三维工程勘察信息系统建设及其应用

三维工程勘察信息系统建设及其应用
丛威青1, 潘懋2, 陈雷3, 孙志东2, 赵桂卿3, 张芳3, 田甜2
（1.北京超维创想信息技术有限公司,100085;2. 北京大学地球与空间科学学院, 100871; 3. 北京市勘
察设计研究院, 100038）
摘要：随着工程勘察领域信息化水平的提高，三维GIS技术的应用成为国内外研究的重点和难点。

本文作者依托前人工作，结合工程勘察实际应用需求，开发建立起一整套三维工程勘察信息系统。

该系统主要包括二维工程辅助建模子系统和三维工程建模子系统两大部分，实现了地下地质体边界、地质体内部属性、工程体构筑物的三维模型构建、显示等功能，并为模拟分析计算留有充分的数据转换接口。

经实际检验，证明该系统在工程勘察高效化、直观化方面具有较好的应用前景。

关键词：工程勘察，三维，GIS
1 引言
工程勘察成果资料内容繁多，关系复杂，如何从庞杂的勘察原始数据中，高效准确地提取信息、真实形象地可视化表达勘察场区地质特征，是目前工程勘察后期工作的重点和难点[1, 2]，而GIS技术尤其是三维GIS技术的发展使得勘察数据的综合应用和三维再现成为可能[3]，因此，三维工程勘察信息技术成为近几年来工程勘察行业的前沿和热点课题。

基于此，本文作者结合实际工程需要，研究开发了一套完整的三维工程勘察信息系统，以更接近现实世界的方式表达、分析岩土工程信息，这对于提高勘察设计单位在科研、技术方面的创新能力，增强企业核心竞争力，具有重要的现实意义。

2 系统总体设计
本系统建设主要基于北京大学地球与空间科学学院地质信息系统实验室研发的GSIS 2.0真三维地学建模系统平台。

该平台主要包括二维剖面图、柱状图、三维数字地形、三维可视化、地质体三维边界建模与地质体内部属性建模等模块，具有良好的扩展性和灵活性。

根据系统功能需求，三维工程勘察信息系统主要包括两个子系统，分别为二维工程辅助建模子系统和三维工程建模子系统，系统架构如图1所示。

其中，二维工程辅助建模子系统主要利用钻孔、物探等数据绘制工程地质剖面，并且为三维建模子系统提供拓扑面数据来源。

而三维工程建模子系统则主要以二维辅助建模子系统提供的数据为基础，构建地质体三维边界及内部属性模型，并提供相应的工程体构筑物建模及三维可视化、空间分析等功能。

图1 三维工程勘察信息系统架构图
3 系统使用及功能描述
3.1 系统使用流程
系统支撑数据为钻孔数据以及各种工程设计图，主要使用流程如图2所示。

首先基于钻孔数据，结合地形建立工程地质剖面，然后通过地质体三维边界建模形成地层、地质构造、地下水等三维可视化数据，然后基于工程设计图利用工程体构筑物建模形成基坑、隧道、地下建筑等三维数据，这两类数据可耦合一体化显示，进而可通过地质体内部属性建模形成地质体内部属性数据，通过其可考察地质体内部属性的不均一性，最后可以运用各种空间分析操作生成工程分析所需的数值面、数值体等数据，将其导出为ANSYS、FLAC3D等数值模拟软件所使用数据，数值分析结果还可重新导入系统进行三维显示。

图2 三维工程勘察信息系统使用流程
3.2 系统主要功能
3.2.1 二维工程辅助建模子系统
该子系统主要完成利用钻孔等工程数据生成工程地质剖面，并实现对其存储、管理、编辑、可视化、质量检查等功能，输出符合三维建模要求的剖面数据。

其具有的功能主要包括：
（1）数据采集和管理功能
具有钻孔空间和属性数据的查询、编辑功能，并且支持自定义属性列表（图3）。

（2）外部数据导入、导出功能
支持多源矢量数据的导入与导出，包括ARCGIS 的SHP 、MAPINFOR 的MIF 、MAPGIS 的明码文件以及AUTOCAD 的DXF 格式文件等（图4）。

图4 外部数据导入示意图
图3 钻孔数据管理示意图
图5 剖面编辑示意图
（3）工程地质剖面的生成
基于钻孔数据的剖面图绘制可以应用完全自动化连接方法，也可以基于人机交互的半自动化连接方法，并可对绘制的剖面进行光滑处理（图5）。

（4）工程地质剖面的交互式编辑
对于自动化连接的剖面，如果不符合地质工程师的意见，可以对其进行基于点、线、多边形的各种编辑操作，而且系统支持编辑动作的撤退和恢复（图5）。

（5）多方式工程地质剖面表达
绘制完毕的剖面图可以根据配置的地层颜
6图多方式剖面表达示意图
色符号对照表，用颜色或者地质符号进行自动填充，并且系统提供了地质符号编辑器以及多种设置填充的方法（图6）。

