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(dāng)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)學(xué)建模技術(shù)的不斷增強(qiáng)，基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步，其在各類工程中的應(yīng)用也一步一步地展開普及。當(dāng)代地理信息技術(shù)是時(shí)代基礎(chǔ)上的多層次信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)不斷結(jié)合的產(chǎn)物，其對于地質(zhì)勘探具有較為深遠(yuǎn)的意義，而其在工程領(lǐng)域也存在很深的發(fā)展空間。在巖土工程實(shí)施過程中，需要對工程場地進(jìn)行實(shí)時(shí)勘測并將所得信息進(jìn)行有效的規(guī)?；幚?，從而合理且高效地利用相關(guān)信息，對此，地理信息技術(shù)的應(yīng)用就顯得必不可少。而且，隨著巖土工程質(zhì)量要求的不斷提高，原有的二維建模技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足新時(shí)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(shù)的要求就達(dá)到了極高的指標(biāo)。而由于三維建模技術(shù)所衍生的高信息量，如何合理科學(xué)地對可視化信息進(jìn)行管理也成為了關(guān)鍵問題。文章將通過議論對該問題進(jìn)行進(jìn)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(gòu)造出原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立派生數(shù)據(jù)，并通過對于這兩組數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)等有關(guān)變量的分析進(jìn)行合理化運(yùn)用，從而對空間中的信息進(jìn)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(yù)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(jié)果是建立起對于該場地地圖的相關(guān)模型，該模型可以簡化空間站許多復(fù)雜變量或因素，將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(guān)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次剖析，以支持實(shí)際問題的解決。

立體空間建模的實(shí)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(gè)反過程，如果是空間分析是由數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并指向分析結(jié)果，那么立體空間建模就是由分析結(jié)果開始，通過處理過程對初步信息的獲取進(jìn)行分析，從而建立起空間結(jié)構(gòu)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(jìn)行詳細(xì)的分析與構(gòu)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(dǎo)致的變化情況等進(jìn)行分析，從而展開深層次描繪與構(gòu)建，以合理科學(xué)地構(gòu)造系統(tǒng)數(shù)據(jù)體系。在掌握了外部信息之后，就要從理論層面進(jìn)行下一步的分析。依據(jù)地理學(xué)的基本觀點(diǎn)和該立體空間的具體特點(diǎn)等進(jìn)行深度分析，并根據(jù)理論知識進(jìn)行推理計(jì)算，對空間中各因素相互影響的關(guān)系進(jìn)行深層次探究，從而確定建模的準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上。為了方便下一步的數(shù)據(jù)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(jìn)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(gè)主要成分，從而對其他變量進(jìn)行適當(dāng)刪減。在這之后，要根據(jù)具體情況對地質(zhì)狀況進(jìn)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(jù)所確定的參數(shù)與各類主要變量對該立體空間進(jìn)行模型建立，并根據(jù)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(xué)科，而是學(xué)科交融的產(chǎn)物，其主要目標(biāo)在于將概念化的事物通過可視化方式進(jìn)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(jìn)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(jìn)行表示與比較，從而使得數(shù)據(jù)的分析與處理過程更為方便簡潔?？梢暬畔⒐芾硎切畔⑻幚淼闹匾l(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(jìn)行處理與運(yùn)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(shí)間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行指正，從而大大減少工程中的錯(cuò)誤率。同時(shí)，其能夠更加直觀地對信息進(jìn)行反映，即使是普通職工也能輕易對其進(jìn)行分析，可以大大提高工程運(yùn)行效率。

而且可視化信息管理有助于簡化運(yùn)營程序，也有助于維持信息的安全與信息秩序的穩(wěn)定。可視化信息能夠做到信息透明化，有助于統(tǒng)一工程人員對工程的認(rèn)識，這對于工程人員的工作狀態(tài)也是極大的鼓舞。同時(shí)，也可以最大程度上減少因?qū)π畔⒄莆詹煌耆斐傻氖д`或是工程疏漏，其在巖土工程行業(yè)的運(yùn)用前景是十分廣泛的。

3 立體空間建模思路的構(gòu)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(yīng)當(dāng)注重的因素較多。首先，由于巖土工程中測量得出的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的領(lǐng)域以及特征差異較大，數(shù)據(jù)來源較為廣泛，數(shù)據(jù)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(yīng)當(dāng)采用適度降維的方式，通過對各種變量之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)通過少部分變量替換多變量的表示方法，從而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的耦合。

其次，通過對可視化信息管理技術(shù)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(zhì)特征進(jìn)行綜合性分析，從而提高巖土工程勘察的準(zhǔn)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(jìn)行具體估量，并據(jù)此對已掌握的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而在設(shè)計(jì)工作中使工作人員對各類空間屬性保持更準(zhǔn)確地估量，而這離不開信息化的實(shí)時(shí)操作。因此，需要安排人員進(jìn)行該方面的操作，以確保信息更新的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)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(gè)復(fù)雜的過程，根據(jù)沿途空間的空間延展性將其分為三個(gè)部分，各部分之間大致以地面為分割依據(jù)。第一部分為處于地面層上方的巖土結(jié)構(gòu)以及建筑物等人工構(gòu)筑物，可以通過視覺檢測技術(shù)等先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其位置以及輪廓面等進(jìn)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(diǎn)和結(jié)構(gòu)。第三部分是地下的土壤結(jié)構(gòu)、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(jié)果是大為不同的，需要對其進(jìn)行單獨(dú)分析。

