秉睦科技近期参与完成了深圳地铁14号线项目三维地质建模工作，秉睦三维模型成果无论从质量、效率、满足生产应用等角度，均获得了委托单位的高度认可。在完成项目的同时，针对委托单位此前调研的其他产品创建的14号线三维模型（下文简称“原模型”）质量、效果均无法满足工程应用的现实问题，本文对比分析了导致这一问题的内在原因。 

图 1：    秉睦建模成果与其他产品成果（原模型）对比

 图 2：    秉睦BM_GeoModeler建模成果

       分析评价分别从地质专业要求和计算机技术两个方面进行，前者包括模型成果正确性、合理性和模型精度三个方面，后者指网格质量和建模技术（算法），评价准则和意见参见下表：

       为突出重点，仅从地质专业和计算机技术角度进行扼要叙述，前者侧重模型正确性，后者实际上决定了模型正确合理程度。

       1.模型成果正确性评价：

       模型正确性的基本要求是正确体现钻孔与地层揭露关系，现实中钻孔揭露的地层，模型必须通过。反之，钻孔未揭露时，模型必须不能通过。

       检查结果：当地层被所有钻孔揭露时模型正确，仅部分揭露时，大量存在地层通过未揭露该地层钻孔的现象。下图是其中5-3-1层的模型成果，其中的灰色圆柱表示钻孔、彩色圆盘表示钻孔揭露的该地层。该模型显示5-3-1层仅被18个钻孔揭露了，但该地层的模型（粉红色面）与其中的55个钻孔相交，意味其中37个钻孔的模型结果（不含“针刺”经过的钻孔）与实际不符，模型错误（不过，如此多的简单错误可能与应用环节有关，但受建模技术限制，这类问题难以根除）。

图 3：          5-3-1层模型与钻孔揭露关系不符（原模型） 

       除与勘探成果吻合以外，模型揭露的地层接触关系也是需要保障的内容。沉积地层具有明确的地质时代，因此层面之间接触关系遵循严格的地质规律，地层可以相交尖灭但不会出现穿插现象。尽管不同成因的地层之间存在比较复杂的接触关系，如岩浆岩与围岩之间可能存在的侵入接触、受沉积环境变化或构造运动影响等出现角度不整合等，但所有这些接触，接触面形态都具有一定的特征，如侵入接触的不规则、角度不整合整体上舒缓起伏。

       该模型结果中比较普遍存在沉积土层（粉细砂与中砂）之间、岩浆岩地层之间接触关系异常现象，异常程度超出合理范围，可判断为错误。

 图 4：    沉积土层之间的异常接触关系（原模型）

       图 4表示了沉积土层之间异常的接触关系，在4个相邻钻孔范围内，5-3-1与5-3-2交叉出现。当然，该工程所在区域交互相沉积比较常见，也不排除其可能性。不过，该模型出现交叉的首要问题是上述的“钻孔~地层”关系错误，夸大了5-3-1层分布范围。实际情况为一嵌套透镜体，5-3-1位于5-3-2之中（参见下图，秉睦成果）。

图 5：    秉睦成果细节 

       图 6所示的三个地层（10-2-1、10-3-1、10-4-1）均为花岗岩，这三个侵入成因的地层，不论是按风化程度、还是按侵入次序划分，其接触关系均不符合地质规模，内在原因是建模技术粗糙导致模型精度过低（一定程度应与应用技术相关，但总体还是建模技术适应性严重不足）、误差过大超出合理范围。

 图 6：    不同花岗岩之间接触关系异常（原模型） 

       2.技术特点与适应性评价：

       导致模型成果上述问题的根源是建模技术，直接相关的是网格技术和构建模型的算法。从模型的特点看，该建模软件直接采用了目前商用图形引擎中的“三棱柱”技术，这类引擎普遍用于结构BIM软件，基本不适合地质建模。

       三棱柱建模技术是BIM软件创建实体模型的一种解决方案，它把空间用直立的三棱柱填满，然后根据已知数据拟合成面与三棱柱相交、实现分段，相同特性者相连成封闭的空间区域（体），在地质体中相当于平缓沉降地层中的分层。该技术在本项目应用的痕迹表现为：

