基于GeoStation的物探三維系統設計與實現

魏志云，徐震，3，許平，李成翔，3

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程數字技術有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江省工程數字化技術研究中心，浙江 杭州 311122）

隨著物探技術的發展，三維物探成像技術能形象、直觀地反映地下介質的形態和空間展布，國內外已廣泛將物探三維技術理論和實踐應用于油氣、煤炭勘探等領域[1-2]，并形成了集數據采集、數據處理、成果解釋為一體的三維地球物理勘探系統，實現了對地下介質屬性的三維可視化。然而，在水電、鐵路、城市建設等工程物探領域尚處于一維、二維成像階段，其主要原因在于三維物探工作量較大、成本費用較高，且工程物探主要是對淺地層進行探測，地表噪聲干擾較復雜。另外，由于工程地質鉆孔成本比油氣鉆井成本低很多，為了更直接地了解地下地質結構，地質人員采取增加一定數量鉆孔的方式來減少地球物理勘探的預測成本。

目前，工程勘測中的物探、地質、測量往往分別由不同單位或專業部門來完成，導致各環節相互獨立，缺乏必要的溝通與協調。在軟件研制方面，獨自開發，自成體系，難以實現數據和成果的整合與共享，在一定程度上阻礙了多源數據綜合研究方法的發展[3]。供物探、試驗人員參考的工程地質信息和地形信息分別以圖表結合文字勘察報告和二維地形圖的形式表達，使得他們無法直觀了解工程地質和地形條件，且工程地質人員只能從分散的物探、試驗信息中提取有用信息，難以準確系統地把握各專業得到的信息量，必然會影響成果報告結論的可靠性。另外，物探、試驗成果主要通過平面圖、剖面圖、統計圖等形式呈現，技術人員結合勘察報告和地形信息繪制這些圖紙是一項費時費力的工作。

隨著我國物探三維成圖要求越來越高，構建包括地球物理勘探、現場試驗監測數據、施工地質等工程綜合信息在內的物探三維展示分析系統顯得尤為重要[4]。地質三維勘察設計系統GeoStation由中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司（以下簡稱華東院）獨立研制開發[5]，將分散的工程地質信息和地形信息系統地組織到一個模型中，并將這個模型通過三維形式直觀表現出來。物探三維系統基于統一的三維CAD平臺GeoStation，通過對物探專業三維可視化的深入研究，實現了物探、試驗方案的三維模型展示，從模型中自動生成平面圖、剖面圖等，不僅節省了技術人員的時間和精力，而且有效提高了圖紙精度。在協同作業方面，將勘測全專業的工作統一到同一個平臺下，從生產管理層面實現了數據共享，通過建立物探數據庫解決了物探專業數據導入、導出過程繁瑣且易出錯的問題，成倍提高了數據錄入與輸出效率，也提高了多專業間的協作質量。

1 系統關鍵技術研究

1）三維云圖展示技術。針對傳統二維物探存在的問題，系統對試驗模型的三維數值模擬展開研究。根據物探試驗得到的大量散點數據，采用特定的插值算法，計算得到場地范圍內所有節點位置的試驗數據信息；再將計算后的數據轉換為工程綜合信息三維展示分析系統FEInfo[6]能識別的edb文件，并將試驗數據以三維云圖的形式展示出來，如圖1所示。

圖1 波速三維空間云圖效果

2）等密圖技術。針對高密度電阻率法、淺層折射波法得到的成果剖面，系統對勘探剖面反演結果數據的等值線成圖技術進行了深入研究，即利用數字地形模型（DTM）輔助繪制等值線圖譜。基于GeoStation的物探高密度電阻率色譜繪制功能[7]已在物探高密度電法作業中得到應用。用戶首先指定數據文件的位置，包括電阻率數據、邊界坐標數據和測線坐標數據；然后調整每個數據范圍對應的顏色，即可繪制電阻率等值線色譜圖，效果如圖2所示。