首先，地面以上的部分主要是人工建設(shè)的建筑物抑或是各類基礎(chǔ)設(shè)施等。對此，可以通過基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)輸入技術(shù)所研發(fā)的視覺識別技術(shù)來對其施以檢測。可以在測量器具中定義一個(gè)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(biāo)，從而進(jìn)行多次測量，多維度地對地上設(shè)施的位置以及各長寬等信息進(jìn)行采集，并輸入系統(tǒng)，以獲取多維信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得出其大致數(shù)據(jù)。而對于其形狀也可以通過定義像素點(diǎn)的方式近似看作一個(gè)個(gè)正方形的拼接，從而將數(shù)據(jù)單位化，更有利于可視化處理。

而對于地面的數(shù)值則應(yīng)當(dāng)對鉆孔地點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，并測量高程點(diǎn)，對各類建模指標(biāo)建立不同程度的測量?；诟叱厅c(diǎn)等信息，高程模型采用基于離散高程點(diǎn)生成的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，生成算法主要有退火算法、蟻群算法等，測量時(shí)可以通過現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行測量，主要在于了解各處海拔位置等因素的細(xì)微差別以及所造成的影響。而其他地面物質(zhì)可以根據(jù)蟻群算法的原理對各處通路進(jìn)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(chǔ)上，也可以通過蟻群算法進(jìn)行路徑探索等，并將其結(jié)果與地面部分進(jìn)行拼接，通過皮爾遜分析法檢測拼接程度來確保其準(zhǔn)確性。另一方面，對于地下部分的巖土工程過程而言，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層分布的勘察的建模以及可視化信息處理的核心內(nèi)容。對于極少部分路線繁多、地形復(fù)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(dá)到目標(biāo)點(diǎn)或是完成目標(biāo)等，則將該路線的邏輯變?yōu)檎妫駝t為假，假的路線不再進(jìn)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(yùn)行效率不夠高，但是對于工程質(zhì)量是可以保證的，因此在各類工程中是比較實(shí)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(guān)特性，可以基于編程語言python中turtle二維庫的多層次嵌套進(jìn)行建模。對于勘察中的每一個(gè)研究對象，可以通過智能檢測技術(shù)將其輪廓畫出，并基于微積分原理將其輪廓劃分為若干細(xì)小單位，每一個(gè)單位越是細(xì)小越好，之后進(jìn)行每一處的單位數(shù)測量，并掃描到數(shù)據(jù)庫中，通過python程序?qū)⑵涓鹘嵌纫晥D畫出并進(jìn)行拼接。在角度選取時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量確保劃分足夠細(xì)致，每一個(gè)角度與其相鄰角度的差異足夠細(xì)微，從而能夠減少拼湊時(shí)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(chǔ)上，我們可以對此進(jìn)行管理。

將不同物體的不同面依照當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能掃描技術(shù)掃描到電子管理設(shè)備中，然后通過程序設(shè)置將巖土工程勘探中常用的物品輸入至電腦中。當(dāng)拿到一個(gè)由許多二維剖面圖拼湊而成的三維剖圖時(shí)，可以根據(jù)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(zhì)并進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上，可以對其進(jìn)行進(jìn)一步識別，將其與庫中的剖面特征依據(jù)一定的相關(guān)系數(shù)（如皮爾遜系數(shù)等）進(jìn)行鑒別，從而找出與庫中相似度最高的物品或地形，并根據(jù)設(shè)置好的程序?qū)υ撐锲穼?shí)施標(biāo)準(zhǔn)化上色或是信息標(biāo)注等。若是相似度均低于50%，則可以列入備選庫中，等待進(jìn)行人工識別。

為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蚴且虻匦芜^于復(fù)雜導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題，可以將每一個(gè)單位物品通過多種相關(guān)性系數(shù)與數(shù)據(jù)庫中擬定的常用物質(zhì)進(jìn)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(guān)系數(shù)下某物品或單位地形的數(shù)據(jù)特征與庫中數(shù)據(jù)均不同的情況，則將其列入備選庫中，人工進(jìn)行識別并在識別后加入庫中分類并定義信息標(biāo)注或是上色等。若一種相關(guān)系數(shù)所得結(jié)果與其他相關(guān)系數(shù)所得結(jié)果不同，則依照較多相關(guān)系數(shù)共同結(jié)果來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而進(jìn)行下一步標(biāo)注等。

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

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)二維建模技術(shù)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(gòu)建起三維建模方式，并通過科學(xué)有效的檢驗(yàn)原理來保障建模結(jié)果的準(zhǔn)確無誤性。同時(shí)，以該三維空間建模原理為基礎(chǔ)，通過智能化輸出手段，直接利用程序?qū)崿F(xiàn)同步將勘測信息轉(zhuǎn)化為可視化信息，提高了信息的利用率與轉(zhuǎn)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(shí)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(dāng)延伸與利用，從而增強(qiáng)前后聯(lián)系，這無疑是提高巖土工程質(zhì)量的良好方式。同時(shí)，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(zhì)量檢驗(yàn)等其他工作中的監(jiān)測指標(biāo)，以促進(jìn)產(chǎn)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(zhì)量提供保障，這有利于巖土工程行業(yè)的發(fā)展。