張建龍，朱煥春，葛隆發(fā)，閆 賓，王 玨，程亞男

［1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市 100761；2.加華地學(xué)（武漢）數(shù)字技術(shù)有限公司，湖北省武漢市 430077；3.武漢中和工程技術(shù)有限公司，湖北省武漢市 430080］

0 引言

在三維計算機圖形技術(shù)基礎(chǔ)上，20世紀80年代后期至90年代，隨著C語言的發(fā)展和石油行業(yè)出于儲量計算的需求，尋求針對地質(zhì)體的三維計算機化工作模式成為必然，要求不僅像三維結(jié)構(gòu)一樣模擬地質(zhì)體三維空間幾何形態(tài)，還能儲存和處理地質(zhì)體包含的各種信息，包括地質(zhì)體普遍的地質(zhì)屬性（如層序關(guān)系）以及石油行業(yè)關(guān)心的特定屬性（如地震波速、開采過程中實測地震動等），以降低地質(zhì)信息的不確定性并提高儲量計算準確性。20世紀90年代中后期，先后誕生了Petrel、FCM、IRMS、GoCAD、Vulcan、MAPTEK、Datamine、Surpac、MVS等軟件系統(tǒng)[1-6]。BIM（Building Information Modeling）的概念最早于2002年由Autodesk公司負責(zé)Revit開發(fā)的Dave Lemont提出，當時Autodesk剛剛開始著眼于將Revit打造成參數(shù)化、信息化建模工具，更好地提升Autodesk軟件家族的溝通效率、工作效率并降低出錯幾率。BIM的出現(xiàn)，迎合并促進了工程建設(shè)與管理邁向智慧時代。

我國在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域起步較晚，20世紀90年代初期，國內(nèi)水利、水電、建筑等行業(yè)大量采用成熟的計算機輔助設(shè)計三維平臺如Autodesk產(chǎn)品，作為地質(zhì)建模和相應(yīng)計算分析的工具。21世紀初，基于離散數(shù)據(jù)光滑插值（DSI）技術(shù)的GoCAD被引入礦山、水利行業(yè)時，許多研究和應(yīng)用機構(gòu)在GoCAD基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，以適應(yīng)行業(yè)的需要[7-8]。國內(nèi)技術(shù)人員協(xié)同開展研究，掌握了DSI插值技術(shù)，不僅在三維地質(zhì)建模環(huán)節(jié)打破了國外的技術(shù)壟斷，同時針對我國地質(zhì)體工程的現(xiàn)實需要，通過豐富巖土工程分析和設(shè)計能力，實現(xiàn)對產(chǎn)品適應(yīng)性的本土化設(shè)計。本土化軟件中，以CnGIM為例，2015年CnGIM V2.0誕生，2017年CnGIM V3.0研發(fā)完成，這兩個版本的軟件分別在插值生成幾何對象、勘察工作等諸多流程管理的關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。隨著2014年7月1日《關(guān)于推薦建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》的發(fā)布，世界先進的三維地質(zhì)建模技術(shù)迅速進入中國的住建領(lǐng)域和土木水利領(lǐng)域。

不同于三維地質(zhì)建模的高速發(fā)展，現(xiàn)在世界上沒有形成公認的在各個領(lǐng)域通用的三維地質(zhì)建模標準。在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最權(quán)威的標準是IFC（Industry Foundation Classes）。作為BIM的數(shù)字表現(xiàn)形式和行業(yè)標準，IFC標準是由非營利性國際組織Building Smart 提出，并由IAI（International Alliance of Interoperability）組織制定數(shù)據(jù)交換標準，是國際上建筑領(lǐng)域?qū)嵤┳顝V的數(shù)據(jù)交換標準。20世紀80年代的地質(zhì)三維技術(shù)開發(fā)規(guī)劃過程中，明確要求不僅需要描述地質(zhì)體空間形態(tài)并正確表達地質(zhì)特性，而且還需要根據(jù)行業(yè)需求，兼容行業(yè)信息、技術(shù)方法、行業(yè)標準等，實現(xiàn)三維地質(zhì)建模基礎(chǔ)上的工程分析和設(shè)計。國內(nèi)在2010年后開始發(fā)布三維建模有關(guān)的技術(shù)規(guī)范，許多行業(yè)紛紛推出自己領(lǐng)域的規(guī)范規(guī)程以約束和改進本行業(yè)的勘察、設(shè)計工作。由于追求與自身行業(yè)的勘察規(guī)范相對應(yīng)，不同行業(yè)的三維建模技術(shù)標準中存在比較大的差異。