圖2 電阻率色譜效果圖

3）超前地質預報建模技術。探地雷達、TSP等預報方法都是為了尋找結構面和異常地質體，因此結構面和異常體的位置確定尤為重要。TSP超前地質預報是利用人工激發的地震波在波阻抗差異界面上產生反射的原理，對隧道掌子面前方以及周圍鄰近區域地質狀況進行預報。目前成果報告中的結構面多以二維形式表達，難以了解結構面的空間展布特征。通過對TSP超前地質預報建模技術的研究，能在三維視圖中準確還原已知結構面，消除超前地質預報結果不能與三維洞室綜合展示的弊端，用戶只需將TSP中成果導入到系統數據庫即可實現超前地質預報建模。TSP三維模型效果如圖3所示。

圖3 TSP三維模型展示

2 系統設計與實現

2.1 總體設計

結合物探、試驗專業的相關需求，明確物探、試驗數據格式和成果展示方式，總結實現物探三維系統的具體方法和關鍵技術，本文提出了基于GeoStation的物探三維綜合解決方案，包括符合物探專業特點的數據管理模式、基礎框架和建模標準流程等。通過構建具有行業特色的物探數據庫和物探三維建模系統，依托典型物探工程實現三維數字化技術在物探三維系統中的應用，最終實現物探信息的一體化高效管理和利用。

2.2 架構設計

系統框架主要由物探數據庫和若干業務子模塊構成。物探數據庫是物探三維系統的基礎數據來源，能為全過程的工程內容提供統一的存儲管理機制，同時建立的網狀、能記錄歷史狀態的信息模型能將工程內容有機關聯起來，并向子模塊提供統一的數據服務；業務子模塊包括數據管理子模塊、三維建模與分析子模塊、二維出圖子模塊等，各子模塊均按需求獨立開發、構建服務，采用DBS、GPS、RS、GMS、CNS等先進的計算機和信息技術，實現物探數據庫與業務子模塊、子模塊與子模塊之間的數據交換。其邏輯架構如圖4所示。

圖4 物探三維系統邏輯架構圖

2.3 功能設計

2.3.1 物探數據庫

物探數據庫采用SQL Server數據庫管理程序開發，通過ADO.NET進行鏈接，實現了物探數據的分類與分級管理。通過提供底層的數據庫操作，運用數據記錄的級聯更新、刪除和數據視圖等功能，方便用戶進行協同編輯、遠程共享等操作。經過多個大型物探工程項目的應用發現，數據庫內容較全面，數據庫表共計20多張，內容包括地球物理勘探（淺層折射波法、彈性波CT、鉆孔剪切波測試、聲速測井、鉆孔電視觀察、高密度電阻率法、平洞聲波測試、平洞地震波測試等）和巖體力學測試（高壓壓水試驗、巖體強度試驗、巖體變形測試、地應力測試等）。

2.3.2 數據管理子模塊

數據管理子模塊包括物探、測試兩類數據的導入、編輯、保存、導出和查詢統計等功能。基于數據庫中已有數據，通過數據挖掘、數據分析技術，實現數據的查詢與分析，生成個性化定制的統計報表，并支持將查詢的統計結果一鍵導出至Excel模板文件，從而實現快速、高效、精準的數據分析，提高工作效率，加快項目開展進度。該模塊主要實現以下功能：

1）數據導入導出功能是指對淺層折射波法、彈性波CT、鉆孔剪切波測試、聲速測井、鉆孔電視觀察、高密度電阻率法、平洞聲波測試、平洞地震波測試等地球物理勘探數據進行快速導入導出。

2）數據統計查詢功能是對勘探對象的試驗數據進行查詢統計，包括平洞和鉆孔測試數據的統計。

通過該模塊可實現對原始數據的進一步篩選分析，從而讓用戶從多角度、多維度了解項目的工程概況和綜合物探條件，為管理者決策提供現代化的技術支持，保證項目的安全、優質、經濟運行，提高企業效益。

2.3.3 三維建模與分析子模塊

三維建模與分析子模塊是系統的核心模塊，是模型三維可視化的基礎，包括超前地質預報建模、試驗數據三維云圖展示等工具。該模塊主要實現以下功能：

1）通過導出超前地質預報專業軟件TSPwin數據，在三維洞室模型中準確還原掌子面預測的三維結構面模型，并與洞室模型綜合展示，從而直觀了解開挖前方可能遇到的不利狀況。

