1.1　概述

随着中国经济的持续发展和西部大开发战略的实施,水利水电事业呈现出勃勃生机,一大批巨大型水利水电工程相继得到开发,如三峡、龙滩、小湾、溪洛渡、糯扎渡、锦屏一级、白鹤滩等。这些工程大多处于高山峡谷,所处地区地质构造复杂、地质信息众多,给坝址选择、枢纽布置、地下工程设计与施工等各方面带来了很大的困难。随着对水利水电工程设计要求的不断提高和计算机软硬件技术的不断发展,作为构筑水利水电工程数字化、可视化设计与施工的基础,三维地质建模与分析这一项具有挑战性、亟待研究解决的关键技术难题,受到地质工程师、工程设计和施工人员等广泛而密切的关注,并已成为当前数学地质、水文工程地质等多个领域的研究前沿和热点。

在水利水电工程地质勘察勘探的各个阶段,可以从野外获得各种地质信息,包括地表地形、地层界面、断层、地下水位、风化层厚度分布以及各种物探、化探资料等。但这些信息都是离散不连续的数据,地质工作者很难直接利用它们分析其在地质体中的分布规律,必然会面临如何利用这些实测资料来推断地质信息在研究区域内的分布规律及其复杂关系的问题。即使能够预测各种信息在所研究地质区域中的分布值,面对大量的输出数据,地质工作者仍然会感到很难分析,而且他们往往习惯于用图件来反映地质信息,自然会希望能利用计算机自动显示这些信息在地质体内的分布规律。因此,利用计算机技术进行三维地质建模与分析是计算机在工程地质领域应用的一个必然趋势。

然而,传统的工程地质资料的分析和解释一般局限于二维、静态的表达方式,它描述空间地质构造的起伏变化直观性差,往往不能充分揭示其空间变化规律,难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况,越来越不能满足实际分析的需求。因此,利用工程地质勘探和实验分析所得到的一系列空间分布不均的离散数据来描述地质构造的空间展布情况,建立恰当的水利水电工程三维地质模型,并使相应的空间可视化分析具有可操作性,是水利水电工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多学科交叉领域研究的一项重要的应用基础性课题。

在此背景下,数学地质理论、计算机图形学、科学计算可视化技术(Visualization in Science Computer,ViSC)和地理信息系统(Geographical Information Systems,GIS)等理论技术的发展为三维地质模型重建创造了条件。三维地质模型实质上是地质信息在计算机中的数据表达方式,包括数据存储结构和可进行的相关操作,上述先进技术为此提供了有力的支持。利用三维地质模型不仅可以直观地描述地下复杂的地质构造情况,形象地表达地质构造的形态特征以及构造要素的空间关系,而且结合强大的交互式空间分析功能,可以使地质分析更为灵活、直观、准确,从而为快速、适时地再现工程地质三维信息与地质综合分析开拓了一条有效的途径。