總之，由于當前使用的三維地質(zhì)建模軟件眾多，所采用的數(shù)據(jù)模型都不同，難以實現(xiàn)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的集成管理和交換共享。國內(nèi)外在地質(zhì)三維建模和數(shù)字化領(lǐng)域尚沒有建立起統(tǒng)一的交互共享標準。本文重點對地質(zhì)三維數(shù)據(jù)交互標準的研究現(xiàn)狀進行分析論述。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)各行業(yè)提出的相關(guān)標準

在三維地質(zhì)建模和數(shù)據(jù)交互標準方面，國內(nèi)各行業(yè)提出的相關(guān)技術(shù)標準及主要內(nèi)容見表1。從該表可以看出，三維地質(zhì)建模是一個行業(yè)性較強的領(lǐng)域，為適應(yīng)各自行業(yè)的勘察設(shè)計標準，不同行業(yè)在勘察設(shè)計階段劃分、勘查手段、信息管理方式、成果利用方式等方面均存在比較大的差異。以水利水電為例，2019年頒布的《水利水電工程設(shè)計信息模型交付標準》（T/CWHIDA 0006—2019）[9]對水利水電工程的技術(shù)資料電子化提出較高的要求，傳統(tǒng)的以平面CAD圖形進行地質(zhì)資料管理的方式面臨巨大挑戰(zhàn)。同樣地，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2018年發(fā)布的《城市軌道交通工程BIM應(yīng)用指南》[10]，在交通工程領(lǐng)域也對BIM的具體應(yīng)用提出了要求。因此，在進入具體的行業(yè)時，三維地質(zhì)建模的任務(wù)首先需要契合行業(yè)的要求，從而呈現(xiàn)出不同的特點。水利水電行業(yè)領(lǐng)域頒布了《水電工程三維地質(zhì)建模技術(shù)規(guī)程》（NB/T 35099—2017）[11]，巖石力學(xué)與工程學(xué)會牽頭正在組織編寫三維地質(zhì)建模的相關(guān)規(guī)范，而石油礦產(chǎn)、冶金、測繪與規(guī)劃領(lǐng)域也都有與三維地質(zhì)建模有關(guān)的規(guī)范出臺。其中，測繪與規(guī)劃領(lǐng)域、國土資源領(lǐng)域側(cè)重地表的三維建模，水利水電、石油及天然氣開采領(lǐng)域則更側(cè)重三維地質(zhì)建模。

表1 三維地質(zhì)建模領(lǐng)域相關(guān)標準、規(guī)范及文件Table 1 Relevant standards， specifications and documents in the field of 3D geological modeling

續(xù)表

1.2 國外有關(guān)的標準和規(guī)范

國外特別是歐美國家在計算機信息化技術(shù)和圖形學(xué)領(lǐng)域明顯領(lǐng)先于國內(nèi)，在數(shù)據(jù)格式、交付管理等領(lǐng)域握有重要的話語權(quán)。

開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）是成員分布最為廣泛（536個）、頒布規(guī)范數(shù)量最多的國際組織。其成員來自60多個國家的研究所、高校、公司，歐洲、北美地區(qū)的成員數(shù)量均超過180家，國內(nèi)成員單位有10幾家（含港澳臺地區(qū)）。OGC成立的主要目的是制定與空間信息、基于位置服務(wù)相關(guān)的標準，包括接口、編碼等的技術(shù)文檔，如WMS、WFS、WCS、WMTS、KML、SFS、CityGML、SLD等。