2）依據空間插值得到的網格節點試驗數據，采用工程綜合信息三維展示分析系統FEInfo中的圖形渲染技術，通過顏色按所有節點試驗數據的大小進行區分處理，不同顏色代表不同的試驗數據，最終得到場地試驗模型數據的三維云圖顯示結果。

2.3.4 二維出圖子模塊

二維出圖子模塊主要包括展示圖和等密圖兩個部分，展示圖主要對聲速測井、平洞聲波、平洞地震波、鉆孔剪切波等拾取數據進行一維成圖顯示，可用于檢查采集資料的預處理以及分析數據隨采集深度的變化趨勢等；等密圖主要針對高密度電阻率法、淺層折射波法得到的成果剖面，實現對勘探剖面反演結果數據的等值線成圖和輸出。

2.4 系統實現

物探三維系統以GeoStation平臺數據庫為基礎，對物探、試驗原始外業數據、中間處理過程以及成果圖展示等內容進行了研究開發，實現了統一CAD平臺的數據入庫管理、成果出圖展示、三維屬性建模分析等功能模塊，解決了二維CAD設計平臺不直觀、工作效率低等問題。針對物探專業應用數據接口，研究了物探信息數據提取、導入等相關技術，實現了規范化的設計環境與物探數據庫的無縫對接以及工程數據提取、數據導入的自動化；研究了試驗模型的三維數值模擬，利用空間插值算法進行試驗參數的空間插值擬合，并將插值結果與地質模型在GeoStation系統中進行三維綜合展示，如圖5所示。利用彈性波CT反演成果數據，在GeoStation中進行成果數據的點云成圖（圖6），展示效果與第三方Surfer軟件一致，且能展示連續測量的長剖面云圖，為地鐵建設前期的溶洞專項勘察提供綜合預測依據。

圖5 巖溶波速參數的三維可視化綜合展示

圖6 某地鐵區間段彈性波CT連續剖面成果圖

物探三維系統在華東院物探項目中有較全面的應用，先后投入到華東院或子公司負責勘察設計的錦屏二級水電站、安徽金寨抽水蓄能電站、衢江抽水蓄能電站、寧海抽水蓄能電站、杭州地鐵3號線等多個大型及以上水電和巖土項目中。在這些工程的項目勘察階段，系統為每個項目建成了保持更新的物探數據庫。通過系統的部署，改變了企業物探業務生產模式，信息化引領了生產流程、技術標準化的提升，為企業跨單位/部門提資提供了快捷通道，將傳統圖檔級協作上升為數據共享協作，大幅提高了生產效率和產品質量。

3 結語

本文基于GeoStation平臺，開發了物探三維系統，重點闡述了超前地質預報建模、等密圖、三維云圖展示等關鍵技術；并將該系統技術應用于實際物探項目中，取得了良好效果。通過上述研究與應用，得出以下結論：

1）物探三維系統提供了全新的三維展示和分析手段，有效彌補了傳統二維生產平臺在整體分析、交互解讀和出圖效率方面的不足。系統不僅支持水電項目超前地質預報建模，能對TSP預報的成果數據進行三維空間分析，快速實現預測結構面的三維可視化；而且能對巖土工程物探項目彈性波CT反演結果進行三維DTM擬合，再通過輔助繪制等值線圖譜，建立該彈性波的矢量等密圖；還能對試驗模型進行三維數值模擬，并將其插值結果在同一平臺進行三維綜合展示。

2）通過建立物探數據庫，解決了數據導入、導出過程繁瑣且易出錯的問題，成倍提高了數據錄入和輸出效率。系統提供了基于物探數據庫的自動繪圖功能，提高了二維出圖質量和效率。

3）物探、試驗專業和地質專業都基于同一平臺開展工作，有助于物探專業與其他專業設計人員的溝通和交流，實現更好的協同。系統改變了現有生產流程和習慣，將勘測全專業工作統一到一個平臺下，從生產管理層面實現了數據共享，幫助物探專業從基于Excel的數據管理和共享方式轉換為更加高效便捷的基于數據庫的數據管理和共享方式，大大提高了多專業間的協作質量和效率。