巖土工程勘察場地立體空間建模與可視化信息管理

肖武威

（中南華鼎武漢巖土工程有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著當代信息技術的不斷發(fā)展，數(shù)學建模技術的不斷增強，基礎數(shù)學的不斷進步，其在各類工程中的應用也一步一步地展開普及。當代地理信息技術是時代基礎上的多層次信息技術產業(yè)不斷結合的產物，其對于地質勘探具有較為深遠的意義，而其在工程領域也存在很深的發(fā)展空間。在巖土工程實施過程中，需要對工程場地進行實時勘測并將所得信息進行有效的規(guī)?；幚?，從而合理且高效地利用相關信息，對此，地理信息技術的應用就顯得必不可少。而且，隨著巖土工程質量要求的不斷提高，原有的二維建模技術已經不能夠滿足新時期巖土工程的發(fā)展需求，對于信息化建模方式所提供的三維建模技術的要求就達到了極高的指標。而由于三維建模技術所衍生的高信息量，如何合理科學地對可視化信息進行管理也成為了關鍵問題。文章將通過議論對該問題進行進一步探討論述。

1 立體空間建模概述

立體空間建模是空間建模的一種，其基本概念是先構造出原始數(shù)據，并根據原始數(shù)據建立派生數(shù)據，并通過對于這兩組數(shù)據之間相關系數(shù)等有關變量的分析進行合理化運用，從而對空間中的信息進行收集，并通過這些信息對空間中的現(xiàn)象或是變化作出解釋或預測。立體空間建模是建立在對三維空間地圖的剖析之上的，其根本是二維空間建模的嵌套使用，而基本的空間建模又叫做“地圖建?！?，空間建模的結果是建立起對于該場地地圖的相關模型，該模型可以簡化空間站許多復雜變量或因素，將其進行標準化分析與表示，從而幫助分析人員規(guī)劃所要完成的分析過程，對相關信息或數(shù)據進行深層次剖析，以支持實際問題的解決。

立體空間建模的實際過程與空間分析是恰恰相反的，可以看作是空間分析的一個反過程，如果是空間分析是由數(shù)據進行分析并指向分析結果，那么立體空間建模就是由分析結果開始，通過處理過程對初步信息的獲取進行分析，從而建立起空間結構框架。

立體空間建模的基本步驟是，首先要對立體空間系統(tǒng)進行詳細的分析與構建。對立體空間中所要分析系統(tǒng)的各方面狀態(tài)、因各種因素所導致的變化情況等進行分析，從而展開深層次描繪與構建，以合理科學地構造系統(tǒng)數(shù)據體系。在掌握了外部信息之后，就要從理論層面進行下一步的分析。依據地理學的基本觀點和該立體空間的具體特點等進行深度分析，并根據理論知識進行推理計算，對空間中各因素相互影響的關系進行深層次探究，從而確定建模的準確性。

在此基礎上。為了方便下一步的數(shù)據處理與建模流程，可以使用降維分析的方法對已有的變量進行處理，盡量減少不重要的參數(shù)，從而為模型框架的搭建提供便利。也可以利用主成分分析法確定幾個主要成分，從而對其他變量進行適當刪減。在這之后，要根據具體情況對地質狀況進行深層次分析，并依靠專業(yè)人員的分析與判定決議，從而確定分析模型的測量參數(shù)。在此之后，就可以根據所確定的參數(shù)與各類主要變量對該立體空間進行模型建立，并根據模型開展工程。

2 對可視化信息管理的論述

信息可視化并非單門學科，而是學科交融的產物，其主要目標在于將概念化的事物通過可視化方式進行呈現(xiàn)，比如將枯燥無味的代碼通過生動形象的影像資料進行展現(xiàn)。其可以將刻板的枯燥通過各種合適的折線圖、餅圖或是柱形圖進行表示與比較，從而使得數(shù)據的分析與處理過程更為方便簡潔。可視化信息管理是信息處理的重要發(fā)展，其能夠大大提高信息處理效率。

可視化信息管理能夠更加便捷地對信息進行處理與運用，并且降低信息管理難度，其可以做到想要管理的地方一目了然。在這種情況下，如果出了異常情況，管理人員與信息處理人員能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并進行指正，從而大大減少工程中的錯誤率。同時，其能夠更加直觀地對信息進行反映，即使是普通職工也能輕易對其進行分析，可以大大提高工程運行效率。

