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地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术,是一个采集、存储、分析和显示地学信息的计算机系统。
本世纪六十年代,加拿大测量学家Roger.F.Tomlinson首先提出GeographicInformationSystem(GIS,地理信息系统)这一概念,并提议建立了世界上第一个地理信息系统,用于自然资源的管理和规划。
之后,GIS展示了极强的应用前景,应用领域迅速扩大,包括了从土地管理、生态规划、交通土建到商业、军事、卫生、保险、企业管理等非常广泛的领域。
岩土工程处理的对象是经历了漫长的地质历史年代而生成的地质体,人们在长期的工程实践中积累了大量的数据资料,对这些数据和信息的数字化、定量化以及智能化的要求日益提高。
岩土工程的全过程,可以说是一项不断获取数据、分析数据和处理数据的过程,相对于其他工程而言,岩土工程具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质把握的不准确性,始终需要在工程的勘察、设计和施工过程中获取各种各样的信息和数据,更需要对这些数量大、种类多的信息和数据进行快速处理,及时反馈,优化设计,指导施工。
数字地球技术体系的发展和新兴学科的交织渗透为岩土工程信息化奠定了坚实的基础,同时岩土工程的信息化也成为数字地球技术体系的重要组成部分。
可视化是近年来发展起来的一种计算机实用技术。
它融合了图形学、图像处理、数据管理、计算机网络和其它的相关领域技术,目的在于解决海量数据的处理和信息的综合表示问题,提高信息利用的效率。
岩土工程是一个复杂的大系统,科学计算可视化的应用将有助于对岩土工程的研究。
由于其对大规模数据处理和体现的高效性、直观性,科学计算可视化在多种领域得到了广泛的应用。
目前,对岩土工程信息的存储管理以文字、图纸、图表为主,修改、查询、分析很不方便,而且,这些信息大多是点、线和面的关系,体现不出体的概念来,这样很不直观,尤其是在处理大量工程数据时。
为解决上述难题,作为地理信息系统的延伸,岩土工程的信息化和可视化很自然地提到了议事日程。
以地理信息系统的发展和广泛应用为背景,紧密结合岩土工程专业,我们提出了三维地层信息系统(3DStrataInformationSystems,3DSIS)的概念。
它是以岩土力学、工程地质以及地层勘探和设计施工资料为基础,结合计算机技术、信息技术等先进工具开发的综合实用型软件工程。
通过3DSIS,可以对浅部地层三维空间数据进行管理、显示和分析。
2三维地层信息系统的框架结构
三维地层信息系统的研究开发是针对地层信息的特点,以工程地质、水文地质、土木工程、环境工程和岩土力学、土力学等理论为基础,基于三维地理信息系统之上,利用面向对象技术、图形图象学、多媒体技术、人工智能与专家系统等信息技术的最新成果,实现城区地层信息共享,支持科学决策,以此为契机,以市场需求为导向,研究开发具有自主版权的集成软件系统,最终形成具有鲜明特色的面向岩土工程应用的软件产品。
目前,三维地层信息系统的开发目标在于:
解决三维地层信息系统建立中的几个关键技术问题,开发信息系统平台,建立地层信息处理系统,形成支撑软件,基本实现对已有地层信息的管理、分析和评价。
三维地层信息系统的基本框架结构如图1所示。
三维地层信息系统的远期开发目标在于:
结合人工智能的最新发展成果,开发专家辅助决策子系统,形成完整的三维地层信息系统,最终实现地层信息的获取、管理、显示、分析到决策制定的多任务统一。
3工程地质钻孔数据库的建立与资料的查询检索模块
钻孔信息数据库是建立地层模型的主要数据源,它包括三个表:
钻孔信息表、地层岩性信息表、地层岩性物理力学参数表。
表1钻孔信息表
字段名称
钻孔号
孔口X坐标
孔口高程
孔深
钻孔时间
钻孔标号
数据类型
int
float
time
text
表2地层岩性物理力学参数表
地层编号
