RA樹脂組合橋面層雷達探測及三維仿真模擬

朱 哲 董文澎

探地雷達(Ground Penetration Radar,簡稱GPR)是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術[1]。隨著近年來大型橋梁、特殊結構橋梁越來越多地出現,橋面鋪裝層結構的設計也在材料、結構層厚度、施工方法等方面發生了許多變化,特別是鋼箱梁橋面等特殊結構層之上、超大載荷結構物之上的鋪裝層設計為了滿足高強度、高粘結度(牢度)、高耐疲勞性等一系列要求,更多地采用了RA樹脂組合橋面鋪裝等一些新工藝,為了在RA樹脂組合橋面鋪裝厚度檢測中確保數據的準確性,在利用探地雷達采集的路面層厚度圖像的基礎上,采用Delaunay三角剖分,利用計算機三維仿真重構處橋面層,彌補了探地雷達單方面技術的不足,實現了所見即所得高清晰的計算機仿真模型。本次檢測的工程項目為浙江省某橋橋面鋪裝層,本次橋面層質量探地雷達無損檢測的主要內容有:檢測橋面層厚度及橋面層缺陷(橋面層結構松散、破碎、脫空、沉陷、高含水區域及軟弱體等病害檢測)。

1 橋面層三維數字化仿真實現

1.1 基于GIS的三維可視化仿真的基本原理

GIS是近年發展起來的一門介于地球科學和信息科學之間的交叉學科,是在地學學科與數據庫管理系統、計算機圖形學、計算機輔助設計、計算機輔助制造等與計算機相關學科相結合的基礎上發展起來的。

三維可視化仿真(Three-Dimensional Visual Simulation,3DVS)是計算機仿真技術和系統建模技術相結合后形成的一種新型仿真技術,其實質是采用圖形或圖像方式對仿真計算過程的跟蹤、駕馭和結果的后處理,同時實現仿真軟件界面的三維可視化。

GIS與3DVS的結合[2,3]可發生在原始數據采集及仿真計算數據的可視化表達這兩個階段。二者有兩種結合方式:1)融合式:盡管這種集成方式的數據傳遞方便高效、操作簡便,但開發費用高、周期長;2)通過建立二者的擴展模塊來實現彼此間數據相互交換和信息共享。此方式開發簡便、費用低廉,而且由于二者的相對獨立性及可擴展性,便于系統的維護及進一步開發。本文采用第二種方式實現GIS與3DVS的結合。

1.2 數據的標準化研究與數據庫建設

三維仿真建模在數據庫選用何種商業軟件時,應考慮空間數據的非結構化、多源等特征,也就是能在傳統的關系數據庫模型中加入支持面向對象的功能,如支持類、方法、屬性等。

1.2.1 數據表組織

GIS數據具有明顯的專業分類與從屬關系,這種關系體現在各類數據信息之間的關聯,通過這種關聯建立數據信息之間的層次關系。在設計數據表和圖形屬性表中,采用約束條件實現表與表之間和表與圖元之間的關聯和信息傳遞。GIS信息在內容上主要包括空間數據和屬性數據:在空間上,主要體現以圖形數據為主線,通過圖元與屬性數據的關聯,來表達圖形數據的實體特征;在關聯關系上,描述空間圖元的屬性信息可以是一個簡單的屬性表,也可以是并列的多個屬性表和具有從屬關系的鏈狀表,即圖元和數據表的一對一或一對多關系。

1.2.2 數據表訪問

本文數據庫擬在以太網內部采用C/S結構,便于其他專業工作的開展。作為用戶而言,希望從數據庫中取得的數據都是以對象的方式存在的,這些對象的信息一般分布在各數據表中,見圖1。

根據勘察資料提供的鉆孔信息,將其數據入庫管理,其中鉆孔表記錄橋面層信息,主要內容有橋面層編號、鉆孔編號、巖土名稱、層底深度、地層厚度等,“鉆孔基本信息表”記錄鉆孔或勘察點的信息,主要內容有鉆孔編號、X坐標、Y坐標、孔口標高等,它們是三維建模所需的基礎數據表。也可以通過鉆孔數據文件直接記錄建模所需信息,主要包括橋面層控制點個數、橋面層數、鉆孔數、控制點編號、點的三維坐標、橋面層厚度、與橋面層的相鄰關系、鉆孔編號等信息。

