基于三維地質模型的巖土工程設計與可視分析

趙帥權 姚顯瑞

摘 ? 要：基于三維地質模型的巖土工程數字化的應用，成為我國巖土工程領域的主要發展方向。巖土工程的三維地質建模和可視化分析研究，提高了巖土工程的信息化管理水平，在巖土工程領域具有一定的應用價值。本文對巖土工程三維地質模型建模和可視化分析的特點進行了介紹，結合巖土工程基坑開挖施工的實際情況，提出了基坑開挖體的三維地質模型的建模方法，并對巖土工程基坑開挖體的三維地質建模的可視化分析方法進行了研究。

關鍵詞：三維地質模型 ?巖土工程 ?可視化分析 ?基坑開挖 ?數字巖土

中圖分類號：TU43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0051-02

隨著現代化空間信息化技術的發展和應用，巖土工程數字信息化也得到了快速的發展。傳統的巖土工程技術已經不能滿足現代巖土工程信息管理和計算分析的基本需求，巖土工程的信息化設計和三維可視化分析方法成為巖土工程信息化發展的主要方向。三維地質建模和巖土可視化分析實現了巖土工程信息化的科學管理，提高了巖土工程的智能化水平，具有一定的應用價值。

1 ?三維地質模型建模及可視化分析的特點

1.1 三維地質模型的建模特點

巖土工程在對地質體三維模型[1]進行建模的時候，需要采用地質體的緩沖區建模方式進行設計。因為在巖土工程的地質勘測過程中鉆孔的數量比較少，如果根據鉆孔的實際數量進行三維模型的建模，將會造成巖土工程的后面施工設計無法正常進行，所以本文采用三維地質體緩沖區建模的方式進設計，在實際工程中采用虛擬的方式引入虛擬鉆孔，這樣可以對建模區域的邊界進行擴充。在三維模型特定的位置引入虛擬鉆孔，把虛擬鉆孔的數量和實際鉆孔的數量約束到模型中，并把緩沖區邊界的虛擬鉆孔和緩沖地質體進行三維地質實體模型的建模。在巖土工程中通過計算機技術和巖土勘察技術等先進的科學技術，實現巖土工程三維地質緩沖區模型的建模以及可視化分析等功能。

1.2 地質模型建模的三維可視化特點

三維可視化[2]是通過三維圖形的方法來對數據進行表達，并且在計算機屏幕上進行模擬顯示的一種交互式技術。在巖土工程的地質學中三維可視化得到了廣泛的應用，三維可視化包括對顏色和紋理的表示、繪制以及顯示等分析計算。三維可視化技術采用的可視化算法包括點、面和體三方面的繪制，在巖土工程的地質模型建模中主要采用體繪制的方式。體視化的基礎是計算機圖像學，體視化技術可以研究物體的內部信息體數據處理分析內容，對物體內部的復雜數據結構進行表達，體視化技術為三維地質模型建模提供有利的可視化理論基礎。三維地質模型的立體可視化建立是把計算機圖像學和地理信息系統等技術結合在一起，并以巖土工程地質資料和地質環境數據為依據，建立的符合巖土工程實際情況三維地質模型。

2 ?基于三維地質模型的巖土工程設計與可視分析研究

2.1 巖土工程中基坑開挖體的三維地質模型建立研究

在巖土工程的施工中基坑開挖[3]是非常重要的環節，基坑開挖施工中基坑壁的受力分布情況以及地質結構等都是必須要考慮的因素。基坑開挖體的三維模型的建模采用基坑開挖算法進行計算，針對基坑側面的平面和地層體實施切割，切掉基坑合圍平面內的部分，這就是基坑開挖模型的建模原理。通過基坑體三維模型的建模來實現基坑工程的可視化。由于基坑開挖工程的對象具有形狀不規則的特點，所以在深基坑開挖施工中邊界線都是不規則形狀的多邊形。本文在對基坑開挖體的三維地質模型的建模是基于平剖面拉伸的方法，實現對不規則體進行三維地質建模。基坑開挖體三維地質建模的數據主要是基于巖土工程基坑工程的數據，重點對垂直深基坑進行設計，內容主要包括基坑開挖邊界和坑底部。

