趙煥禎，朱祥山，邵成立，宮寧

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266033)

1 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)所涉及的工程地質(zhì)問題日益凸顯，對(duì)于城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及地下空間開發(fā)利用等至關(guān)重要。當(dāng)前城市建設(shè)積累的大量工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，往往缺乏整體規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)化，存在信息整合性差的問題。傳統(tǒng)二維工程地質(zhì)信息的展示已經(jīng)不能滿足城市建設(shè)需求，三維地質(zhì)建模技術(shù)與可視化技術(shù)因具有空間數(shù)據(jù)管理，可視化程度高，直觀視覺強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)逐漸展露勢(shì)頭。通過城市地質(zhì)工作與信息化深度融合的手段，推進(jìn)信息技術(shù)和信息手段提高城市管理效率，提高解決城市重大資源環(huán)境問題評(píng)估的能力。隨著建模技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)模型的構(gòu)建越來越趨于精細(xì)化，基于此，將地表景觀模型、地下管廊、地質(zhì)體等空間信息進(jìn)行集成顯示，以三維可視化的技術(shù)手段構(gòu)建基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維模型，基于真實(shí)地理空間位置實(shí)現(xiàn)地理空間信息數(shù)據(jù)的三維一體化集成展示，促進(jìn)自然資源三維立體空間信息化的發(fā)展，為智慧化城市園區(qū)管理提供立體空間三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底座。

2 工程地質(zhì)三維可視化關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)多源、多尺度的地質(zhì)數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)的三維可視化管理和展示，需要解決以下幾方面內(nèi)容：①為解決三維地質(zhì)體建模的復(fù)雜性問題，開展基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體自動(dòng)生成技術(shù)研究，以期實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目級(jí)、區(qū)域級(jí)工程地質(zhì)的自動(dòng)化建模，滿足勘察成果從二維報(bào)告向三維屬性模型的轉(zhuǎn)變需求；②為滿足巖土勘察精度需求，解決以往地質(zhì)體模型生成不準(zhǔn)確，地理信息空間精度不佳的問題，開展基于地形、地下構(gòu)筑物、控制性鉆孔數(shù)據(jù)等多源信息約束條件，顧及地質(zhì)變化規(guī)律，建立統(tǒng)一的水平垂直基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)地理位置的三維地質(zhì)體精細(xì)化建模，滿足項(xiàng)目級(jí)、區(qū)域級(jí)等不同尺度三維地質(zhì)體對(duì)建模精度的需求，為后續(xù)巖土勘察工程應(yīng)用、智慧園區(qū)應(yīng)用、區(qū)域工程地質(zhì)研究評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)；為解決地下空間成果與地上三維成果及地下空間構(gòu)筑物間的集成展示問題，開展三維地質(zhì)體與三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的融合研究并應(yīng)用到工程地質(zhì)三維智慧應(yīng)用平臺(tái)，滿足地上地下三維一體化展示及工程地質(zhì)成果的推廣應(yīng)用需求。

2.1 基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體自動(dòng)生成技術(shù)

系統(tǒng)采用地層旋回分級(jí)建模的總體思想：基于從上到下、主TIN的標(biāo)準(zhǔn)地層建模思路，對(duì)鉆孔中倒轉(zhuǎn)、旋回地層按照統(tǒng)一的編碼規(guī)則，對(duì)地層進(jìn)行重新編碼，生成新的標(biāo)準(zhǔn)地層編碼，保證每個(gè)鉆孔中地層是有順序的，按照先建主層、再建亞層，主層約束亞層的方式依次構(gòu)建各個(gè)地層模型。實(shí)現(xiàn)地質(zhì)屬性信息的數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)掛接，從而實(shí)現(xiàn)模型屬性信息的查詢。屬性信息包括了地層名稱、地層編號(hào)、地質(zhì)年代、地層描述、承載力參數(shù)(承載力特征值)、變形參數(shù)(變形模量)、抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)等。剖切后實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體模型地層標(biāo)高的準(zhǔn)確呈現(xiàn)和查詢、地質(zhì)體模型的空間量測(cè)等功能。根據(jù)地質(zhì)剖面線，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面圖的查詢；根據(jù)三維鉆孔柱狀模型，實(shí)現(xiàn)鉆孔柱狀圖的查詢。以工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)鉆孔的三維地質(zhì)建模，實(shí)現(xiàn)不同范圍內(nèi)三維地質(zhì)體建模，建模范圍包含全域范圍單地層、區(qū)塊范圍全地層和工程勘察項(xiàng)目范圍全地層。

地質(zhì)勘測(cè)資料具有空間尺度、時(shí)間尺度以及系統(tǒng)的差異性。尺度差異性的存在使插值或擬合區(qū)域出現(xiàn)空值區(qū)或高值區(qū)，嚴(yán)重降低了三維成果的客觀真實(shí)性。因此為了克服地質(zhì)勘測(cè)資料尺度上的相對(duì)性，需對(duì)地質(zhì)勘測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)一歸算，以利于客觀真實(shí)地表達(dá)地質(zhì)信息的空間分布特征。