（6）工程地质剖面的保存输出
对于绘制的剖面可以导出为三维建模系统所需数据，同时也可直接打印输出，并且系统提供了平面、剖面等多种工程文件的保存、另存为等功能。

3.2.2 三维工程建模子系统
三维工程建模子系统主要包括四个模块，分别为地质体三维边界建模模块、地质体内部属性建模模块、工程体构筑物建模模块和地学三维可视化模块。

可视化模块主要提供对各类地学数据进行三维显示的功能，支持三维模型绘制场景的配置管理、可视化交互操作以及三维空间分析操作等，其他三个模块是在三维可视化模块基础之上的扩展。

其中，地质体三维边界建模模块主要利用钻孔、工程地质剖面等数据构建逻辑一致的地质体三维边界模型；地质体内部属性建模模块是利用钻孔勘探及试验数据，插值生成高精度真三维地质体属性模型；工程体构筑物建模模块是基于地质体结构建模模块的核心算法结合工程体构筑物特点进行功能扩展，实现了规则及非规则工程体对象模型的建立。

（1）地质体三维边界建模模块主要功能 系统实现了基于交叉折剖面地质体模型构建[4]（图7），并提供了对地质体三维边界数据进行交互式编辑的功能，包括节点移动、TIN 面修改、地质体属性修改等。

同时，为了保证建模结果的拓扑关系以及逻辑一致性，系统提供了对单个或多个模型进行质量检查的工具，包括封闭性检查、去除重复点等。

并支持对地质体模型进行交、并、差等
空间布尔操作（图8）。

为了获得最佳可视化效果，系统提供了对地质体进行光滑处理的功能，实现了距离反比、BUTTERFLY 等多种自适应光滑算法（图9）。

图7 地质体三维边界模型示意图
图图9 地质体模型光滑处理效果示意图 8 地质体模型空间布尔操作示意图
（2）地质体内部属性建模模块主要功能
地质体内部属性模型的构建主要依赖于样本点数据以及根据空间自相关性进行插值的方法，系
统提供了四面体插值、Kriging 插值、距离反比插值、最近邻插值等多种属性插值方法。

由于地质体内部属性数据量巨大，系统采用了虚拟八叉树逻辑结构对其进行有效管理，极大地提高系统运行效率[5,6]。

同时，为解决内部属性数据难于观察分析的问题，系统实现了三维等值线、等值面、数值体的自动化提取以及基于体绘制技术的多样化显示（图10、11），并支持属性数据的交互式查询。

此外，系统提供了同ANSYS 、FLAC3D 等常用工程数值模拟软件的数据转换功能，在最大程度压缩模拟数据量的基础上，较好的解决了数据模拟软件的前后数据处理较为复杂的问题。

图11 地质体内部属性及数值体显示效果
图10 地质体内部属性及等值面显示效果 （3）工程体构筑物建模模块主要功能
图12 工程体构筑物模型示意图
在导入或绘制工程体构筑物切面图的基础上，系统提供了对二维数据进行平移、复制、缩放、旋转以及三维坐标配准等功能。

根据工程体对象结构特点，实现了基于法向拉伸、比例拉伸、轨迹线拉伸、轮廓线连接、特殊结构连接等多种工程体对象建模方式（图12）。

并支持较规则模型的参数化构建，仅用几个参数就可在三维空间中建立起矩形、圆形、正四面体、立方体、圆柱、圆台、圆锥等规则几何体。

针对部分工程体对象
（如桩基等）存在结构形状相同、仅位置不
图13 多元数据一体化显示示意图
同的特点，系统提供了三维模型沿轨迹线复制、矩阵复制等方式，从而便于快速建立模型群。

（4）地学三维可视化模块主要功能
为了方便、高效地实现地质体边界、内部属性、工程体数据的一体化显示（图13），系统采用了基于三维可视化引擎的多元数据一体化显示解决策略，支持地表DEM数据、遥感影像数据、地质图、地质体三维边界、地质体内部属性以及工程体等数据的集成显示。

同时，可对各种地学数据的显示参数进行个性化设置，如绘制场景灯光、材质、模型大小、颜色、宽度、透明度等。

还可对模型进行平移、缩放、任意放向拉伸、旋转等交互操作。

此外，系统实现了对模型数据沿任意方向剖切的功能，并支持体内部三维动态推进显示等。

针对目前工程开挖的特点，系统还提供了基于三维模型的隧道、洞室开挖模拟及漫游功能。

4 结论
在工程勘察深度、广度不断拓展的今天，为了更有效、更直观的考察地下地质体的各类特征，迫切需要三维GIS技术的应用，因此，三维工程勘察信息系统应运而生。

该系统主要利用钻孔、岩土体测试数据、工程设计图件，构建地质体三维边界模型、地质体内部属性模型、工程体构筑物模型。

经实际应用，证明系统基本满足工程勘察三维数据准备的要求。

但是，为了更好地发挥三维GIS 的优势，该系统在专业分析方面还有待于进一步加强。

参考文献：
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