CityGML、KML、COLLADA是3種用于虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲的格式，三者均是基于XML編碼。KML和COLLADA為谷歌支持，更偏向于地理信息系統(tǒng)（GIS）領(lǐng)域，分別側(cè)重管理位置信息和對象材質(zhì)信息。由于在數(shù)字工業(yè)領(lǐng)域的較早應(yīng)用，COLLADA是一種被廣泛使用的格式，是面向交互式 3D 應(yīng)用程序的基于 XML 的數(shù)字資產(chǎn)交換方案，或者說是一種用基于XML定義數(shù)字內(nèi)容的格式，主流的三維軟件和渲染引擎都支持這種格式，其使3D 創(chuàng)作應(yīng)用程序可以自由地交換數(shù)字資產(chǎn)而不損失信息，使多種DCC和3D處理軟件包可以組合成強大的工具鏈管道。COLLADA模型中不僅定義了幾何體，也定義了材質(zhì)，甚至還可以定義光源，是目前成果提交最常見的終端格式。

IDM（Information Delivery Manual）信息交付手冊，是建筑工程與信息技術(shù)結(jié)合促進AEC（Architecture/Engineering/Construction）項目中不同專業(yè)間協(xié)同工作的基礎(chǔ)標準[12]。如果說IFC標準為實現(xiàn)全生命周期不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享與交換奠定了基礎(chǔ)，那么IDM就是為了滿足在執(zhí)行IFC標準時，當存在無法保證數(shù)據(jù)的完備與協(xié)調(diào)性時，采用何種方式進行信息的溝通?？梢詫⑵淅斫鉃橐槐痉g用的詞典，在處理異構(gòu)數(shù)據(jù)融合時有其必要性和實用性。其核心任務(wù)是為了滿足協(xié)同設(shè)計工作模式下的視圖共享與提取。IDM的架構(gòu)、部件以及研究現(xiàn)狀仍沒有形成統(tǒng)一的標準，但為了滿足勘察設(shè)計階段的流程與數(shù)據(jù)定義需求，手冊給出了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)基于BIM的協(xié)同設(shè)計流程圖，明確了每一個流程的活動內(nèi)容，并用表格對流程中涉及的信息交付內(nèi)容、所包含的對象及屬性進行了描述。

2 地質(zhì)模型三維數(shù)字化交互標準

2.1 地質(zhì)建模主要管理對象及其分類

三維地質(zhì)建模管理的對象與其任務(wù)和特點相適應(yīng)。盡管不同行業(yè)存在差異，但本質(zhì)上三維地質(zhì)建?？煞譃槿笾黧w功能模塊，分別為數(shù)據(jù)庫管理、三維建模與數(shù)據(jù)處理、分析與成果輸出。主要管理的是各類的地質(zhì)體，包括點、線、面、體等常見的幾何形態(tài)表征的地質(zhì)現(xiàn)象[1-2，13-15]，也包括這些地質(zhì)體的規(guī)模、地質(zhì)年代、工程特征等信息[9，11，16]。

地理信息科學(xué)領(lǐng)域?；\統(tǒng)地將空間對象和非空間對象加以獨立區(qū)分，即概括為擁有空間幾何數(shù)據(jù)的幾何對象、無空間特性的屬性對象兩大類。在地質(zhì)勘察、勘探領(lǐng)域，如石油采礦，幾何對象又可以細分為幾何模型、構(gòu)造模型、相模型、儲層模型等，而屬性對象又可以細分為儲層屬性、相屬性、時間屬性、工程特征屬性等。與地理信息系統(tǒng)（GIS）類似，除了幾何對象之外，三維地質(zhì)建模也需要對對象的屬性數(shù)據(jù)加以管理，即同樣包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，或者概括為“形態(tài)”+“特征”的組合。其中的數(shù)據(jù)來源于勘察資料的采集、內(nèi)業(yè)整理等。在借助數(shù)字化手段將勘察資料轉(zhuǎn)化成包括地質(zhì)邊界、巖土力學(xué)特性的“含屬性地質(zhì)三維模型”的過程中，需要大量的描述性、統(tǒng)計性屬性數(shù)據(jù)。為特定問題開展的分析評價、工程設(shè)計以及不同專業(yè)之間協(xié)作所生產(chǎn)的數(shù)據(jù)、圖件等，同樣也是數(shù)據(jù)來源。