圖1 多尺度自動(dòng)生成地質(zhì)三維模型

基于鉆孔數(shù)據(jù)推算區(qū)域立體三維空間的地層情況，是陸域地質(zhì)三維模型最常用的方式之一。然而，鉆孔分布密度及深度往往與具體項(xiàng)目要求密切相關(guān)，這就要求在實(shí)際建模前，要對(duì)原始的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行空間位置的統(tǒng)一歸算，考慮不同尺度地質(zhì)三維模型的融合問題。多尺度地質(zhì)三維模型效果如圖1所示。

2.2 基于多源信息約束的地質(zhì)體精細(xì)化建模

基于鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)體模型，顧及尖滅系數(shù)、距離反比參數(shù)以及地質(zhì)變化規(guī)律等因素，實(shí)現(xiàn)不同尺度范圍三維地質(zhì)體建模；基于DEM數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體與地上三維模型的無縫銜接；基于地下地理實(shí)體外輪廓凸包約束，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體對(duì)管線、管廊數(shù)據(jù)以及地下構(gòu)筑物的避讓；基于區(qū)域路網(wǎng)控制性鉆孔數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域工程建模的層序統(tǒng)一，約束項(xiàng)目鉆孔數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)精細(xì)化建模。建立統(tǒng)一的水平垂直基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)地上、地表、地下多源數(shù)據(jù)的一體化三維融合及展示，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊范圍內(nèi)地上模型、地表影像、地質(zhì)體模型和地下構(gòu)筑物的一體化展示和分析，多源信息約束模型效果如圖2所示。

圖2 多源信息約束模型效果

2.3 三維地質(zhì)體與三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用

在三維系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)地上構(gòu)筑物、地下地質(zhì)體的三維一體化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維一體化場(chǎng)景的旋轉(zhuǎn)瀏覽、地上地下模式瀏覽等。通過勾選相應(yīng)的圖層，實(shí)現(xiàn)單一元素、不同地層的獨(dú)立呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔柱狀模型的呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體模型與管線管廊模型的良好避讓。將三維地質(zhì)體建模與巖土工程專業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以項(xiàng)目為對(duì)象的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)、地面模型、建筑模型及傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維可視化應(yīng)用，直觀展示擬建物基底標(biāo)高處地層水平及垂直分布，查詢地層物理力學(xué)參數(shù)，輔助地基基礎(chǔ)選型、設(shè)計(jì)。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，能夠直觀查詢基坑側(cè)壁地層分布、變化，輔助基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在查詢地下水水位信息時(shí)，輔助地下水控制設(shè)計(jì)；同時(shí)可查詢地下管線、構(gòu)筑物等與支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)距離，解決錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下管線、構(gòu)筑物的碰撞問題，巖土工程數(shù)據(jù)精度和展示效果得到極大提升，場(chǎng)景融合及避讓效果如圖3所示。

圖3 場(chǎng)景融合及避讓效果

3 基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維可視化方案

為滿足項(xiàng)目級(jí)工程地質(zhì)三維化的需求，應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目生產(chǎn)，本文結(jié)合基于鉆孔的三維地質(zhì)體自動(dòng)生成技術(shù)、基于多源信息約束的地質(zhì)體精細(xì)化建模技術(shù)和三維地質(zhì)體與三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，形成一套基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維可視化項(xiàng)目解決方案，方案邏輯架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維邏輯架構(gòu)

圖5 地上地下一體化三維數(shù)據(jù)底座

基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維可視化項(xiàng)目解決方案的核心思想是將地質(zhì)數(shù)據(jù)三維化并在地理信息三維平臺(tái)中展示應(yīng)用。首先利用工程項(xiàng)目鉆孔數(shù)據(jù)生成工程三維地質(zhì)體模型，將區(qū)域路網(wǎng)及鉆孔數(shù)據(jù)作為控制地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)工程三維地質(zhì)體進(jìn)行聯(lián)合精化。然后對(duì)地下空間的管線、管廊和地下室等人工構(gòu)筑物進(jìn)行避讓處理。再利用地形數(shù)據(jù)和地上模型數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，生成精化三維地質(zhì)體。最后將所有的地理可視化模型統(tǒng)一到系統(tǒng)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)地上地下三維模型的融合展示效果。地上地下一體化三維數(shù)據(jù)底座如圖5所示。

4 結(jié) 語

基于多源信息約束的工程地質(zhì)三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究，充分利用了地理信息空間數(shù)據(jù)的相關(guān)性，基于地形、地下構(gòu)筑物、控制性鉆孔數(shù)據(jù)等多源信息約束條件，顧及地質(zhì)變化規(guī)律，建立統(tǒng)一的水平垂直基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)地理位置的三維地質(zhì)體精細(xì)化建模，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)體的工程級(jí)、區(qū)域級(jí)等多尺度精細(xì)化建模，滿足項(xiàng)目級(jí)、區(qū)域級(jí)等不同尺度三維地質(zhì)體對(duì)建模精度的需求，有力克服了傳統(tǒng)鉆孔數(shù)據(jù)生成三維模型的局限性，解決了巖土勘察成果與地上三維成果及地下空間構(gòu)筑物間的集成展示問題。有力促進(jìn)了巖土工程專業(yè)信息化水平的發(fā)展，為智慧園區(qū)三維應(yīng)用建設(shè)奠定基礎(chǔ)。