基于三維地質(zhì)模型的巖土工程設(shè)計與可視分析

趙帥權(quán) 姚顯瑞

摘 ? 要：基于三維地質(zhì)模型的巖土工程數(shù)字化的應(yīng)用，成為我國巖土工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。巖土工程的三維地質(zhì)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(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。本文對巖土工程三維地質(zhì)模型建模和可視化分析的特點進(jìn)行了介紹，結(jié)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(zhì)模型的建模方法，并對巖土工程基坑開挖體的三維地質(zhì)建模的可視化分析方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型 ?巖土工程 ?可視化分析 ?基坑開挖 ?數(shù)字巖土

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

隨著現(xiàn)代化空間信息化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，巖土工程數(shù)字信息化也得到了快速的發(fā)展。傳統(tǒng)的巖土工程技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)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(shè)計和三維可視化分析方法成為巖土工程信息化發(fā)展的主要方向。三維地質(zhì)建模和巖土可視化分析實現(xiàn)了巖土工程信息化的科學(xué)管理，提高了巖土工程的智能化水平，具有一定的應(yīng)用價值。

1 ?三維地質(zhì)模型建模及可視化分析的特點

1.1 三維地質(zhì)模型的建模特點

巖土工程在對地質(zhì)體三維模型[1]進(jìn)行建模的時候，需要采用地質(zhì)體的緩沖區(qū)建模方式進(jìn)行設(shè)計。因為在巖土工程的地質(zhì)勘測過程中鉆孔的數(shù)量比較少，如果根據(jù)鉆孔的實際數(shù)量進(jìn)行三維模型的建模，將會造成巖土工程的后面施工設(shè)計無法正常進(jìn)行，所以本文采用三維地質(zhì)體緩沖區(qū)建模的方式進(jìn)設(shè)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(qū)域的邊界進(jìn)行擴(kuò)充。在三維模型特定的位置引入虛擬鉆孔，把虛擬鉆孔的數(shù)量和實際鉆孔的數(shù)量約束到模型中，并把緩沖區(qū)邊界的虛擬鉆孔和緩沖地質(zhì)體進(jìn)行三維地質(zhì)實體模型的建模。在巖土工程中通過計算機(jī)技術(shù)和巖土勘察技術(shù)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)巖土工程三維地質(zhì)緩沖區(qū)模型的建模以及可視化分析等功能。

1.2 地質(zhì)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(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)，并且在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行模擬顯示的一種交互式技術(shù)。在巖土工程的地質(zhì)學(xué)中三維可視化得到了廣泛的應(yīng)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(shù)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(zhì)模型建模中主要采用體繪制的方式。體視化的基礎(chǔ)是計算機(jī)圖像學(xué)，體視化技術(shù)可以研究物體的內(nèi)部信息體數(shù)據(jù)處理分析內(nèi)容，對物體內(nèi)部的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，體視化技術(shù)為三維地質(zhì)模型建模提供有利的可視化理論基礎(chǔ)。三維地質(zhì)模型的立體可視化建立是把計算機(jī)圖像學(xué)和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)結(jié)合在一起，并以巖土工程地質(zhì)資料和地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立的符合巖土工程實際情況三維地質(zhì)模型。

2 ?基于三維地質(zhì)模型的巖土工程設(shè)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(zhì)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(huán)節(jié)，基坑開挖施工中基坑壁的受力分布情況以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等都是必須要考慮的因素?；娱_挖體的三維模型的建模采用基坑開挖算法進(jìn)行計算，針對基坑側(cè)面的平面和地層體實施切割，切掉基坑合圍平面內(nèi)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(xiàn)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(guī)則的特點，所以在深基坑開挖施工中邊界線都是不規(guī)則形狀的多邊形。本文在對基坑開挖體的三維地質(zhì)模型的建模是基于平剖面拉伸的方法，實現(xiàn)對不規(guī)則體進(jìn)行三維地質(zhì)建模?；娱_挖體三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)主要是基于巖土工程基坑工程的數(shù)據(jù)，重點對垂直深基坑進(jìn)行設(shè)計，內(nèi)容主要包括基坑開挖邊界和坑底部。

在對基坑設(shè)計的時候，基坑開挖邊界是在基坑表面設(shè)計出相連續(xù)的點組成輪廓線。因為鉆孔離散點構(gòu)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(jìn)行投影，投影到基坑底部的平面，然后根據(jù)一定的順序連接起來這樣基坑底部的多邊形就構(gòu)成了?；禹斆婧蛡?cè)面的模型的構(gòu)建，沿著平面法線的方向把基坑底部多邊形進(jìn)行拉伸，這樣就構(gòu)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(yuǎn)遠(yuǎn)的高出地面。這樣有利于地質(zhì)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(zhì)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(jī)的圖形處理技術(shù)把生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在計算機(jī)二維的屏幕上顯示出三維圖像。隨著計算機(jī)技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，三維地質(zhì)模型可視化分析被應(yīng)用于地質(zhì)現(xiàn)象和空間分析中。三維可視化的真實感技術(shù)是以場景形狀和光源分布為依據(jù)，通過圖形光照模型來對物體表面的反射光進(jìn)行計算。紋理映射就是把圖片的坐標(biāo)與物體表面的坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的映射，本文應(yīng)用二維的紋理圖片來實現(xiàn)二維的紋理映射。紋理映射技術(shù)是把二維圖像進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換為三維模型并形成紋理，這樣可以把圖像轉(zhuǎn)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(shù)進(jìn)行設(shè)計的，并把紋理映射技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來，實現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的可視化分析。在巖土工程的地質(zhì)體中，對每一個地層的區(qū)分顯示都是采用純顏色進(jìn)行區(qū)分的，在復(fù)雜形狀的地質(zhì)體中應(yīng)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(yīng)用于基坑開挖體，可以實現(xiàn)了基坑開挖體的側(cè)面和底面的紋理映射效果，通過基坑側(cè)面的展開圖，就可以確定每個點對應(yīng)的紋理映射的坐標(biāo)點，實現(xiàn)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(xué)合理的紋理映射方法，把基坑側(cè)面平面坐標(biāo)和地層側(cè)面平面坐標(biāo)進(jìn)行紋理映射，使可視化分析的真是感更好。在巖土工程設(shè)計中，三維地質(zhì)模型的建立，通過對基坑三維地質(zhì)模型的建模，實現(xiàn)地層體與基坑開挖體之間在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的無縫對接，在基坑開挖體的基礎(chǔ)之上進(jìn)行巖土工程可視化分析。

3 ?結(jié)語

在巖土工程的施工過程中，三維地質(zhì)模型的巖土工程可視化分析研究，可以提高巖土工程數(shù)字信息化水平，推動巖土工程的信息化發(fā)展和應(yīng)用。巖土工程三維地質(zhì)模型的可視化分析研究，可以實現(xiàn)巖土工程的科學(xué)化管理，具有一定的研究意義和應(yīng)用價值。

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