2 工程應用與實踐

2.1 虛擬鉆孔數據的提取

圖2為探地雷達在橋面層檢測后的處理圖像,由圖中可以清楚地看到橋面鋪裝層的分層情況,在擬控制斷面布置虛擬鉆孔。

許多學者都從事鉆孔數據結構的建立和基于離散點信息建立地質模型的研究工作[4,5]。從鉆孔柱狀圖中將不同層的分界點取出作為建模數據源,該數據源是本文三維橋面層建模的數據基礎,采用二分拓撲數據結構來描述鉆孔信息,如圖3所示。

2.2 橋面鋪裝層三維數字模型的建立

在三維GIS構模法中以表面構模法、塊段構模法、線框實體構模法的應用最為廣泛,與之相應的基于面的數據模型及基于體的數據模型也就成為當前三維GIS數據模型與結構的研究熱點。許多學者[4-7]在三維地層方面有相應的研究,比如有學者提出以廣義三棱柱為基本體素來表達三維地層體,與之相對應的數據模型為廣義三棱柱(GTP)模型。GTP是專門針對實際地質鉆孔出現偏斜而提出的一種可以不受三棱柱棱邊平行(即鉆孔垂直)限制的體元構模方法,并將GTP構模稱為其特例。而且,基于TIN邊退化和TIN面退化,可以由GTP導出Pyramid模型和TEN模型。GTP構模原理是:用GTP的上下底面的三角形集合所組成的TIN面來表達不同的地層面,然后利用GTP側面的空間四邊形面來描述層面間的空間關系,用GTP柱體來表達層與層之間內部實體。

基于鉆孔的三維建模方法分為兩個主要步驟,即首先由鉆孔孔口坐標點做Delaunay三角剖分形成表面TIN,然后將TIN中的每個三角形沿鉆孔向下擴展生成三棱柱。具體生成三維橋面層如圖4所示。

2.3 與屬性數據庫的交互

在建立空間數據庫與屬性數據庫的過程中,將各個構筑物分配唯一的ID號,這樣就將面向實體和面向工程的概念統一起來,且通過唯一的ID號進行連接。在屬性數據庫中根據相應圖層中的圖元來查找與之相對應的屬性,使用條件查詢可根據特定的邏輯表達式作為查詢條件,查詢符合該圖元分布的邏輯條件,條件查詢語言可表達如下:select from database where列名=“”。

3 結語

以GIS結合三維可視化仿真技術(3DVS),實現新型RA樹脂橋面層模型重構是本文的研究重點。本文利用CAD圖形平臺,結合探地雷達掃描圖像結果,實現了橋面層三維模型直觀描述和信息的高效應用與科學管理,而且提供了實用的應用模型,并實現了設計成果的可視化表達,給橋面層設計與決策提供了一個科學、形象、直觀的輔助分析手段,有助于推動橋面層設計與管理工作的可視化、數字化發展。本文在重構時著重利用虛擬鉆孔,另外還可以發展利用探地雷達二維剖面圖像重構三維橋面層結構,此項研究正在進行當中,具有廣闊的發展空間。

[1] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社,1994.

[2] Elvins T T.A Survey of Algorithms for Volume Visualization[J].Computer Graphics,1992,26(3):209-214.

[3] 鐘登華,宋 洋.大型水利工程三維可視化仿真方法研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2004,16(1):121-128.

[4] 方海東,劉義懷,施 斌,等.三維地質建模及其工程應用[J].水文地質工程地質,2002(3):52-55.

[5] 柴賀軍,黃地龍,黃潤秋.地質結構面三維擴展模型研究[J].水文地質工程地質,1999(4):101-103.

[6] 朱合華,鄭國平.基于鉆孔信息的地層數據模型研究[J].同濟大學學報,2003,31(5):535-539.

[7] 朱合華,吳江斌.基于Delaunay構網的地層2D,2.5D建模[J].巖石力學與工程學報,2005,24(22):4073-4079.