CnGIM_ma三維建模軟件在工程勘察中的應(yīng)用研究

朱信波 劉培培 趙明華

摘要：水電工程勘察中，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)分析方法效率低、局限性強，不能滿足現(xiàn)今社會發(fā)展要求。為應(yīng)用三維地質(zhì)模型技術(shù)實現(xiàn)地質(zhì)信息從二維空間到三維空間的變革，解決傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)分析方法的不足，以具體水電站工程可研階段勘察為例，基于CnGIM_ma建模軟件，以地質(zhì)剖面、物探剖面、鉆孔、平硐數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展了三維地質(zhì)模型建立及應(yīng)用研究。結(jié)果表明：利用三維地質(zhì)模型技術(shù)可以提高原始數(shù)據(jù)處理的效率及準確性，快速、及時地呈現(xiàn)地質(zhì)信息并進行綜合分析評價，為三維設(shè)計提供技術(shù)支撐，具有重要的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：CnGIM_ma; 三維模型; 工程勘察; 水電工程

中圖法分類號：P208 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.012

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0074 - 05

0 引 言

水電工程地質(zhì)勘察工作具有研究范圍廣、涉及學(xué)科領(lǐng)域多、勘察工作量大且周期長、采用的方法和手段需要有針對性等特點。因此，勘察技術(shù)方法的選擇與勘察工作效率和成果質(zhì)量的關(guān)系十分密切。

2004年以前，中國水電工程勘察以傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)分析為主，工程投入大量人力、物力進行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及圖紙繪制工作，錯誤率高、效率低。2004年以后，隨著計算機技術(shù)高速發(fā)展，中國水電工程逐步向三維協(xié)同設(shè)計轉(zhuǎn)型，這為工程地質(zhì)勘察工作提出了更高的要求。隨著中國工程建設(shè)的發(fā)展，工程勘察信息交流的速度越來越快，迫切需要一種方便的手段作為勘察信息處理與運用的高效率載體，而三維地質(zhì)建模技術(shù)能較好地滿足上述需求[1-3]。

三維地質(zhì)建模技術(shù)是地理信息系統(tǒng)的分支之一，是主要反映地下信息的一種技術(shù)手段。發(fā)達國家從 20 世紀 70 年代開始發(fā)展三維地質(zhì)建模軟件，在 90 年代有穩(wěn)定的產(chǎn)品問世，并不斷發(fā)展、成熟[4]。目前，國內(nèi)外比較流行的三維地質(zhì)模型軟件有GoCAD[5]，CATIA[6]，Earth Vision[7-9]等。而國產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件經(jīng)過近 20 a的研究、探索與產(chǎn)業(yè)化，在最近總體達到可用的水平，能夠滿足大多數(shù)用戶的日常工作需求，如MapGIS[10]，3DMine[11]，CnGIM_ma等。

基于CnGIM_ma建模軟件，以原始數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫并建立了三維地質(zhì)模型。利用三維地質(zhì)模型技術(shù)快速、及時地呈現(xiàn)地質(zhì)信息成果，并對地質(zhì)信息進行綜合分析評價，提高了數(shù)據(jù)處理效率及準確性，為工程三維設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

1 CnGIM_ma軟件功能及操作流程

1.1 系統(tǒng)簡介

CnGIM_ma是加華地學(xué)（武漢）數(shù)字技術(shù)有限公司開發(fā)的一款面向勘察、巖土專業(yè)的大型平臺型軟件，服務(wù)于地質(zhì)三維建模、分析和巖土工程輔助設(shè)計。

軟件在Windows操作系統(tǒng)下運行，支持Windows 2000，Windows XP，Windows Vista，Windows 7，Windows 8，Windows 10 等版本。運行環(huán)境需要NET framework V4.0 及以上版本的支持。

一般臺式電腦和筆記本電腦都可以滿足該程序的安裝和運行要求。建議的配置為：處理器Intel 或 AMD 雙核以上，主頻2.4G Hz以上;內(nèi)存4 GB 以上;硬盤存儲空間256 GB 以上;顯卡建議為ATI RadeonTM 或 GeForce GTX590。

軟件系統(tǒng)包含前端數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫、建模與數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用與成果輸出三大功能模塊。

