基于似三棱柱的三维水文地质体建模技术研究

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究基于似三棱柱体的三维水文地质体建模技术研究基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究目录引言........................................................................21孔隙地下水含水层系统概念模型...............................................31.1含水层的空间分布特点.................................................31.2承压含水层系统建模数据源.............................................31.3三维水文地质体模型特点...............................................32水文地质钻孔模型构建方法...................................................42.1钻孔数据结构设计.....................................................42.2水文地质钻孔建模方法.................................................43分层界面三角网(TIN)......................................................73.1三角网模型数据结构...................................................73.2三角形生成算法.......................................................74基于三角形区域的线性插值...................................................94.1加密点生成算法.......................................................94.2线性插值算法........................................................105基于矩形区域的双三次样条插值函数构造......................................125.1双三次B样条函数插值函数求解方法....................................125.2二次加密点的生成....................................................136基于似三棱柱体的三维地质体模型构建方法....................................147结论与展望................................................................17基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究1摘要:以盐城市水文地质钻孔实际检测含水层数据为基础,研究了盐城地区孔隙地下水承压含水层系统三维地质模型的构建的一般技术路线,并在VC++环境下使用计算机可视化技术(VTK)设计实现了地质体建模系统原型的开发。首先设计钻孔数据模型,根据水文地质钻孔标准化卡片绘制水文地质钻孔模型,使用逐点插入法构建初始三角网,以此为基础,建立各含水层分层界面的初始DEM;之后再根据三角形区域的线性插值算法实现对初始DEM的加密,为了满足二元插值函数的计算要求,本文设计了一种生成各分层界面计算节点规则矩形格网的算法;最后利用该加密后的计算节点矩形格网,使用二元双三次B样条函数进行二次加密,构建具有最优模拟效果的基于似三棱柱的三维含水层模型。关键字:水文地质钻孔;孔隙地下水;逐点插入法;线性插值;三维地质体建模;基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究2引言三维水文地质建模,往往是为了后续开展孔隙地下水流场数值模拟与可视化工作服务的。只有在一个准确、合理的水文地质体模型的基础上,才能使地下水的数值模拟误差控制在有效的范围以内;另外由于地质体模型的构建所使用到的初始采样数据一般比较稀疏,根据原始采样数据建立起的地层模型模拟效果较差。因此如何能够根据实际探测到的地层采样数据,通过不同的插值算法,构建起精度满足要求、模拟效果较好的最佳地质体模型,便成为了首先要考虑定的问题。一般说来,如果研究区域的采样点数据是以矩形点阵排列的,可以通过采用基于矩形区域代数插值函数、矩形区域的样条插值函数、矩形区域的最小二乘插值函数等对地质体表面进行逼近。但在实际问题中,采样点往往并不能够以矩形点阵的形式排列,此时,可以采用基于三角形区域的插值、康斯曲面以及移动曲面拟合法等插值算法对地质体表面进行加密。由于三维模型表面常常采用三角网来表示,因此本文选择基于三角形区域的线性插值函数作为地质体表面的逼近算法。然而基于三角形区域的线性插值实际上是以平面去逼近曲面。虽然在整个区域上可以保证“连续”,但是在连接处却是不光滑的,即一阶导数不相等。因此需要使用样条函数对地层表面模型进行平滑。在三角形插值的基础上构建规则矩形格网,之后在此矩形格网上使用二元样条函数进一步内插,最终形成整个区域上光滑、连续的地质体表面模型。在加密后的地质体表面模型基础上,构建不同含水层界面的TIN模型。针对水文地质钻孔数据特点,考虑到含水层存在缺失的情况,设计可以识别不同含水层情况的三维地质体建模算法。水文地质体建模所采用的空间数据通常有似三棱柱、四面体、六面体等数据模型。由于水文地质钻孔被可近似表示为垂直的,且含水层分层界面DEM采用的是不规则三角形格网(TIN)结构;又由于地层中经常出现缺失的情况,直三棱柱往往会退化为四面体或者四棱锥。而直三棱柱、四面体或者是四棱锥,都可以统一采用似三棱柱的数据模型加以表示。似三棱柱可以精确模拟承压含水层对象的表面与内部结构,灵活性较强、生成算法较为简单。