崔富強(qiáng)

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南714000）

基于巖土工程探測(cè)的場(chǎng)地立體空間建模與信息管理設(shè)計(jì)

崔富強(qiáng)

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南714000）

文中針對(duì)導(dǎo)航及地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維巖土工程勘察圖紙已不能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)信息處理提供大量、簡(jiǎn)捷和直觀的巖土勘察信息的問(wèn)題，提出了三維建模技術(shù)和可視化技術(shù)。該技術(shù)在分析和測(cè)量大量的勘察資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維立體建模和可視化編程軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巖土勘察地形的立體空間模型，并在可視化技術(shù)下，該場(chǎng)景真實(shí)逼真，該模型的提出為巖土勘察工程提供了重要的參考價(jià)值，且在未來(lái)的發(fā)展中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

巖土工程；三維建模技術(shù)；可視化技術(shù)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)信息處理及衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)的迅速發(fā)展，巖土勘察技術(shù)[1]及方法也隨之得以改進(jìn)，新的理論及分析方法層出不窮，傳統(tǒng)的二維巖土工程勘察圖紙令研究者難以根據(jù)二維的長(zhǎng)寬高勾勒出三維場(chǎng)景，且二維信息也不能為如今的計(jì)算機(jī)處理提供直觀的空間信息?；诖耍瑏?lái)自不同領(lǐng)域的研究者，包括圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)信息處理[2]、地理信息系統(tǒng)的處理等行業(yè)的研究者紛紛將所學(xué)知識(shí)相互融合，從而建立了三維地理信息系統(tǒng)。文中在查閱了大量有關(guān)多源異構(gòu)方面巖土工程的資料，開(kāi)發(fā)了集地理信息數(shù)據(jù)預(yù)處理，三維空間建模及可視化技術(shù)與一體的軟件系統(tǒng)[3]。該軟件可查看任意勘察場(chǎng)地的整體及三維刨面圖，為研究者提供了較強(qiáng)的直觀感，并可對(duì)勘察信息的查詢及更新進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

1 數(shù)據(jù)管理

1.1 數(shù)據(jù)錄入處理

對(duì)于數(shù)據(jù)信息的來(lái)源主要有3種獲取方式，分別為紙質(zhì)版勘察數(shù)據(jù)、二維電子數(shù)據(jù)和專業(yè)處理過(guò)的軟件數(shù)據(jù)。下面介紹系統(tǒng)對(duì)這3種信息的處理方式，對(duì)于紙質(zhì)版勘察數(shù)據(jù)的錄入，首先將紙質(zhì)版數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子格式，然后根據(jù)系統(tǒng)要求的格式將電子格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)接受的格式，這樣對(duì)于該數(shù)據(jù)便可方便快捷的查詢和使用[4]。對(duì)于電子數(shù)據(jù)，只需要用與數(shù)據(jù)或表格文檔相應(yīng)的管理軟件進(jìn)行管理即可。對(duì)于專業(yè)處理過(guò)的軟件數(shù)據(jù)，需仔細(xì)了解其格式是否為系統(tǒng)所要求的，若不是要先轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)要求的格式再進(jìn)行錄入。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有數(shù)據(jù)管理模塊，且包含Excel接口，能夠?qū)Υ罅康臄?shù)據(jù)進(jìn)行批量輸入和輸出[5]。

1.2 數(shù)據(jù)異常處理

該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)異常處理模塊[6]，對(duì)于上述數(shù)據(jù)的錄入可能會(huì)由于某種原因?qū)е洛e(cuò)誤的錄入，嚴(yán)重者還可能導(dǎo)致對(duì)于地形地貌的錯(cuò)誤構(gòu)造，如圖1所示為數(shù)據(jù)異常處理模塊能夠?qū)υ磾?shù)據(jù)進(jìn)行檢查和預(yù)處理，保證了由于異常數(shù)據(jù)所帶來(lái)的巨大損失。

圖1 數(shù)據(jù)管理流程

2 三維建模及可視化管理

如圖2所示為三維集成建模技術(shù)路線圖，對(duì)于巖土勘察三維建模系統(tǒng)的建立涉及到諸多對(duì)象，該對(duì)象是按照空間的位置不同而劃分的，通常情況下被分為3種，分別為位于地表以上、地表表面以及地表以下的地形地貌[7]。由于這3種地貌地形的不同，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，其數(shù)據(jù)來(lái)源，幾何形態(tài)表達(dá)等均不相同，這就導(dǎo)致了對(duì)于不同空間的三維模型亦不同，但均可采用無(wú)縫耦合的方法[8]與地表模型進(jìn)行對(duì)接。

圖2 三維集成建模技術(shù)路線

2.1 地上部分

對(duì)于地上部分大多指的是建筑物，該模型的建立采用邊界表示法（B－Rep）[9]，因地上大部分建筑物的側(cè)面由四邊形縫合而成可被分解為三角形，而頂面可采用三角剖分方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.2 地面部分

