基于钻孔信息的地层数据模型研究_朱合华
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class CT JDrillHole : public CObject{ CT JPoint m -pt ; / / CT JPoint 包含了空间三维坐标 long m -1DHID ; / / ID 号 , 在所研究区域中唯一 flo at m -fT hickness[ ] ; / / 钻孔中 自上而下的土层厚度 , 缺失为零 U IN T m -iSoilT ype[ ] ; // 土层厚度对应的土层类型代码 long m -lT RID[ ] ; // 所在的 D -三角形 ID 号 long m -lRangeI D ; …}; // 所研究区域的 ID 号 图 1 数据模型的 类层次关系 Fig . 1 Hierarchy of the classes in the stratum data model
[ 7 ]
以图 2 所示的 D -三角网为例 , 可根据上述钻孔实体类和 D -三角形实体类的数据结构设计表 1 , 表 2 所示的数据表格结构 .
表 1 钻孔实体类对象数 据表格结构 Tab . 1 Table structure of CTJDrillHole class
DHID 1 5 9 … … … x … y … z … T RID 1, 5 1, 2, 3 5, 6, 7 8 … T RID 1 5 8 1, 5, 7 8, 6, 9
表 2 D -三角形对象数据 表格结构 Tab . 2 Table structure of CTJTriangle class
1. 2 D 三角形实体类 D三角形有个非常重要的性质 : ① 空外接圆性质 — — —在由点集 V 所形成的 D -三角网中 , 其每个 三角形的外接圆均不包含点集 V 中的其它任意点 ; ② 最大的最小角性质 — — —由点集 V 所形成的三角网 中 , D -三角网中的三角形的最小角最大[ 7] . 由于这两个性质 , D -三角网被认为是二维平面三角网中唯一 的、 最好的三角网剖分方案 , 因此 D 三角网在地理信息系统的数字高程模型( DTM ) T IN 模块中和有限 元网格自动生成技术中已经得到了广泛的应用 . D三角网既可以由 Voronoi 图生成 , 亦可以由所研究区域中的离散点直接生成 . 同时 D 三角网又
Study on Ground Data Model Based on Drill Hole Information
ZHU Hehua , ZHENG Guo-ping , WU Jiangbin , Y E Weim in
( Departmen t of Geotechnical EngiLeabharlann Baidueering , Tongji University , S hanghai 200092, China)
1 模型的数据结构
面向对象方法是从特殊到一般的归纳过程和从一般到特殊的演绎过程的有机结合 , 已经成为认识问 题、 分析问题 、 解决问题的一种有效方法 , 其核心思想就是要将众多具有共性的事物抽象为类 , 再由类来生 成具体的具有特性的对象 . 在地层数据模型的设计过程中 , 同样涉及到复杂的信息类型 , 如作为地质信息 的土层 、 断层 、 钻孔等 , 作为地下构筑物的基坑 、 地下洞室 、 交通隧洞等 . 本文的目的就是要将这些复杂的信 息抽象成不同的类来表示整个系统的层次结构 . 限于篇幅 , 本文仅介绍 6 个最基本的超类 . 基于钻孔信息的面向对象模型构造步骤可以用图 1 表示 . 