而且可視化信息管理有助于簡化運營程序，也有助于維持信息的安全與信息秩序的穩(wěn)定?？梢暬畔⒛軌蜃龅叫畔⑼该骰兄诮y(tǒng)一工程人員對工程的認識，這對于工程人員的工作狀態(tài)也是極大的鼓舞。同時，也可以最大程度上減少因對信息掌握不完全造成的失誤或是工程疏漏，其在巖土工程行業(yè)的運用前景是十分廣泛的。

3 立體空間建模思路的構建

巖土工程勘察場地立體空間建模與可視化信息管理所應當注重的因素較多。首先，由于巖土工程中測量得出的數(shù)據所對應的領域以及特征差異較大，數(shù)據來源較為廣泛，數(shù)據類型比較豐富，建立可視化信息管理系統(tǒng)的難度會變得較大。對此，應當采用適度降維的方式，通過對各種變量之間的相互轉換實現(xiàn)通過少部分變量替換多變量的表示方法，從而實現(xiàn)多源異構數(shù)據的耦合。

其次，通過對可視化信息管理技術的利用，以及立體空間建模的方式，尤其是三維空間的建模，能夠使得測繪觀察者更加系統(tǒng)地對各類地質特征進行綜合性分析，從而提高巖土工程勘察的準確性，從而在工程過程中對場地取得更深層次的了解。在建立起可視化的立體空間完全模型之后，對于其空間限度也有了一定把握，那么就可以對空間狀態(tài)進行具體估量，并據此對已掌握的信息進行實時修正，從而在設計工作中使工作人員對各類空間屬性保持更準確地估量，而這離不開信息化的實時操作。因此，需要安排人員進行該方面的操作，以確保信息更新的實時性與準確性，從而提高信息處理效率。

4 巖土工程的勘察場地立體空間建模與可視化信息管理過程

巖土工程的場地勘察以及立體空間建模是一個復雜的過程，根據沿途空間的空間延展性將其分為三個部分，各部分之間大致以地面為分割依據。第一部分為處于地面層上方的巖土結構以及建筑物等人工構筑物，可以通過視覺檢測技術等先進物聯(lián)網技術對其位置以及輪廓面等進行確定；第二部分是地面本身，包括其凸起與凹陷等地形特點和結構。第三部分是地下的土壤結構、之前因巖土工程留下的痕跡抑或是各類資源、生物多樣性等。這三部分的立體空間建模因其影響因素不同所得的結果是大為不同的，需要對其進行單獨分析。

首先，地面以上的部分主要是人工建設的建筑物抑或是各類基礎設施等。對此，可以通過基于現(xiàn)代物聯(lián)網輸入技術所研發(fā)的視覺識別技術來對其施以檢測?？梢栽跍y量器具中定義一個基本長度，然后通過各種映射方法來定義不同距離下測量的長度指標，從而進行多次測量，多維度地對地上設施的位置以及各長寬等信息進行采集，并輸入系統(tǒng)，以獲取多維信息，并根據預設算法進行數(shù)據處理，從而得出其大致數(shù)據。而對于其形狀也可以通過定義像素點的方式近似看作一個個正方形的拼接，從而將數(shù)據單位化，更有利于可視化處理。

而對于地面的數(shù)值則應當對鉆孔地點進行詳細統(tǒng)計，并測量高程點，對各類建模指標建立不同程度的測量?；诟叱厅c等信息，高程模型采用基于離散高程點生成的不規(guī)則網絡結構，生成算法主要有退火算法、蟻群算法等，測量時可以通過現(xiàn)代物聯(lián)網技術中的智能感應技術進行測量，主要在于了解各處海拔位置等因素的細微差別以及所造成的影響。而其他地面物質可以根據蟻群算法的原理對各處通路進行探索從而模擬仿真得出最優(yōu)解決方案，以完成地面部分的建模。

而地下部分在初步測量的基礎上，也可以通過蟻群算法進行路徑探索等，并將其結果與地面部分進行拼接，通過皮爾遜分析法檢測拼接程度來確保其準確性。另一方面，對于地下部分的巖土工程過程而言，對地質結構和地層分布的勘察的建模以及可視化信息處理的核心內容。對于極少部分路線繁多、地形復雜的區(qū)域而言，蟻群算法的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。

