褶皱与断层地质构造三维建模技术研究

摘要

针对目前地下空间开发利用以及三维地质建模研究领域的需求,在充分分析研究国内外三维地质建模相关理论与方法的基础上,以平面地质图为主要的建模数据源,以地质钻孔(包括虚拟钻孔)与地质剖面为辅助建模数据源,以拓扑学、几何学、胞腔复形理论、NURBS曲面理论、GIS与计算机科学等为理论基础,研究与构建相对完善的褶皱与断层地质构造三维建模的空间数据模型、数据结构以及相应的三维地质模型,从理论上推进三维地质建模领域三维空间数据模型与数据结构的研究,促进地质领域3D GIS的发展,更好地为地下空间的合理开发利用提供辅助决策依据。
　　 论文依据自然界中褶皱与断层构造的基本特征、类型、几何形态及其描述其结构的几何要素,分析了褶皱与断层构造在平面地质图的表现内容与形式；从计算机图形学的角度,抽取了褶皱与断层地质构造的空间、几何要素,研究并建立了褶皱与断层地质构造三维建模的概念模型。
　　 在回顾空间实体形式化定义的相关研究成果基础上,分析目前对于三维空间实体形式化定义所存在的问题。从拓扑空间、度量空间、欧氏空间三个角度分析了三维GIS所研究的地理空间,分析三维地理空间的有关特性,进行基于非流形的褶皱与断层地质构造空间实体形式化定义；基于单纯同调理论与基于胞腔同调理论的两种空间建模方法,以胞腔同调理论为基础,给出了基于胞腔复形的褶皱与断层的三维空间点、线、面、体及混合维实体的形式化定义,并研究了胞腔与胞腔复形的几何关系；以基于胞腔复形的三维空间实体形式化定义为理论指导,提出了一种基于胞腔复形理论的褶皱与断层地质构造三维建模的空间数据模型(NM—BR)。
　　 根据褶皱与断层地质构造三维建模的特点以及建模数据源类型,厘定了以平面地质图数据为主要的建模数据源,地质钻孔与地质剖面数据为辅助建模数据源的褶皱与断层地质构造三维建模的技术路线；分析了褶皱与断层地质构造三维建模的数据源类型(平面地质图数据、地质钻孔数据、地质剖面数据)及其特点,根据各类建模数据的特征,研究了相应的数据处理与提取以及建模数据组织管理方法。针对褶皱与断层构造三维建模区域边界的不规则以及勘察数据的不足,引入边界虚拟钻孔的算法,重点探讨了地层面和断层面均为平面、断层面是平面而地层面是曲面、断层是曲面而地层面为平面、地层面和断层面都是曲面的四种典型情形下的边界虚拟钻孔确定方法,为基于平面地质图数据褶皱与断层地质构造三维建模提供了辅助数据的采集方法。探讨了在构建断层面、地层面及地质体的过程中所用到的关键技术,如曲面拟合、曲面相交处理技术。考虑到后期采用其它的勘察数据优化模型的因素,采用NURBS技术进行断层面及地层面的拟合,在确保空间层面及地质体的拓扑一致性方面,研究了在曲面求交过程中,采用网格离散法,并基于TRICUT算法,实现三角网格求交的技术方法。分析了基于平面地质图构建三维地质模型的误差来源,研究与提出基于钻孔数据(控制性钻孔、虚拟钻孔、边界虚拟钻孔)和基于地质剖面数据优化褶皱与断层构造三维地质模型的两种方法。
　　 根据褶皱断层地质构造三维建模要求,阐述了模型三维可视化实现技术方法与技术流程,以及实现的开发环境、原型系统设计思路。选择断层构造发育地区,对论文中研究的三维数据模型、数据结构与建模方法进行实验。