大致思想为 : 假设钻孔方向为垂直 , 即沿水 平面的法线方向 , 可以由研究区域内各钻孔的平面坐标信息 , 根据 Delaunay 三角形( 以下简称 D -三角形 ) 剖分与修改算法构造不规 则三角网( T IN ) 及其拓扑结构 ; 同时根据某个 D -三角形的 3 个成 员钻孔的土层信息( 厚度 T 和土层类别代码 D) 构造各土层的层面 三角形 , 亦即三棱柱的上下底面三角形 ; 进而根据上下层面三角形 可形成 1 个三棱柱单元 , 众多三棱柱单元按从上到下的顺序连接即 构成了与 D -三角形对应的土柱 ; 全部的土柱合并也就是研究区域 的土体 . 由此可见 , 基于 D 三角形剖分算法生成的 T IN 不但包含 了二维的拓扑信息 , 而且包含了土柱与土柱之间的三维拓扑信息 , 而土层与土层之间的拓扑信息则可以由三棱柱上下底面构成的三 角网来表示 . 本部分将以程序代码的形式 , 阐述基于钻孔信息的面 向对象土层模型的构造过程 . 1. 1 钻孔实体类 钻孔的信息是地层数据模型中最基础和最重要的信息 , 其数据 结构可由以下程序代码清单来表示 :
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同 济 大 学 学 报
第 31 卷
矢量数据模型对点线面体图元的几何表达和拓扑关系的建立作了理论探讨 ; 文献[ 4] 提出了面向对象的三 维矢量数据模型 , 并对其拓扑关系的建立以及用面向对象的程序实现作了较深入的探讨 ; 文献[ 5] 提出了 针对地质勘探工程的矢量与栅格集成的面向对象混合数据模型 ; 文献[ 6] 针对不同的应用领域分析了栅格 和矢量两种数据结构的适用性 . 综上所述 , 目前的研究水平在一定程度上还处在对具有普遍适用性的三维 数据模型的理论研究阶段 , 而且目前尚无一种数据模型能够把各个应用领域中空间实体比较完美地表示 出来 , 因此应针对不同的应用领域选择合适的数据模型 . 本文旨在针对岩土工程的学科特点以及建立城市 三维地层信息管理系统的要求出发 , 探讨如何构造基于钻孔信息的面向对象的地层数据模型 .
第 5 期
朱合华 , 等 : 基于钻孔信息的地层数据模型研究
537
有众多算法 , 如 Shamos 和 Honey 等提出的分治算法 、Law son 提出的逐点插入算法 、 Green 和 Sibson 提出 的生成算法等 . 由于插入算法思想简单 , 而且便于扩展 , 因此非常适合基于钻孔信息的地层数据模型 . 其基 本步骤为 : ① 定义一个包含所有钻孔数据点的初始多边形 ; ②在初始多边形中建立初始三角网 , 然后迭代 以下步骤 , 直到所有的钻孔数据点都被处理 : 插入一个钻孔点 P , 在三角网中找出包含 P 的三角形 T , 把 P 与 T 的 3 个顶点相连 , 生成新的三角形 . 生成的 D 三角形可以用如下程序代码清单所表示的数据结构来存放 :
摘要 : 为了建立城市三维数字地层信息管理系统 , 提出了一种适合工程地质和岩 土工程学科 特点的地 层数据模 型— — — 基于钻孔信息的地层数据模型 . 该模型采 用了面向对象的方法 , 因此其数据结构的类层次 关系 、模型的构 造过 程等条理清晰 , 而且能与面向对象的编程语言有机结 合 . 同时 , 该模型借助于 Delaunay 三角网来构造二维和 三维 拓扑关系 , 大大简化了三维形体之间复杂的拓扑关 系 , 而 且借此可以 处理地层 数据模 型中的 断层等 突变信 息. 利用这一数据模型 , 可以较好地模拟三维地质实体的真实景观 . 关键词 : 钻孔 ;地层数据模型 ; 面向对象 ;Delaunay 三角网 中图分类号 : T U 470 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 -374X( 2003) 05 -0535 -05
[ 1]
.