蟻群算法的基本原理是如同螞蟻分泌信息素一般，在走過的路徑中散播一種信息。若是最后能遇到食物，即能達到目標點或是完成目標等，則將該路線的邏輯變?yōu)檎妫駝t為假，假的路線不再進行探索。每一維度的路線都會有若干這樣的蟻群出動，從而通過逐一探索的方式取得最優(yōu)解。這樣雖然運行效率不夠高，但是對于工程質量是可以保證的，因此在各類工程中是比較實用的。而對于地下部分的信息處理采用蟻群算法，將會取得事半功倍的效果。

5 可視化信息處理的思路與原理

在巖土工程勘察場地立體空間建模與可視化信息管理方面，基于其“立體”及“可視化”的相關特性，可以基于編程語言python中turtle二維庫的多層次嵌套進行建模。對于勘察中的每一個研究對象，可以通過智能檢測技術將其輪廓畫出，并基于微積分原理將其輪廓劃分為若干細小單位，每一個單位越是細小越好，之后進行每一處的單位數(shù)測量，并掃描到數(shù)據庫中，通過python程序將其各角度視圖畫出并進行拼接。在角度選取時，應當盡量確保劃分足夠細致，每一個角度與其相鄰角度的差異足夠細微，從而能夠減少拼湊時因精確度差異造成的影響。依照此原理將每一部分的各面剖圖畫出并注意拼湊，即可得出整體的可視化信息圖。在此基礎上，我們可以對此進行管理。

將不同物體的不同面依照當代物聯(lián)網技術中的智能掃描技術掃描到電子管理設備中，然后通過程序設置將巖土工程勘探中常用的物品輸入至電腦中。當拿到一個由許多二維剖面圖拼湊而成的三維剖圖時，可以根據其剖面特征與庫中原有剖面特征作對照，從而判斷其剖面性質并進行處理。在此基礎上，可以對其進行進一步識別，將其與庫中的剖面特征依據一定的相關系數(shù)（如皮爾遜系數(shù)等）進行鑒別，從而找出與庫中相似度最高的物品或地形，并根據設置好的程序對該物品實施標準化上色或是信息標注等。若是相似度均低于50%，則可以列入備選庫中，等待進行人工識別。

為避免出現(xiàn)數(shù)據異?；蚴且虻匦芜^于復雜導致的數(shù)據問題，可以將每一個單位物品通過多種相關性系數(shù)與數(shù)據庫中擬定的常用物質進行多次擬合識別，從而減少偶然性和控制其相似程度的穩(wěn)定性。若出現(xiàn)在多種不同相關系數(shù)下某物品或單位地形的數(shù)據特征與庫中數(shù)據均不同的情況，則將其列入備選庫中，人工進行識別并在識別后加入庫中分類并定義信息標注或是上色等。若一種相關系數(shù)所得結果與其他相關系數(shù)所得結果不同，則依照較多相關系數(shù)共同結果來對數(shù)據進行處理，從而進行下一步標注等。

在對地形和物品均進行相關操作后，可以按照坐標進行三維空間建模，并通過程序再次檢驗其正誤。由于工程量較為巨大，可以多次進行建模并通過與實際勘測結果進行比對或是進行二次勘測以減少實驗誤差，同時依照適當?shù)倪壿媽ζ溥M行可視化信息管理，包括將其保存在數(shù)據庫中或是轉化成代碼的形式留存在程序庫內以確?？睖y結果的穩(wěn)定性，也能夠減少數(shù)據丟失的可能。

6 結束語

傳統(tǒng)二維建模技術在三維空間建模方面有所欠缺，而文章利用微積分的思想通過許多二維建模面的不斷拼湊從而構建起三維建模方式，并通過科學有效的檢驗原理來保障建模結果的準確無誤性。同時，以該三維空間建模原理為基礎，通過智能化輸出手段，直接利用程序實現(xiàn)同步將勘測信息轉化為可視化信息，提高了信息的利用率與轉化率。巖土工程勘察場地立體空間建模與可視化信息管理其實是通過一條邏輯鏈條順下來的，可視化信息管理的目的是將立體空間建模所取得的信息加以適當延伸與利用，從而增強前后聯(lián)系，這無疑是提高巖土工程質量的良好方式。同時，在空間建模方面，這也是一種嶄新的思路，不僅可以用于立體空間建模，更可以將這種拼湊法作為質量檢驗等其他工作中的監(jiān)測指標，以促進產業(yè)的發(fā)展。文章的整體思路在于將立體空間建模與可視化信息管理融為一體，從而為巖土工程質量提供保障，這有利于巖土工程行業(yè)的發(fā)展。