       1.平面上每三个钻孔形成一个三角形，即先进行了三角化，然后向下投影，因此，钻孔边界基本为模型边界， 不外推适当扩大建模范围；

       2.模型为包络体（封皮），其外表采用三角形网格“贴片”形成，模型成果的网格尺寸严格受钻孔布置控制，即相邻三个钻孔之间仅“贴”一个三角形面片而不是多个，钻孔之间地层被强制处理为理想平面、不考虑起伏，因此，当仅一个钻孔揭露地层形成透镜体时，建模时必须和相邻另外至少两个钻孔相连，形成一个三角形，导致模型通过的钻孔数量可以远超勘察资料中的实际情形（不过，该图形引擎具有局部内插三角形模拟尖灭的能力，模型成果错误可能与应用环节有关）。

       由于这一技术依赖平面三角形网格进行垂直投影，因此仅有可能适合于平缓地层，陡立地层建模缺乏适应性（即便勉强使用，也会因三棱柱过多导致性能大幅降低，影响实用价值）。即便应用于平缓地层如第四系土层时，仍然存在如下三个方面的重大、乃至致命性缺陷：

       1）钻孔异型布置（存在凹边）时平面三角化过程的缺陷及其对模型可靠性的影响；

       2）地形和地质对象平面起伏变化时、控制地层出现交叉穿插导致三棱柱增大对性能的影响；

       3）对分层结果三维空间关系正确的依赖，无法检查和校正分层结果三维空间关系的正确性。

       前两者是技术自身的问题，第3）是假设这两个问题都不存在、对工程现实的适应性问题，秉睦最近开发的“计算机三维辅助分层技术”就是针对第3）个问题。为简单起见，这里仅简要说明“三棱柱建模技术”的第1）个问题。

 图 7：    平面三角化缺陷与影响

       图 7表示了钻孔平面布置存在凹边时三角化缺陷及其对模型成果的影响，图中的左上表示了2排6个钻孔弯曲布置（平面图）在凹边网格化缺陷的原理图，原理图的上方是工程希望的网格化形式，三排钻孔依次相连。而计算机可能给出原理图下侧的结果，除相邻钻孔相连外，第1和第3排不相邻钻孔也相连，这是因为数学上不能排除凹边第1和第3钻孔不相邻，即工程的“相邻”在计算机判断是存在差异。由于该工程钻孔沿地铁弯曲布置，平面形态上存在产生凹边的条件，而模型结果中普遍存在凹边三角化问题，其中右上的5-2-2层三角化问题尤其突出。

       因为不了解建模过程地质现象如尖灭模拟的具体方法，目前不好评价三角网缺陷对分层、尖灭形态的影响程度，但这一缺陷很早就存在TIN建模技术中，也是专业的地质三维建模软件基本不采用该技术的原因之一。

       3.认识与总结：

       从该工程案例看，原模型成果不能保证正确性，准确合理性更难保证。秉睦公司采用相同的数据创建了模型，没有出现上述任何一个方面的问题，根源在于建模技术上的差异，再次说明核心技术的决定性作用。

图 8：    两个模型整体形态对比

       图 8是采用相同的勘察数据创建的两个模型整体形态的对比，两个模型都将1-1填土层设置为同等透明程度，揭示下覆地层的分布。显然地，秉睦模型体现的内容更丰富和翔实，美观程度更好。此外，秉睦模型范围可控，允许向外推测，更符合工程需求。

       下图显示了秉睦模型的可靠性（桔红色圆盘代表钻孔揭露的5-1-2，未揭露的钻孔无此圆盘），原模型中该地段5-1-2地层与相当部分钻孔的关系不正确，即模型错误；而秉睦模型中完全正确地表达了彼此之间的关系。此外，秉睦模型钻孔之间由多个三角形网格相连，模拟了钻孔之间的起伏形态。

图 9：    两个模型正确性与形态对比（上为原模型、下为秉睦模型）

应用篇-工程案例对比分析