数字地层信息系统的关键技术之一就是建立起一个适合岩土工程学科特点的地层数据模型 , 使之能 够实现地质实体( 如断层 、 土层等) 和工程实体( 如基坑 、 隧道 、 钻孔等) 的几何及拓扑信息可视化 、 对信息来 源进行跟踪 、 对信息质量进行评估并提供一些工程实用功能( 如变形预测 、反演分析) 等. 目前 , 真三维 GIS 的理论研究和产品开发都处于探索与试验阶段 , 众多学者对此作了较深入的研究 . 如文献 [ 2 , 3] 采用三维
收稿日期 : 2002 -05 -13 基金项目 : 上海市教委曙 光计 划资助 项目 ( 99SG 10) ; 高等学 校骨 干教 师计 划资助 项目 ; 上 海市 重点 学科 建设 资助 项 目( 沪教 委科 [ 2001] 44 号) 作者简介 : 朱合华( 1962 ) , 男 , 安徽巢湖人 , 教授 , 博士生导师 , 工学博士 . E -mail : zhuhhk @online . sh . cn
Abst ract : In order to build 3D g round information management sy stem , a 3D ground data model based on drill hole info rmation is put f orw ard , w hich is very compatible wit h geological engineering and geotechnical engineering . T aking advant age of t he object-oriented method , the model can not only express the class hierarchy clearly but also be integ rated wit h objecto riented programming( OOP) . Besides , the Delaunay t riangle netw ork is adopted in t he data model so as to construct and simplify 2D and 3D topological relationship . What' s more , i t can deal w ith some abrupt geological informatio n effect ively , such as f ault s , in the geological boby . By using this data model , 3D geological bodies can be illustrated vividly . Key words : drill hole ; g round data model ; object oriented ; Delaunay t riangle netwo rk 随着信息技术的进步和岩土工程的发展 , 岩土工程信息化被提上了日程 . 由于城市岩土工程和工程勘 察的推广深入 , 各地已经积累了大量的地质和工程资料 , 如果能够对这些资料进行有效的管理和充分的利 用 , 不但能够积累工程经验 , 对后续工程的设计 、 施工提供指导和借鉴 , 而且可以为城市规划等宏观决策提 供借鉴 , 因此借助于 GIS 技术建立一个功能完善的数字地层信息系统是岩土工程信息化的必然趋势和重 要途径 . 这里所谓的数字地层 , 即是利用现代的计算机技术 , 将原始地层信息( 由地壳运动和周围环境引起 的) 和施工扰动地层信息( 由人类工程活动引起的) , 用数字化的方法直观地展现出来
class CT JT riangle : public CObject{ long m -lT RID ; // D -三角形的 ID 号 long m -lDHID[ 3] ; // D -三角形的 3 个钻孔点 I D 号 long m -lAdjacentT RID[ ] ; …}; // 邻近三角形的 ID 号
第 31 卷第 5 期 2003 年 5 月
同 济 大 学 学 报
JOURNAL OF T ONGJI UN IVE RSIT Y
Vol . 31 N o . 5 M ay 2003
基于钻孔信息的地层数据模型研究
朱合华 , 郑国平 , 吴江斌 , 叶为民
( 同济大学 地下建筑与工程系 , 上海 200092)
[ 7 ]
以图 2 所示的 D -三角网为例 , 可根据上述钻孔实体类和 D -三角形实体类的数据结构设计表 1 , 表 2 所示的数据表格结构 .
