工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及其應(yīng)用研究

高銳

摘 要：對(duì)主要三維空間對(duì)象進(jìn)行了描述，并對(duì)主要三維空間建模方式進(jìn)行了分析，結(jié)合專業(yè)建模對(duì)象的構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)對(duì)象的特征進(jìn)行了系統(tǒng)的表達(dá)，充分融合CE、CSG、B-Rpesd三種數(shù)據(jù)模型的建模思想，提出一種面向?qū)ο蟮幕旌夏Ｐ汀?/p>

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)三維空間；建模技術(shù)；應(yīng)用

工程地質(zhì)是研究與水利、交通、民用工程建筑有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題的科學(xué)與技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃，勘察，設(shè)計(jì)，施工與維護(hù)等各個(gè)階段，在城市規(guī)劃、大型工業(yè)或民用建筑物建設(shè)、修路、水電、采礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

工程地質(zhì)研究的主要內(nèi)容有：確定巖土組分、組織結(jié)構(gòu)（微觀結(jié)構(gòu)）、物理、化學(xué)與力學(xué)性質(zhì)（特別是強(qiáng)度及應(yīng)變）及其對(duì)建筑工程穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行巖土工程地質(zhì)分類，提出改良巖土的建筑性能的方法。工程地質(zhì)主要研究對(duì)象是地層、巖性、構(gòu)造、地下水等因素的工程地質(zhì)性質(zhì)及其演變規(guī)律。工程地質(zhì)理論上運(yùn)用工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)，近似構(gòu)造出不同地層復(fù)雜體元，進(jìn)而構(gòu)造出三維區(qū)域地質(zhì)剖面體，用于專業(yè)人員研究由于人類工程活動(dòng)的影響而破壞的自然環(huán)境的平衡，以及自然發(fā)生的崩塌、滑坡及地震等對(duì)工程建筑的危害及其預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和防治措施；研究解決各類工程建筑中的地基穩(wěn)定性，如邊坡、路基、壩基以及黃土的濕陷、巖石的裂隙的破壞等，制定一套科學(xué)的勘察程序、方法和手段，直接為各類工程的設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)可靠的地質(zhì)依據(jù)；研究建筑場(chǎng)區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)工程建筑的影響，制定必要的利用和防護(hù)方案；研究區(qū)域工程地質(zhì)條件的特征，預(yù)報(bào)人類工程活動(dòng)對(duì)其影響而產(chǎn)生的變化，作出區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)和編圖。

隨著大規(guī)模工程建設(shè)的發(fā)展，其研究領(lǐng)域日益擴(kuò)大。長(zhǎng)期以來(lái)，由于受計(jì)算機(jī)軟硬件性能的約束，適用于地學(xué)領(lǐng)域的三維空間數(shù)據(jù)模型一直處于探討和試驗(yàn)階段，發(fā)展緩慢，很難利用一種空間數(shù)據(jù)模型解決地質(zhì)領(lǐng)域地層構(gòu)造和建立在此模型之上的專業(yè)分析操作等問(wèn)題。

目前工程地質(zhì)分析運(yùn)算的主要參考對(duì)象仍是二維剖面圖或其組合，這種局面已不適合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，不適合大型復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)的需要，隨著研究的深入，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有多種不同形式的三維數(shù)據(jù)模型提出，同時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)規(guī)范和要求繪制鉆孔柱狀圖、三維地質(zhì)剖面圖，并在工程地質(zhì)評(píng)價(jià)中對(duì)其進(jìn)行有效的應(yīng)用。

1 主要空間對(duì)象分析

在工程地質(zhì)研究中，鉆孔數(shù)據(jù)是一種非常重要的元素，現(xiàn)階段不管何種技術(shù)手段都在發(fā)生著變革，在這種形勢(shì)下，傳統(tǒng)鉆探方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化社會(huì)的需求，并逐漸被現(xiàn)代探測(cè)儀器所取代，這些現(xiàn)代探測(cè)儀器在實(shí)際使用過(guò)程中需要解譯遇到的各種勘探數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解譯之后這些勘探數(shù)據(jù)變成了基本的鉆孔數(shù)據(jù)，不同埋深的地層分類特征就是在這種情況下被反映出來(lái)的。

從構(gòu)圖要素的角度上來(lái)看，空間對(duì)象的組成要素有三維的點(diǎn)、線以及面、環(huán)等，由這些不同的要素共同組成一種以復(fù)雜構(gòu)造，將這種復(fù)雜構(gòu)造作為根，同時(shí)將三維點(diǎn)作為葉節(jié)點(diǎn)，形成一種具有層次的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，各要素之間存在著基本的拓?fù)潢P(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)有很多，例如聚合、包容以及繼承等，在對(duì)面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行使用的時(shí)候，我們應(yīng)該注意到用其對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是比較適合的。