對(duì)于地表模型的建立，最重要的就是數(shù)據(jù)的來(lái)源，該數(shù)據(jù)的來(lái)源大部分從鉆孔孔口坐標(biāo)的獲取、測(cè)量高程點(diǎn)的位置和地形平面圖的繪制得到。地面高程模型的建立是由離散高程點(diǎn)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)形成的，該模型建立的算法主要有3種，分別為插入法、分治法以及三角網(wǎng)生長(zhǎng)法[10]。地表還有綠植、道路以及下水道的井口等物，可利用數(shù)學(xué)中的點(diǎn)、線、面處理方法將地物和數(shù)字高程模型呈現(xiàn)無(wú)縫集成。

2.3 地下部分

地下部分涉及地層之間的關(guān)系，尤其對(duì)于有尖滅現(xiàn)象的地下部分，更需要特殊處理。文中對(duì)于地下部分的建模采用廣義三棱柱模型（GTP）[11]及改進(jìn)的GTP退化模型分別對(duì)一般的地下部分和含有尖滅的地下進(jìn)行建模處理。

3 系統(tǒng)整體構(gòu)架

對(duì)于巖土勘察體系結(jié)構(gòu)的建立如圖3所示，系統(tǒng)建立主要考慮的因素有3個(gè)，首先是根據(jù)地形地貌的不同，采集到的數(shù)據(jù)因此也不同，針對(duì)該問(wèn)題需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的耦合[12]。然后是可視化技術(shù)的搭建，三維模型的構(gòu)造，通過(guò)軟件的實(shí)現(xiàn)使得地質(zhì)人員能直觀的根據(jù)幾何圖形對(duì)巖土現(xiàn)狀進(jìn)行觀察。最后是對(duì)于可視化模型的空間操控，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能使研究者方便的進(jìn)行人機(jī)交互，并可在可視化界面下進(jìn)行相關(guān)的查詢及更新功能。

圖3 軟件系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

4 信息交互管理

由于巖土劃分不同的特性，因此三維圖形的建立也各不相同，常見(jiàn)的三維模型的建立有地質(zhì)體、鉆孔、數(shù)字高程模型、建筑物、地下水位面以及地質(zhì)剖面。這么多的模型在計(jì)算機(jī)中均需要進(jìn)行編輯和查找等操作，信息交互管理就是提供一種將圖像和圖像屬性相關(guān)聯(lián)的編碼方法[13]。如圖4所示，在模型的建立時(shí)，每一個(gè)模型均有一個(gè)編碼和其唯一對(duì)應(yīng)，使其具有唯一的標(biāo)識(shí)碼[14]。在對(duì)模型進(jìn)行查找時(shí)首先是進(jìn)行模型標(biāo)識(shí)碼的查找，然后通過(guò)解碼功能進(jìn)行模型屬性的對(duì)應(yīng)。

圖4 圖屬交互過(guò)程

5 軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用實(shí)例

基于本文三維模型的建立及可視化方法，軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言用Visual C++，和OpenGL[15]三維圖形庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)巖土工程的可視化操控。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以一個(gè)具體的巖土勘察項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目的勘探點(diǎn)有126個(gè)，鉆孔深度為10～30m之間，勘察的地形成品字形地貌，南北走向約340m，東西長(zhǎng)大概460m。在對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集之后，按系統(tǒng)規(guī)定格式錄入，可得到如圖5所示的空間立體模型。

圖5 巖土工程場(chǎng)地的三維圖形

對(duì)于多交叉剖面的地質(zhì)研究者通常需要對(duì)其進(jìn)行剖面圖分析，該項(xiàng)目的一個(gè)刨面圖如圖6所示。

圖6 地質(zhì)刨面圖分析

圖7 地層實(shí)時(shí)查詢和更新

圖7所示，在可視化系統(tǒng)中即可看到該系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上利用信息查詢和更新功能可對(duì)勘察區(qū)域進(jìn)行空間中的上下查看。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該模型的三維生成及可視化的操控，證實(shí)了該系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，解決了傳統(tǒng)二維建模技術(shù)給新時(shí)代研究人員及計(jì)算機(jī)處理所帶來(lái)的困難，其真實(shí)感強(qiáng)，信息量大，大幅提高了工作效率，且對(duì)于巖土勘察領(lǐng)域的研究具有較強(qiáng)的推動(dòng)作用，該技術(shù)也將會(huì)給社會(huì)帶來(lái)極大的效益。

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Space modeling and information management design of site based on geotechnical engineering survey

CUI Fu-qiang
（Shaanxi Railway Engineering Vocational College，Weinan 714000，China）

This paper for navigation and geographic information system （GIS） the rapid development，the traditional 2D geotechnical engineering survey drawings have not been able to provide a large number of computer information processing，simple and intuitive geotechnical investigation information problems proposed 3D modeling technology and real-time visualization technology.The technology on the basis of analysis and measurement of a large amount of investigation data，using 3D solid modeling and visualization programming software technology，can realize the geotechnical survey the terrain of threedimensional space model， and in the visualization technology and the real scene realistic， the model proposed for the geotechnical engineering investigation provides important reference value，in the future development has a strong practical value.

Geo engineering； 3D modeling technology； visualization technology

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0081-04

2016-08-01稿件編號(hào)：201608006

崔富強(qiáng)（1978—），男，山東青島人，碩士，助教。研究方向：巖土工程。