表 1 钻孔实体类对象数 据表格结构 Tab . 1 Table structure of CTJDrillHole class
DHID 1 5 9 … … … x … y … z … T RID 1, 5 1, 2, 3 5, 6, 7 8 … T RID 1 5 8 1, 5, 7 8, 6, 9
表 2 D -三角形对象数据 表格结构 Tab . 2 Table structure of CTJTriangle class
1. 2 D 三角形实体类 D三角形有个非常重要的性质 : ① 空外接圆性质 — — —在由点集 V 所形成的 D -三角网中 , 其每个 三角形的外接圆均不包含点集 V 中的其它任意点 ; ② 最大的最小角性质 — — —由点集 V 所形成的三角网 中 , D -三角网中的三角形的最小角最大[ 7] . 由于这两个性质 , D -三角网被认为是二维平面三角网中唯一 的、 最好的三角网剖分方案 , 因此 D 三角网在地理信息系统的数字高程模型( DTM ) T IN 模块中和有限 元网格自动生成技术中已经得到了广泛的应用 . D三角网既可以由 Voronoi 图生成 , 亦可以由所研究区域中的离散点直接生成 . 同时 D 三角网又
Study on Ground Data Model Based on Drill Hole Information
ZHU Hehua , ZHENG Guo-ping , WU Jiangbin , Y E Weim in
( Departmen t of Geotechnical EngiLeabharlann Baidueering , Tongji University , S hanghai 200092, China)
1 模型的数据结构
面向对象方法是从特殊到一般的归纳过程和从一般到特殊的演绎过程的有机结合 , 已经成为认识问 题、 分析问题 、 解决问题的一种有效方法 , 其核心思想就是要将众多具有共性的事物抽象为类 , 再由类来生 成具体的具有特性的对象 . 在地层数据模型的设计过程中 , 同样涉及到复杂的信息类型 , 如作为地质信息 的土层 、 断层 、 钻孔等 , 作为地下构筑物的基坑 、 地下洞室 、 交通隧洞等 . 本文的目的就是要将这些复杂的信 息抽象成不同的类来表示整个系统的层次结构 . 限于篇幅 , 本文仅介绍 6 个最基本的超类 . 基于钻孔信息的面向对象模型构造步骤可以用图 1 表示 . 大致思想为 : 假设钻孔方向为垂直 , 即沿水 平面的法线方向 , 可以由研究区域内各钻孔的平面坐标信息 , 根据 Delaunay 三角形( 以下简称 D -三角形 ) 剖分与修改算法构造不规 则三角网( T IN ) 及其拓扑结构 ; 同时根据某个 D -三角形的 3 个成 员钻孔的土层信息( 厚度 T 和土层类别代码 D) 构造各土层的层面 三角形 , 亦即三棱柱的上下底面三角形 ; 进而根据上下层面三角形 可形成 1 个三棱柱单元 , 众多三棱柱单元按从上到下的顺序连接即 构成了与 D -三角形对应的土柱 ; 全部的土柱合并也就是研究区域 的土体 . 由此可见 , 基于 D 三角形剖分算法生成的 T IN 不但包含 了二维的拓扑信息 , 而且包含了土柱与土柱之间的三维拓扑信息 , 而土层与土层之间的拓扑信息则可以由三棱柱上下底面构成的三 角网来表示 . 本部分将以程序代码的形式 , 阐述基于钻孔信息的面 向对象土层模型的构造过程 . 1. 1 钻孔实体类 钻孔的信息是地层数据模型中最基础和最重要的信息 , 其数据 结构可由以下程序代码清单来表示 :
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同 济 大 学 学 报
第 31 卷
矢量数据模型对点线面体图元的几何表达和拓扑关系的建立作了理论探讨 ; 文献[ 4] 提出了面向对象的三 维矢量数据模型 , 并对其拓扑关系的建立以及用面向对象的程序实现作了较深入的探讨 ; 文献[ 5] 提出了 针对地质勘探工程的矢量与栅格集成的面向对象混合数据模型 ; 文献[ 6] 针对不同的应用领域分析了栅格 和矢量两种数据结构的适用性 . 综上所述 , 目前的研究水平在一定程度上还处在对具有普遍适用性的三维 数据模型的理论研究阶段 , 而且目前尚无一种数据模型能够把各个应用领域中空间实体比较完美地表示 出来 , 因此应针对不同的应用领域选择合适的数据模型 . 本文旨在针对岩土工程的学科特点以及建立城市 三维地层信息管理系统的要求出发 , 探讨如何构造基于钻孔信息的面向对象的地层数据模型 .
