推动整个地球信息科学的发展。 “建模”指的是空间几何造型技术。空间几何造型技术是用计算机及其图形系统来表示、控制、分析和输出三维形体的技术。它是CAD 系统的核心技术，也是模拟仿真、计算机视觉、计算机艺术、机器人等领域的技术基础。空间几何造型技术的核心是空间数据模型和数据结构。空间几何造型技术始于20 世纪70 年代，在80 年代发展成熟，并推出了许多商品化的造型系统软件，90 年代则是实体模型技术发展时期。目前，空间几何造型技术仍处于不断发展的过程中。 尽管交叉学科研究为科学的发展提供了重要基础，同一技术在不同行业的应用还需要根据其自身特色，开展不同专业目的的需求分析。GIS 强大的空间分析能力和决策能力为解决岩土工程问题提供了一条新的思路。三维地质建模技术从一开始便受到国内外众多地质工作者的广泛关注，并在该领域中做了很多深入的研究，特别在三维数据结构、三维建模方法，以及空间数据的插值方法等方面取得了诸多重要研究成果[4-18] ，也开发了一系列优秀的软件平台。但是由于学科的复杂性，三维地质建模技术仍存在着一些问题亟待解决，主要表现在以下4 方面。 （1）对三维空间数据模型缺乏统一认识。几乎每一个从事三维地质建模的研究者都提出了自己的三维数据模型，归纳起来主要包括三类数据模型：基于曲面表示的数据模型、基于表面的数据模型及混合数据模型，涵盖20 多种数据结构的定义。 （2）三维空间数据模型理论和技术不成熟。绝大多数模型技术仅重视三维对象本身，而对对象间的拓扑表达重视不够，因此管理三维空间对象的能力较弱，也不能对岩土工程进行空间分析。 （3）由于原始地质数据获取的艰难性、地下地质体和空间关系的极端复杂性，以及地质体属性的未知性和不确定性，地质曲面的构造难度较大，目前还没有固定的稀疏、离散的数据来直接构造地质曲面的方法。 （4）三维地质建模过程复杂，需要一定的专业背景，而且数据源的多样化导致建模过程缺乏自动化。 为此，本书针对水电工程中监测信息管理和勘测设计资料特点，以水电工程边坡和地下洞室为研究对象，开展基于GIS 的相关技术开发研究，提出边坡三维地质体模型、地下厂房洞室群模型及监测仪器模型等的快速建模方法，形成一个水电工程地质场景综合可视化系统。在此基础上结合岩土工程专业分析方法，开展边坡和地下厂房监测数据与地质信息的综合分析，实现系统的信息可视化、快速化和集成化处理，开发独立底层、自主版权的水电工程三维监测信息管理分析系统软件。 1.2 研究进展 1.2.1 三维地质建模研究进展 三维地质建模研究*初主要是为了满足地球物理、矿业工程和油藏工程等领域的地质模拟与辅助工程设计需要而展开的。随着水利水电工程建设的迅速发展，对水利水电工程地质三维建模与分析的需求也愈来愈强烈。现将国内外相关的三维地质建模及其分析研究进展总体情况分析如下。 1. 国外研究进展 国外的三维地质建模研究开展较早，在理论研究、软件开发和实际应用等方面发展较为成熟。在基础理论方面，不少学者结合自己所在领域，从各种角度提出了不同的理论与方法。 加拿大学者Houlding[1]于1994 年提出三维地学建模的概念，即在三维环境下将地质解译、空间信息管理、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析及图形可视化等结合起来，并用于地质分析。他详细阐述了基于有限数据建立计算机模型，以满足地质学家扩展地质解译、地质统计预测和图形显示的需要，并对5 个各具特点的实例进行了三维地质建模应用，从总体上对三维地质建模技术进行了总结归纳，为地质信息的三维分析与管理指引了方向。法国的Mallet 教授[19]针对地质体建模的特殊性和复杂性，提出了离散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI ）技术，该技术基于对目标体的离散化，考虑已知信息引入的约束，用一系列具有物理几何和物理特性的相互连接的节点来模拟地质体。它是基于图形拓扑结构的方法，因此具有自由选择格网模型、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优点，适用于构建复杂模型和处理模型表面不连续的情况。意大利米兰大学的Bistacchi 等[20] 基于ArcGIS 实现了三维地质模型的编译，并建立了考虑模型不确定性的编译脚本，该模型构建方法仍然是基于构造地质学的基本假设，并采用多个平行与交叉截面建立模型，但该方法能更好地提高效率和可视化效果，并且允许对每个投影结构元素（比如地质边界、断层和剪切带等）分配参数。加拿大地质调查局的Sprague 等[21]提出了使用贝塞尔（Bezier）非均匀有理样条曲线（non-uniform rational b-spline，NURBS ）组成的Bezier-NURBS混合曲面拟合三维结构的方法，可应用于稀疏的空间曲面构造。 随着三维数字化建模理论基础研究的深入及计算机技术的迅速发展，国外的三维地质建模 软件已形成相当的规模，比较典型的大型专业软件包括法国的GOCAD、美国的EarthVision 和 Landmark 、西班牙的Vulan 、加拿大的Gemcom 和Sproule 、澳大利亚的SurpacVision 等，这些软件分别应用于地球物理、石油物探、石油开采和露天矿开采等领域，取得了颇有成效的研究成果，其可视化功能也可用于某些岩土结构工程的三维表达和分析。但是，由于国外软件售价高，并且受到具体地质条件的限制，且主要面向石油、矿产等领域，其应用目的与水利水电工程地质分析存在较大的区别，难以在我国水利水电工程地质信息三维建模与分析研究中推广使用，尤其是对于大型水利水电工程，从勘探数据处理到模型建立、表达等方面的针对性和实用性均不强，只适用于某些特定的条件。 2. 国内研究进展 自计算机在地学中应用以来，国内由于受到硬件及人才培养等客观因素的限制，地质工 程师大多仅从二维上对地质体进行分析和研究，并且研发了许多二维制图的应用软件，对三 维地质建模和分析方面的研究成果相对较少。 目前，很多高等院校和研究单位结合所属领域开展了相关研究工作，取得了一定的理论和应用成果。陈昌彦等[22]应用拟合函数法研发了边坡工程地质信息的三维可视化系统，并应用于长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构模拟和三维再现工作中。朱小弟等[23]提出基于OpenGL 的切片合成法，并应用于煤田三维地质模型可视化分析中。中国矿业大学（北京）武强等[24]设计了超体元实体模型，并基于特征的驾驭式可视化设计思路，建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构；陈树铭[25]、魏迎奇等[26]提出泛权算法理论，试图解决任何复杂的三维地质信息数字化与重构问题。中国地质大学（武汉）的吴冲龙[27]、翁正平[28] 及南阳理工学院的唐丙寅等[29]结合地质空间插值、地质体矢量剪切、三维空间索引等多项技术研究了地质体三维模型的快速构建及更新技术。利用不规则三角网（triangulated irregular network，TIN ）和角点网格（corner-point grid，CPG ）联合的TIN-CPG 混合数据模型，在确定性地质结构模型（包括地