2 工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)

現(xiàn)階段世界及我國(guó)對(duì)三維空間模型的研究取得了相應(yīng)的進(jìn)展，同時(shí)出現(xiàn)了一批應(yīng)用模型，這些應(yīng)用模型具有一定的實(shí)際價(jià)值。因?yàn)閭?cè)重點(diǎn)是不同的，形成兩種不同的類別，即矢量和柵格模型。在具體實(shí)踐過(guò)程中，很多學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用不同模型在不同三維現(xiàn)象中對(duì)其進(jìn)行描述比較合理，必要時(shí)還需要將多種模型放在一起使用，通過(guò)這種方式針對(duì)三維實(shí)體表現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行解決。在推理工程地質(zhì)剖面體構(gòu)造時(shí)，我們應(yīng)該注意到，一定要重視構(gòu)造過(guò)程與空間模型之間的吻合性，但是并不能完全將其表達(dá)出來(lái)，最終采用矢量邊界表示法使其得到實(shí)現(xiàn)。所以，作者在此基礎(chǔ)上將CE、CSG、B-Reps等建模思想與地質(zhì)剖面構(gòu)造研究相結(jié)合，將其融入到構(gòu)造的不同階段中，在構(gòu)造形成過(guò)程中采用可視化方式對(duì)其進(jìn)行表現(xiàn)，并利用柵格模型劃分其思想，這樣就可以組成一個(gè)統(tǒng)一的建模過(guò)程。在這一過(guò)程中，不僅包括對(duì)三維剖面體柵格的表達(dá)，還需要對(duì)柵格模型進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)而形成不規(guī)則的四面體或者五面體。在具體操作的過(guò)程中需要使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對(duì)性質(zhì)二灰屬性進(jìn)行描述，并對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行支持，同時(shí)在推理進(jìn)行的過(guò)程中地層的物理性質(zhì)會(huì)被更加準(zhǔn)確表述出來(lái)，對(duì)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)造進(jìn)行支持，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具體的編碼方法。這一可視化的空間模型可以應(yīng)用于三維地質(zhì)剖面體構(gòu)造問(wèn)題的問(wèn)題解決過(guò)程中，同時(shí)也可以對(duì)工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)給予有效支持。

3 三維可視化模型設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)三維可視化模型時(shí)，為了在計(jì)算機(jī)中虛擬出具體的三維場(chǎng)景，同時(shí)更好的使地質(zhì)構(gòu)造三維地層分布狀態(tài)得到呈現(xiàn)，從而更好的為工程技術(shù)人員的工作提供準(zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造模型。利用文章提出的混合模型，可以形成復(fù)雜的構(gòu)造體，之后利用矢量邊界模型可以針對(duì)可視化表達(dá)工作創(chuàng)造便利的工作條件，最終形成矢量圖形系統(tǒng)。

科學(xué)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)模的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)，同時(shí)它對(duì)運(yùn)算效率產(chǎn)生直接的影響。按照上文中描述的內(nèi)容，工程地質(zhì)的各要素空間對(duì)象是非常典型的，在模型中呈現(xiàn)樹(shù)狀分布，存在繼承、包容性等特性，使用面向?qū)ο蠓绞綄?duì)空間對(duì)象進(jìn)行構(gòu)造比較適合，更好的為空間分析提供必要的手段。空間分析及操作需要建立在復(fù)雜體拓?fù)潢P(guān)系基礎(chǔ)上，其中B-Reps模型要求各要素分類清晰，各要素之間的關(guān)系明確，對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的建立非常有利。有很多種對(duì)三維矢量模型拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分類的方法，具體的分類方法和列別主要由應(yīng)用需求決定，建立起點(diǎn)與線、線與環(huán)以及環(huán)與面等七類。拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)組織之間差異不大，這里不再詳述。

4 應(yīng)用分析

在工程地質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程中，需要針對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)相對(duì)詳細(xì)的分析，比方說(shuō)全方位分割，在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)該注意到詳細(xì)的分析是非常必要的，例如橫向切割地質(zhì)剖面體，會(huì)形成存在一定差異的區(qū)域橫切特征面，對(duì)區(qū)域中巖土力學(xué)特征進(jìn)行分析，還可以將其用在建筑物基礎(chǔ)選型中。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工程地質(zhì)三維建模存在很多特性，在建模與分析過(guò)程中不僅要對(duì)三維表達(dá)效果提出要求，同時(shí)還要保證與地質(zhì)構(gòu)造原理相吻合，由此來(lái)看，選擇模型的過(guò)程中應(yīng)對(duì)一些特殊要求進(jìn)行充分的考慮，力爭(zhēng)做到準(zhǔn)確適用。

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