在對基坑設計的時候，基坑開挖邊界是在基坑表面設計出相連續的點組成輪廓線。因為鉆孔離散點構成了基坑開挖的多邊形，要想獲得基坑底部多邊形就要把鉆孔點進行投影，投影到基坑底部的平面，然后根據一定的順序連接起來這樣基坑底部的多邊形就構成了。基坑頂面和側面的模型的構建，沿著平面法線的方向把基坑底部多邊形進行拉伸，這樣就構建出了基坑的頂層，基坑頂層要比基坑開挖的多邊形要高出很多。基坑頂層要遠遠的高出地面。這樣有利于地質模型和基坑模型的無縫對接[4]，基坑頂層平面高出的部分可以切掉。

2.2 三維地質模型的可視化分析方法研究

三維可視分析方法[5]是利用計算機的圖形處理技術把生成的數據轉換為圖像，在計算機二維的屏幕上顯示出三維圖像。隨著計算機技術在巖土工程領域中的應用，三維地質模型可視化分析被應用于地質現象和空間分析中。三維可視化的真實感技術是以場景形狀和光源分布為依據，通過圖形光照模型來對物體表面的反射光進行計算。紋理映射就是把圖片的坐標與物體表面的坐標進行坐標的映射，本文應用二維的紋理圖片來實現二維的紋理映射。紋理映射技術是把二維圖像進行映射轉換為三維模型并形成紋理，這樣可以把圖像轉換為實際的場景相似的畫面效果。本文對三維模型的可視化分析主要是采用真實感技術進行設計的，并把紋理映射技術應用進來，實現了三維地質模型的可視化分析。在巖土工程的地質體中，對每一個地層的區分顯示都是采用純顏色進行區分的，在復雜形狀的地質體中應用比較多，通過對每個地層的單元分配顏色值就可以了。紋理映射應用于基坑開挖體，可以實現了基坑開挖體的側面和底面的紋理映射效果，通過基坑側面的展開圖，就可以確定每個點對應的紋理映射的坐標點，實現了基坑三維模型的紋理映射。巖土工程采用紋理映射的方法可以更好的提高可視化的真實效果，采用科學合理的紋理映射方法，把基坑側面平面坐標和地層側面平面坐標進行紋理映射，使可視化分析的真是感更好。在巖土工程設計中，三維地質模型的建立，通過對基坑三維地質模型的建模，實現地層體與基坑開挖體之間在拓撲結構上的無縫對接，在基坑開挖體的基礎之上進行巖土工程可視化分析。

3 ?結語

在巖土工程的施工過程中，三維地質模型的巖土工程可視化分析研究，可以提高巖土工程數字信息化水平，推動巖土工程的信息化發展和應用。巖土工程三維地質模型的可視化分析研究，可以實現巖土工程的科學化管理，具有一定的研究意義和應用價值。

參考文獻

[1] 張芳，張鵬，陳雷，等.三維巖土工程勘察信息系統的工程應用[J].地下空間與工程學報，2010，6（5）：995-1000.

[2] 向中林，王妍，王潤懷，等.基于鉆孔數據的礦山三維地質建模及可視化過程研究[J].地質與勘探，2011，45（1）：75-81.

[3] 陳學習，吳立新，史文中，等.GTP模型中對角線引入的最小頂點標識（SVID）法[J].地理與地理信息科學，2014， 20（3）：20-24.

[4] 白世偉，賀懷建，王純祥.三維地層信息系統和巖土工程信息化[J].華中科技大學學報：城市科學版，2012， 19（1）：23-26.

[5] 李艷，王恩德，鮑玉斌，等.基于鉆孔數據的礦體三維可視化研究與實現[J].沈陽工業大學學報，2010，27（4）：62-65.