工程地质三维重构及图形显示

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1、国际计算机图形学与空间信息系统应用学术会议工程地质三维重构及图形显示陈树铭沈小克张在明郑临刘慧杰王满春张民山摘要：针对复杂工程地质体三维重构问题，提出了一种通用的重构算法，并应用IDL语言，初步开发了相应算法程序，初步实现了计算机三维图形生成与显示；同时对二个典型地质问题进行了分析，并针对一个较复杂的工程地质实现了三维重构。关键词：工程地质、三维重构、三维数字化、三维GIS系统1工程地质三维重构的背景1.1工程地质三维重构的意义工程地质三维重构，即三维数字化，是三维GIS系统的重要组成部分，是解决

2、建设、环境、减灾防灾等领域有关问题的关键技术之一。1、是工程建设的需要。工程地质，是工程建设的基本载体，涉及到岩土工程、地下工程等各种建设工程的方方面面，贯穿于勘察、计算、分析、设计、施工、管理、监测等的全过程；实现工程地质三维重构，可以优化工程设计，减少投资，提高工程质量，加快建设速度。2、是地下水与环境岩土工程的建设需要。工程地质条件是地下水储存和运动载体，开展工程地质三维重构研究，可以促进地下水在运动及空间分布，以及污染物运移方面的研究与应用。3、是减灾、防灾工程的建设需要。工程地质是减灾防

3、灾（地震灾害、沉陷灾害等）的载体，开展工程地质三维重构研究，可以促进减灾、防灾领域的研究与应用。1.2工程地质三维重构的瓶颈1、工程地质三维重构模型是最根本的瓶颈。工程地质本身是一个三维性、非均质性非常明显的复杂体，同时进行工程地质三维重构的边界条件，即实测资料分布极不均匀和不全面，具有很强的个性特点，且主要为一维结果。因此，在工程地质三维重构中，这种由不规整的一维边界（或部分二维边界）向三维整体所进行隔一维的重构问题，是不大可能用现有重构方法来彻底解决的。2、工程地质三维重构数据的海量性也是一个

4、关键问题。由于工程地质三维重构是对一个空间对象实现真正三维数字化，简单的说，假定一个面数据为1000×1000个，则一个体数据为1000×1000×1000个，也就是如果面数据为100M，则体数据的数据量将为面数据的数据量的1000倍，达100G，这个数据量对于PC机来说是一个灾难。3、工程地质三维重构数据的计算机图形生成与显示也是一个关键问题。工程地质体的空间形状没有统一的模式，在不同空间区域、不同计算精度下结果是千差万别，形态各异。因此，对任何千差万别的地质体进行计算机三维图形生成与显示，也是

5、一个重要的难题。1.3目前主要研究水平目前工程地质三维重构使用的方法，基本是基于空间曲面插值拟合方法来实现的，归纳起来有两个显著特征：1、将已知边界（实测资料）通过数学处理离散化为空间某个曲面的边界点；2、通过离散边界点建立曲面拟合方程，从而得到求解。Page8国际计算机图形学与空间信息系统应用学术会议以上方法能否取得较优解，主要依赖于两个要素：1、已知离散点的信息量与全部已知边界信息量的比值；2、空间曲面拟合函数与待求整体分布属性之间的相似程度。此外，也有应用随机过程原理、或数理统计原理来进行地

6、质模型分析，但由于工程地质体的复杂性，单纯通过建立概率模型或随机过程也是难取得较好的结果。2工程地质真三维重构模型2.1工程地质真三维重构基本原理工程地质三维重构归纳起来，可以抽象为一个数学问题：就是如何从一个已知的无穷子空间ζ，重构整个父空间Ω。进行工程地质三维重构，必须遵循两个最基本原理，即：1、在已知无穷子空间ζ上，重构的结果与实际值必须完全相等或保持一致；2、父空间Ω中任取元素¤，¤离无穷子空间ζ距离越近，¤的属性越与ζ属性相似。此外还必须遵循跟地质背景相关的原则：1、沉积原理，即考虑沉积

7、规律的影响，北京地区基本是冲洪积平原，沉积规律主要表现于同一标高上的土层有较高的同一性；2、大地层不相嵌原理，这主要是基于地质沉积年代考虑的，即大地质层之间具有排斥性，如填土层只能位于其它任何土层之上，新近代沉积层只能位于填土层之下和其它任何土层之上等。当然地质问题还存在其它有关背景方面的要求。2.2工程地质真三维重构算法针对工程地质的复杂性，以下提出了一种解决地质重构问题的新的算法，原理是：1、首先对所有实测资料进行归类处理，构造一个工程地质体属性空间Θ，显然Θ为一个有限子空间，假定其元素为N个

8、。2、任取元素¤∈Ω，任取元素Ξ∈ζ，在¤与Ξ之间，通过模糊函数ƒ(R,U,V)，建立Ξ元素对¤元素的模糊值，其中R为Ξ与¤之间的距离，U为Ξ与¤之间冲积原理的参数体现，V为Ξ与¤之间大地层不相嵌原理的参数体现。3、在第2步的基础上，应用神经元的概念，将ζ视为神经元空间,在其中取任意神经元Ξ对未知¤元素，产生模糊值ƒi。4、针对属性空间Θ中各不同属性，按照概理统计原理，对第3步产生的各ƒi值，实现规一化处理，并通过积分方程，将无穷子空间ζ中各ƒi值转化为空间Θ上的各属性权分布向量ω