數(shù)據(jù)庫對應(yīng)于日常工作中勘察資料的采集、保存、業(yè)內(nèi)整理，支持離線、服務(wù)器、云服務(wù)器等多種數(shù)據(jù)管理方式，是實現(xiàn)工程前后協(xié)同工作的紐帶。建模與數(shù)據(jù)處理是引入三維工作模式后的一個中轉(zhuǎn)平臺，其作用是將勘察資料轉(zhuǎn)化成包括地質(zhì)邊界和巖土力學(xué)特性的“含屬性地質(zhì)三維模型”。應(yīng)用與成果輸出對應(yīng)于日常工作特定問題的分析評價和工程設(shè)計，以及不同專業(yè)之間協(xié)作所需要的數(shù)據(jù)交互。

1.2 操作流程

（1） 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。步驟：啟動數(shù)據(jù)庫程序→連接數(shù)據(jù)庫→創(chuàng)建工程→創(chuàng)建工程階段、部位→模板配置→數(shù)據(jù)錄入或?qū)搿鷶?shù)據(jù)檢查→數(shù)據(jù)處理和輸出。具體操作流程如圖2所示。

（2） 創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。步驟：通過數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入地質(zhì)信息→測試解譯→利用封裝模塊進行地質(zhì)界面建模→通過輔助剖面、虛擬鉆孔對模型進行調(diào)整→地質(zhì)體填充→對地質(zhì)體進行分析→數(shù)據(jù)處理和輸出。三維地質(zhì)模型建模模塊如圖3所示。

2 水電工程三維地質(zhì)模型建立與成果應(yīng)用

2.1 模型建立

以具體水電工程可研階段勘察為例，通過1.2節(jié)操作流程將離散數(shù)據(jù)分門別類依次輸入數(shù)據(jù)庫內(nèi)，包括地形圖、地質(zhì)圖、鉆孔、平硐、地質(zhì)剖面、地震數(shù)據(jù)、等深圖、物探數(shù)據(jù)、化探數(shù)據(jù)、工程勘察數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)及各類原位試驗數(shù)據(jù)等，創(chuàng)建該水電工程可研階段數(shù)據(jù)庫（圖4）。

將數(shù)據(jù)庫野外勘察數(shù)據(jù)及工程區(qū)地表點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CnGIM_ma建模軟件，將地表信息設(shè)置精確約束，基于離散光滑插值技術(shù)（DSI），通過封裝模塊建模工具逐步擬合，建立地表面。依據(jù)地質(zhì)年代由新到老、由上到下的次序，對鉆孔揭露不同地層或巖性界面、地表出露跡線、產(chǎn)狀等數(shù)據(jù)作為精確約束進行擬合，通過封裝模塊建模工具進行三維地質(zhì)地層界面的建模，分別建立各自相應(yīng)的三維曲面地質(zhì)模型。通過物探剖面、虛擬鉆孔[12]對各界面進行調(diào)整，建立地質(zhì)體，形成三維地質(zhì)模型（圖5） 。

2.2 成果應(yīng)用

2.2.1 離散數(shù)據(jù)整合分析

水電工程勘察周期長，數(shù)據(jù)信息量大、種類多，具離散性，人工統(tǒng)計工作繁瑣、工作量大、信息容易遺漏。通過數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計功能可快速、全面、分區(qū)域針對性地對所需數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整合，并通過三維模型直觀展示出來，大大提高數(shù)據(jù)分析效率和準確度[13]。

通過數(shù)據(jù)庫界面依次選擇結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計圖→工程、工程部位、工程階段→鉆孔、平硐→查詢→全選鉆孔、平硐→節(jié)理裂隙→出圖（圖6）。數(shù)據(jù)庫自動處理形成等密線圖（圖7），選擇優(yōu)勢組第1組并框選，導(dǎo)出至三維，可在三維界面展示出來（圖8）。通過勘探解譯（圖9），對同組結(jié)構(gòu)面進行分析和屬性比對，將同條斷層歸類并重命名，從而達到將離散數(shù)據(jù)整合分析的目的。

2.2.2 模型展示與測量計算

圖10為該水電站壩址區(qū)CnGIM_ma 三維地質(zhì)模型的截圖，展示了三維模型在主要建筑物和主要斷層空間關(guān)系方面的應(yīng)用，兩岸斷層與地下廠房、泄洪洞之間的空間關(guān)系等可以得到清晰和準確的展示，在施工過程中做到提前預(yù)知預(yù)報。