第 5 期
朱合华 , 等 : 基于钻孔信息的地层数据模型研究
537
有众多算法 , 如 Shamos 和 Honey 等提出的分治算法 、Law son 提出的逐点插入算法 、 Green 和 Sibson 提出 的生成算法等 . 由于插入算法思想简单 , 而且便于扩展 , 因此非常适合基于钻孔信息的地层数据模型 . 其基 本步骤为 : ① 定义一个包含所有钻孔数据点的初始多边形 ; ②在初始多边形中建立初始三角网 , 然后迭代 以下步骤 , 直到所有的钻孔数据点都被处理 : 插入一个钻孔点 P , 在三角网中找出包含 P 的三角形 T , 把 P 与 T 的 3 个顶点相连 , 生成新的三角形 . 生成的 D 三角形可以用如下程序代码清单所表示的数据结构来存放 :
摘要 : 为了建立城市三维数字地层信息管理系统 , 提出了一种适合工程地质和岩 土工程学科 特点的地 层数据模 型— — — 基于钻孔信息的地层数据模型 . 该模型采 用了面向对象的方法 , 因此其数据结构的类层次 关系 、模型的构 造过 程等条理清晰 , 而且能与面向对象的编程语言有机结 合 . 同时 , 该模型借助于 Delaunay 三角网来构造二维和 三维 拓扑关系 , 大大简化了三维形体之间复杂的拓扑关 系 , 而 且借此可以 处理地层 数据模 型中的 断层等 突变信 息. 利用这一数据模型 , 可以较好地模拟三维地质实体的真实景观 . 关键词 : 钻孔 ;地层数据模型 ; 面向对象 ;Delaunay 三角网 中图分类号 : T U 470 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 -374X( 2003) 05 -0535 -05
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数字地层信息系统的关键技术之一就是建立起一个适合岩土工程学科特点的地层数据模型 , 使之能 够实现地质实体( 如断层 、 土层等) 和工程实体( 如基坑 、 隧道 、 钻孔等) 的几何及拓扑信息可视化 、 对信息来 源进行跟踪 、 对信息质量进行评估并提供一些工程实用功能( 如变形预测 、反演分析) 等. 目前 , 真三维 GIS 的理论研究和产品开发都处于探索与试验阶段 , 众多学者对此作了较深入的研究 . 如文献 [ 2 , 3] 采用三维
收稿日期 : 2002 -05 -13 基金项目 : 上海市教委曙 光计 划资助 项目 ( 99SG 10) ; 高等学 校骨 干教 师计 划资助 项目 ; 上 海市 重点 学科 建设 资助 项 目( 沪教 委科 [ 2001] 44 号) 作者简介 : 朱合华( 1962 ) , 男 , 安徽巢湖人 , 教授 , 博士生导师 , 工学博士 . E -mail : zhuhhk @online . sh . cn
Abst ract : In order to build 3D g round information management sy stem , a 3D ground data model based on drill hole info rmation is put f orw ard , w hich is very compatible wit h geological engineering and geotechnical engineering . T aking advant age of t he object-oriented method , the model can not only express the class hierarchy clearly but also be integ rated wit h objecto riented programming( OOP) . Besides , the Delaunay t riangle netw ork is adopted in t he data model so as to construct and simplify 2D and 3D topological relationship . What' s more , i t can deal w ith some abrupt geological informatio n effect ively , such as f ault s , in the geological boby . By using this data model , 3D geological bodies can be illustrated vividly . Key words : drill hole ; g round data model ; object oriented ; Delaunay t riangle netwo rk 随着信息技术的进步和岩土工程的发展 , 岩土工程信息化被提上了日程 . 由于城市岩土工程和工程勘 察的推广深入 , 各地已经积累了大量的地质和工程资料 , 如果能够对这些资料进行有效的管理和充分的利 用 , 不但能够积累工程经验 , 对后续工程的设计 、 施工提供指导和借鉴 , 而且可以为城市规划等宏观决策提 供借鉴 , 因此借助于 GIS 技术建立一个功能完善的数字地层信息系统是岩土工程信息化的必然趋势和重 要途径 . 这里所谓的数字地层 , 即是利用现代的计算机技术 , 将原始地层信息( 由地壳运动和周围环境引起 的) 和施工扰动地层信息( 由人类工程活动引起的) , 用数字化的方法直观地展现出来
class CT JT riangle : public CObject{ long m -lT RID ; // D -三角形的 ID 号 long m -lDHID[ 3] ; // D -三角形的 3 个钻孔点 I D 号 long m -lAdjacentT RID[ ] ; …}; // 邻近三角形的 ID 号
第 31 卷第 5 期 2003 年 5 月
同 济 大 学 学 报
JOURNAL OF T ONGJI UN IVE RSIT Y
Vol . 31 N o . 5 M ay 2003
基于钻孔信息的地层数据模型研究
朱合华 , 郑国平 , 吴江斌 , 叶为民
( 同济大学 地下建筑与工程系 , 上海 200092)