地层名称
天然含水量
天然空隙比
液性指数
标准锤击数
承载力标准值
杨氏模量
int
表3地层岩性信息表
钻孔层号
土层号
岩层岩性
土性描述
层厚
层顶坐标
层底坐标
该模块可实现数据库的查询,包括关键字查询和模糊查询。
该模块提供了一数据库的输入模块,用于对数据库进行管理,可以方便的对数据库进行增加、追加、插入、删除等数据库维护操作。
4地层分层分析处理与网格生成模块
由于岩土介质空间分布的不连续性、不均匀性和不确定性,地层之间相互交叉侵蚀,地质实体之间的关系错综复杂。
如何对地层进行划分是涉及到三维地层建模的一个关键问题。
地层划分应当建立在适当的地质解释方法理论之上。
一般都是由有经验的地质工程师根据钻孔资料、测井资料和地震资料相结合,通过人为地推断来确定地层的空间分布,而且大部分的工作都是在二维平面图上进行的。
本文在此仅对这个问题进行一些探讨,力求能够在多层DEM的基础上,形成一个完整的三维地层模型。
地层划分的步骤简单叙述如下:
(1)确定地层的层数。
根据钻孔资料对钻孔遇到的岩层分解点进行综合分析,相同的岩性并且垂直方向位置相似的看作同一层。
在图2中,总共有4层。
(2)从整体上确定地层的空间顺序关系。
根据钻孔所遇到的岩(土)层竖向z坐标的关系,根据层与层之间压与被压的上下关系确定地层的排序。
如图1所示,确定地层的排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。
(3)依照地层顺序,逐层判断相邻两层面是否相交,例如求出地层Ⅰ、Ⅱ在A点处相交。
实际应用中两地层相交会形成一条或多条交线,这些交线将地层曲面划分为两个或多个区间。
在图1中,曲线AD将地层Ⅰ和Ⅱ分别划分成两个区间。
(4)对各个区间分别进行钻孔采样点检验,例如在ZK2和ZK3所在的区间内,地层Ⅰ和Ⅱ两地层层面都能通过采样点的检验,两者都保留下来;
而在ZK4所处的区间内,ZK4上只有地层Ⅱ和Ⅲ的采样特征点。
因此,可判断将地层Ⅰ在该区间内的部分删除,只留下地层Ⅱ的部分。
图2地层划分
(5)如果在某个区间中未发现某地层的钻孔采样点,则只能根据高程进行判断。
即若第n层的高程在该区间内小于第n+1层的高程,就在区间内删除第n层曲面,而保留第n+1地层曲面。
(6)按(3)~(5)顺序,重复进行地层交叉判断和拼接划分,直到最后一层地层。
这样,将地层进行了取舍划分。
由于地质现象的复杂性,地质曲面在形态上极其错综复杂,不能用简单的数学表达式来表示,也难以用严格的解析方法去处理,只能用近似的数学曲面去逼近拟合地质曲面。
曲面函数可分为单值曲面和多值曲面两类。
单值曲面函数Z=f(x,y)指平面域上任一点(x,y)只对应一个曲面高程Z,如地表地形、地下水位、风化层厚度等均属于单值曲面;
多值曲面函数W=f(x,y,z)当空间曲面上的坐标(x,y,z)中任意指定两个变量时,第三变量可能对应一个以上的值,这种曲面即所谓空间超曲面,例如地温场、岩体孔隙度变化、各种物化探数据。
当参量W连续变化时,其超曲面也相应连续变化。
一组地层面也可看作多值曲面,只是地层面之间有不同的厚度控制,因此W不能连续变化,而只能作阶梯状变化,且对地层面采样有特定的要求,所以本文将其独立作为层面拟合函数处理。
对地层面进行函数拟合时,结合对地层的划分,需要对各层面由上至下作层序编号。
设计算域内共有L个地层面,则层序编号ki=1,2,3…L。
在各层面上需要采集层面定位离散点资料
。
其中xi,yi,xi为采样点的空间坐标,ki为采样点所在层面的层序编号,Ni为采样点倾向、倾角标识符,当
=0时该采样点上无倾向、倾角实测值,函数拟合时仅要求相应
层面通过该采样点;
当
=2时该采样点上还有该处层面
的倾向、倾角实测值
和
,此时层面拟合函数不仅要求相应层面
通过该采样点,而且要求所得拟合函数的
层曲面在该点的切平面具有
相同的倾向和倾角,N为全部采样点总数。
其拟合函数可由下式表示
式中M1为无倾向、倾角实测值的采样点数,M2为有倾向、倾角实测值的采样点数,M1+M2=N,可通过各采样点的