圖11為該水電站導(dǎo)流明渠邊坡CnGIM_ma三維地質(zhì)模型的截圖，展示了三維模型在主要結(jié)構(gòu)面和坡面空間關(guān)系方面的應(yīng)用;其中，斷層切割情況可以得到清晰和準確的展示，同時，利用三維模型可以測算切割深度與方量[14]，為設(shè)計方案的布置提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.3 二維出圖

二維出圖是工程地質(zhì)勘察生產(chǎn)中關(guān)心的主要問題之一，中國對于利用三維地質(zhì)模型自動生成標準地質(zhì)剖面圖進行了大量的研究[15]。在CnGIM_ma三維模型上直接切圖，過程非常快捷，一般在數(shù)十秒至數(shù)分鐘內(nèi)即可完成，遠低于手工的數(shù)日乃至十余日的耗時; 切圖的精度和三維空間的協(xié)調(diào)性可以得到保證（不需要人工校對相交剖面的地質(zhì)內(nèi)容），大大提高了工作效率。圖12～13為CnGIM_ma三維模型切剖面的流程與效果展示。

3 三維模型技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用優(yōu)勢

通過該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立與三維地質(zhì)模型的應(yīng)用，勘察工作效率和成果質(zhì)量得到了以下提升。

（1） 數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、共享和整合管理，提高了數(shù)據(jù)分析效率和準確度。

（2） 三維地質(zhì)模型可直觀還原現(xiàn)場地質(zhì)情況、模擬地質(zhì)體幾何形態(tài)與空間關(guān)系，進行多維度分析。通過對三維地質(zhì)模型的剝離、選擇、提取等操作，表現(xiàn)三維模型的局部特征，便于觀察和掌握不同層面、不同構(gòu)造、不同細節(jié)地質(zhì)數(shù)據(jù)的空間分布及其變化規(guī)律，地質(zhì)學(xué)者可以很容易地觀察地質(zhì)模型內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進行各種測量、計算、統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)地質(zhì)勘察的清晰化、可視化、精密化。

（3） 利用三維地質(zhì)模型全面解譯和直接生成任意剖面的功能，能夠快速、批量出圖，避免了二維剖面之間的不一致性，提高了勘察精度，并能靈活方便地制作鉆孔柱狀圖、三維模型圖、2D剖面圖，提高了工作效率。

4 結(jié) 論

（1） 應(yīng)用實例表明，利用三維地質(zhì)模型技術(shù)，可以把空間分布的離散、不均勻的地質(zhì)信息變成連續(xù)、可視、形象直觀的三維地質(zhì)模型，提高數(shù)據(jù)分析效率和準確性。

（2） 運用三維地質(zhì)模型的空間屬性參數(shù)分析功能，可快速、及時地呈現(xiàn)地質(zhì)信息，并能夠?qū)Φ刭|(zhì)屬性進行評價分析，結(jié)合設(shè)計方案實現(xiàn)施工階段地質(zhì)的提前預(yù)知預(yù)報。

（3） 三維地質(zhì)模型的全面解譯和剖面生成功能為快速、精確設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

（4） 通過三維地質(zhì)模型靈活方便地制作工程用圖，提高了工作效率，具有實際應(yīng)用價值。

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（編輯：高小雲(yún)）

Application of 3D modeling software based on CnGIM_ma

in engineering surveying

ZHU Xinbo，LIU Peipei，ZHAO Minghua

（Changjiang Three Gorges Survey and Research Institue Limited Company， Wuhan 430010， China）

Abstract： In hydropower engineering survey， the traditional two-dimensional data analysis method is difficult to meet the requirements of modern social development for its low efficiency and strong limitations. In order to apply three-dimensional geological model technology to realize the transformation of geological information from two-dimensional space to three-dimensional space and overcome the shortcomings of traditional two-dimensional data analysis methods， taking the engineering investigation of a hydropower station in the feasibility stage as a studying case， by using CnGIM_ma modeling software and based on geological profile， geophysical profile， borehole and adit data of this project， the establishment and application of three-dimensional geological model were carried out. The results showed that 3D geological model technology can improve the efficiency and accuracy of original data processing， quickly and timely present geological information， comprehensively analyze and evaluate geological information， provide technical support for 3D designs and has important practical values.

Key words： CnGIM_ma; Three-dimensional model; engineering surveying; hydropower project