因此对于水文地质体的三维建模而言,似三棱柱是具有较高的实用价值和应用前景的一种空间数据模型。基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究31孔隙地下水含水层系统概念模型1.1含水层的空间分布特点孔隙地下水含水层在空间上分布相对均匀,连续性较好。从上至下依次可划分为潜水含水层、第一承压含水层、第二承压含水层、第三承压含水层、第四承压含水层。不同的含水层之间一般由透水性很弱的隔水层加以间隔。地下水赋存于岩层的孔隙中,其分布范围与含水层的分布范围是基本一致的。1.2承压含水层系统建模数据源由于孔隙地下水系统埋于地下,只有通过水文地质钻探与地球物理勘探的手段揭示含水层与隔水层的空间分布特征。其中水文地质钻探获取到的水文地质钻孔数据是描述孔隙地下水系统水文地质结构的基础的数据,也是孔隙地下水系统三维水文地质体模型构建的主要数据源。水文地质钻孔数据中,描述水文地质结构的数据有:钻孔地面高程、含水层的顶底板高程、隔水层的顶底板高程、含水层与隔水层的厚度、含水层与隔水划分数据、含水层岩性数据等。1.3三维水文地质体模型特点水文地质钻孔数据的精度是由一定区域范围的水文地质勘查精度决定,在空间上呈离散分布,对于那些勘察盲区的水文地质结构只有通过水文地质专家根据第四系地层的沉积规律与自身的经验推断获取。另外,由水文地质钻探获到的反映水文地质结构的数据是一成不变的,仅反映勘探时刻的含水层与隔水层的空间分布情况,不能动态描述含水层与隔水层随着地下水位下降其空间结构也发生变化的特点。因此水文地质钻孔数据具有时间性的特点,构建的三维水文地质模型是一个静态模型,反映了某一水文地质钻探时间的隔水层与含水层的空间分布情况。基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究42水文地质钻孔模型构建方法水文地质钻孔模型可近似视作为具有一定直径和高度的分段圆柱体。不同的分段代表不同的含水层,不同的含水层种类,应以不同的颜色加以区别。由于钻孔模型是规则的几何体,因此可以采用规则格网数据模型来表示水文地质钻孔。规则格网数据模型,即结构化网格数据模型,内部是由具有规则拓扑结构的单元组成,而其外部的几何形状则是不规则的。它本质上可以看作是一系列等间距规则分布的点集,按照指定的结构(规则)分布形成的三维网格数据。2.1钻孔数据结构设计设计的水文地质钻孔数据结构中应包含钻孔的位置信息、含水层信息,以及钻孔编号信息。水文地质钻孔数据结构ClassCBore{Intid;//钻孔编号double[3]positionCoord;//钻井坐标floatheight;//钻孔深度intlayerNumber;//包含含水层层数vectorinthydroCategory;//包含含水层的种类vectorfloathydroDepth;//包含的各含水层的层底深度};2.2水文地质钻孔建模方法为了区分出不同含水层之间的隔水层,将潜水含水层和第一承压含水层之间的隔水层记为第一隔水层,依此往下分别记作第二隔水层、第三隔水层、第四隔水层和第五隔水层。这样一来,含水层从上往下正常的顺序应为:潜水含水层、第一隔水层、第一承压含水层、第二隔水层、第二承压含水层、第三隔水层、第三承压含水层、第四隔水层、第四承压含水层、第五隔水层。为了便于管理,自上往下依次编号为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。含水层与编号的对应关系如表2.1所示。表2.1含水层编号含水层编号含水层名称0潜水含水层1第一隔水层2第一承压含水层3第二隔水层4第二承压含水层5第三隔水层基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究56第三承压含水层7第四隔水层8第四承压含水层9第五隔水层每一个水文地质钻孔是由一系列的分段圆柱拟合而成的,每一个分段圆柱对应于一种含水层介质。上一层的圆柱底面,对应于下一层的圆柱底面。生成时首先需要确定钻孔的分段数,也即包含的含水层层数k,之后指定圆柱体的圆周拟合数i,该拟合数决定了圆柱体圆周的圆滑程度。确定了这两个参数之后,依据如下算法,即可绘制出三维水文地质钻孔:(1)从数据库中读取钻孔位置信息和含水层信息,创建一个钻孔对象CBoreaBore。(2)对于每一个钻孔对象,分段数k=aBore.layerNumber;圆周拟合数i需要手动指定,可以设置为10;另外还需要指定圆周半径rMax和rMin。此处应令rMin=0deltaRad=(rMax-rMin)/(2-1);(3)对于每一个圆柱分段ki,获取层底圆周面中心点位置坐标,(x0,y0,z0–aBore.hydroDepth[ki]);(4)根据层底圆周面中心位置坐标,计算圆周拟合点坐标:for(intj=0;j2;i++){radius=rMin+j*deltaRad;//计算圆周半径jIndex=j*dim[0];//计算点的索引for(inti=0;i10;i++)//计算层底圆周面上每个拟合点坐标{theta=math-RadiansFromDegrees(i*angel);x[0]=radius*cos(theta)+x0;x[1]=radius*sin(theta)+y0;Index=i+kIndex+jIndex;points-InsertPoint(Index,x);}(5)将每一层对应的的含水层编号赋给分段圆柱,最终形成VTK可识别的规则格网数据文件。导入到VTK可视化管线中显示。如图2.1所示。图中为了较为清楚地展示模型的属性与特征,在z方向上做了拉伸处理。基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究6图2.1三维水文地质钻孔建模基于似三棱柱体的三维水文地质体建模研究73分层界面三角网(TIN)3.1三角网模型数据结构三角网由一系列的三角形单元组成,每一个三角形由可拆解为三个有向边。每个有向边又是有起点和终点两个端点确定的。基于此拓扑关系,设计数据结构如下:(1)点数据结构ClassCPoint{Intid//点索引号floatxyz;//点的位置坐标intlay

1 / 19
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功