计算出M1、M2。
并自动将采样点N=0的采样序号排在
=2之前,Ai、Bi、Ci为待定系数,
,R为计算域空间影响半径,
为经重新排序后第
测点的倾向、倾角作用半径,可采用与最近测点距离的2倍。
参数
用以描述有倾向、倾角测点处拟合曲面的切平面位置,该切平面必须具有与该测点实测的倾向、倾角值。
5地层立体模型的显示与分析模块
在三维地层模型中,地层面是由钻孔数据插值拟合而成,其上下对应的不同层之间则是由规则格网分解而成的三角网,由于它们在水平面上的投影是相同的,因此,上下对应的三角形和竖直方向上互相平行的三条棱构成了三棱柱结构。
由于地层模型是以三棱柱为基本体元,为了能在数据结构上对地层模型的“切割”或“挖掘”进行表达,要求基本体元能够进
图3三棱柱体的切割算法
行分解,且分解后仍由基本体元构成,以形成数据结构上的一致性。
其中,三棱柱体元的分割一共存在5种不同的构形,如图2所示。
这5种切割组成了对三棱柱的基本切割方式,而且能保持数据结构上的互补对称性和旋转对称性。
在切割时,规定每条边与切割面最多只能有一个交点,这样将三棱柱体元一分为二,并形成两个多面体,这两个多面体若不是基本体元,还可以再次进行剖分,以形成一个或多个三棱柱体。
利用建立的工程地质钻孔数据库与生成的地层结构计算机几何网格模型形成立体的地层模型并显示于屏幕,可以从各个角度直观地了解地下土层、岩层情况。
软件提供地层模型的转动、缩放以及切割任意剖面的功能可以让使用者方便地得到指定地层的具体信息。
6三维地层信息系统的应用
根据上面的基本理论根据上述的模型和算法,在Windows98操作平台上利用VisualC++6.0和OpenGL编程,实现了上述三个功能模块并在武汉市轻轨交通中得到了成功的应用。
武汉市为解决市内交通问题启动了轨道交通工程。
在原京广铁路汉口城区旧址(今京汉大道)以高架桥形式建设轻轨交通。
桥墩桩基成为工程承载能力的基础。
根据前期勘探钻孔资料,我们对大智路车站建立了钻孔数据库,形成该站地层模型,实现了数据收集分析方便查询。
以可视化直观形象再现了地层结构,可以任意切割剖面展示任意地层,可以进行桩基虚拟设计,指导工程优化施工。
图4钻孔信息数据库
图5钻孔数据三维显示
图6地层模型的三维显示
图7地层模型的分层显示
图8三维地层任意剖面显示
图9某一剖面显示
图10模拟基坑开挖
图11基坑剖面显示
图12模拟隧道开挖
图13进入隧道内部漫游观察
参考文献
1王笑海. 基于三维拓扑网格结构的GIS地层模型研究. 博士论文,1999年7月
2陈 健. 三维地层信息系统的建模与分析研究. 博士论文,2001年2月
3白世伟,王笑海,陈 健,王纯祥. 岩土工程的信息化与可视化. 岩土工程界,2001年8
4白世伟,贺怀建,王纯祥,三维地层信息系统和岩土工程信息化.华中科技大学学报(城市科学版),2002,N0.19
(1)
5WangXiaohai,BaiShiwei.AnEasilyIntegratedThree-dimensionalDataStructureinStrataModeling.ProceedingsofInternationalConferenceonModelingGeographicalandEnvironmentalSystemswithGeographicInformationSystems.1998,HongKong
6张菊明.三维地质模型的设计和显示[J],中国数学地质,1995
作者简介:
白世伟,男,1941年生,研究员,博士生导师,主要从事岩土工程稳定性分析,三维地理信息系统的研究与开发等领域。
王纯祥,男,1972年生,中国科学院武汉岩土力学研究所在读博士生,主要从事三维地理信息系统的研究与开发,岩土工程数值分析等领域。
贺怀建,男,1956年生,研究员,主要从事岩土工程稳定性分析,三维地理信息系统的研究与开发等领域。
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