基于大数据的三维水文地质结构模型构建分析

罗年山

（重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆 401121）

地下水存在于地表以下的岩石空间中，与地表水相比，更难被直接的观察到其赋存空间及动态的分布情况，因此隐秘性更强。传统的勘测方法是通过钻孔数据、点检测数据侧面反映水文地质的结构及属性。但这些方法对地下水的空间结构了解缺少直观性，因此很难准确的表达地质现象及水文地质结构的空间关系[1]。而且传统的方法会导致地下水资源得不到合理的利用，造成水资源的严重浪费，更会引起地下水位的持续降低、地下水污染、土地荒漠化等一系列自然灾害的发生。因此为正确的认识水文地质结构，构建三维水文地质结构模型具有重要的意义。

1 构建基于大数据的三维水文地质结构模型

构建基于大数据的三维水文地质结构模型要以恢复真实水文地质结构、形态及空间分布为目的，为地质工作者提供更加直观的观测目标，通过对模型的旋转、虚拟漫游以及虚拟钻探等技术，对水文地质的内部结构进行动态的分析，从而掌握目标对象与周围环境之间的联系，实现水文地质信息的定量分析和探究[2]。

在构建三维水文地质结构模型的过程中还要对各种复杂的地质情况进行合理的处理，并结合相关的三维空架结构切割算法、剖面解析算法、三维空间交互算法等实现对三维水文地质结构模型的缩放、虚拟漫游、平面解剖等一系列的三维立体分析功能。

（1）建立数据库。在建立三维水文地质结构数据库时，首先要根据数据的来源对其进行划分，划分为基础地理数据、基础地质数据、水文地质数据、勘探数据以及影像数据五大类。再将每一类数据按照空间信息的实际特性进行划分，分为多个不同的子类，保证模型中的每一类数据都有其各自的空间内涵。数据以图层的形式进行存储，每一图层表示一类实体空间数据。图层的划分要以方便实际操作的人员对图形进行管理和计算为标准，同时还要考虑到本身的专业属性，以层的形式进行分组，每个图层代表一个物理存储单位。

（2）三维模型变换。在构建三维水文地质结构模型时，三维模型的变换要以坐标的变换为基准，其中包括坐标的平移、旋转以及缩放等数学变换形式。平移变换是在三维水文地质结构模型的齐次坐标系中，假设任意一点P(x,y,z)可以通过矩阵运算公式①转变为Q(x',y',z')。

公式①中，dx、dy、dz表示为x、y、z轴上的平移向量。

旋转变换是在三维水文地质结构模型的齐次坐标系中，假设（a，b，c）为任意一个轴向上的方向余弦，则有cosα=（c2+a2），sinα=b，cosβ=a/（c2+a2），sinβ=c/（c2+a2），由任意一点P(x,y,z)通过绕旋转轴旋转某一角度得到点Q(x',y',z')的计算公式为：

公式（2）中，R=Rx×Ry×Rz。

缩放变换是在三维水文地质结构模型的齐次坐标系中，假设任意一点P(x,y,z)根据缩放因子E的大小不同进行不同的缩放，当0＜E＜1时，图形进行缩放；当E＞1时，图形进行放大。

2 实例演示

为了进一步验证本文基于大数据构建的三维水文地质结构模型的可靠性，以某地区的实际水文地质勘察资料作为基础对模型进行检测，通过建立该地区水文地质结构数据库，实现对水文地质结构的三维建模，以此验证构建模型的可靠性和实用性，同时也为该地区的地下水资源的开发和利用提供更加科学化的事实依据。

（1）数据源。本次选取的建模区域的南北总长度为400km，东西宽为45km～95km，面积约为1600km2。建模区总体地势西南高，北东低，呈现出自然缓坡形态，平均海拔高度1050m。建模区可分为三大地貌单元：南部为中低山地，西部丘陵区，北部堆积平原区，其地貌类型包括山地、丘陵、平原以及山前倾斜平原。该地区河流总长度为1059.8公里，河网密度约为每平方公里0.184公里。

（2）模型投影的确定。该地区横跨16，17两个6°带分区，为了方便地学建模，同时保证研究结果的准确性，本文采用比例尺为1：25的投影，其中中央经度为105°，单位长度指定以“米”为单位，以此保证构建三维空间过程中的水平坐标方向与垂直坐标方向上的度量单位统一。

（3）采集数据。该地区水文地质结构中数据的采集是利用矢量化软件将所有的资料进行整理，将各类水文地质资料进行矢量化整理得出，从而形成该地区不同内容的图层数据。

（4）建立空间数据库。空间数据库中的主要内容包括水文地质、基础地理、基础地质、勘探及投影五类，在建立空间数据库时借助水文地质空间信息数据库，通过目录树的形式将地理空间数据进行整理。水文地质外部的属性数据库主要包括水文地质钻孔以及勘探过程中产生的数据信息。建立完成的空间数据库按照外挂库的形式利用关键字段实现与图层的联系。

（5）三维水文地质结构模型显示。从各个角度，任意地层表面、地层体组合揭示该地区水文地质结构的分布特征。

图1、图2的三维立体模型反映了该地区的西高东低走势，且两山之间为东宽西窄的地貌特征。

图1 三维地层模型

图2 三维水层模型

通过计算机对周围环境进行模拟，方便用户对其进行缩放、旋转等一系列操作，让用户可以直观的感受到该地区水文地质结构中的信息数据以及其空间上的分布，并在构建的过程中，利用消除技术，对肉眼看不到的地方进行了消除、隐藏，方便用户的观察。

3 结语

通过本文基于大数据构建的三维水文地质结构模型的方法，可以有效的帮助用户认清该地区水文地质结构条件，方便沟通和交流，更有利于对地下水的相关数据信息进行模拟和预测，辅助决策，并不断优化地下水的管理模式。因此，开展三维水文地质结构模型构建的分析研究具有十分重要的意义。