表2列舉了按照幾何特征進行的常見空間實體集的一種劃分方式，對應(yīng)對象分類中的幾何數(shù)據(jù)，重點描述的是對象完整的空間特征和部分的空間關(guān)系特征。實際工作中，為了區(qū)別或者強調(diào)管理對象的集合特征，多以集合的方式進行管理。

表2 空間幾何對象（空間實體）對象分類Table 2 Classification of space geometric objects （space entity）

當前，三維地質(zhì)建模亦從僅著眼于地質(zhì)體模型合理性檢驗過渡到“建模為基礎(chǔ)、工程分析和輔助設(shè)計為目的”的綜合應(yīng)用，相應(yīng)地整合了部分數(shù)值分析或理論計算功能用于開展特殊地質(zhì)體的分析和評價，以更好地滿足地質(zhì)體工程問題勘測、設(shè)計和運行安全管理的需要。但其建模的流程，仍然更近似于GIS應(yīng)用領(lǐng)域的習(xí)慣，即習(xí)慣于將建模對象劃分為幾何對象、屬性對象兩大類進行管理。表3列舉了地質(zhì)建模和數(shù)值模擬在分析對象、分析目標、核心任務(wù)等方面的差異。

表3 地質(zhì)建模與數(shù)值模擬的對比Table 3 Comparison between geological modeling and numerical simulation

除了幾何對象之外，非空間信息也是重要的管理對象之一。以水利水電工程為例，鑒于其涉及面廣泛、工程規(guī)模大，其勘察設(shè)計是各行業(yè)中最為復(fù)雜的一類。為此，水利水電工程領(lǐng)域在非空間信息管理時常需要考慮這類信息隨著時間推移、勘察設(shè)計階段變更而產(chǎn)生的變化。非空間幾何對象，或者習(xí)慣上稱為屬性對象，包括空間幾何對象的各類特征，以及描述、分類、標定這些特征的語義對象（見圖1），還包括幾何對象建模時所需要的約束條件或者約束對象，描述當前狀態(tài)且與時間相關(guān)的條件對象。最為重要的是，非空間幾何對象還囊括各類方法對象，包括幾何分析中的插值、擬合、離散等方法。嚴格來說，方法對象并不是空間幾何對象的固有特征，不屬于常規(guī)的屬性對象的范疇，但在實際工作中，方法對象往往需要與對象特征相匹配，具有與屬性對象類似的對象特點和甄別特征。

圖1 語義對象描述時的簡單分類Figure 1 Simple classification of semantic objects for description

語義對象，即廣義的屬性對象，涵蓋了知識、邏輯、數(shù)據(jù)等所有與開展分析有關(guān)的內(nèi)容，以及對象固有特征的描述。對于語義的研究，最早出現(xiàn)在安全監(jiān)測領(lǐng)域的專家系統(tǒng)構(gòu)建中，如安全監(jiān)控“四庫一機”理論。GIS領(lǐng)域描述非位置信息的 “屬性信息”是空間對象信息語義描述的基礎(chǔ)。在安全監(jiān)測上升為智能監(jiān)控，并逐漸發(fā)展成為“智慧+”的過程中，逐步淡化了知識的概念，改為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等新技術(shù)支持的“數(shù)據(jù)港池”，提出了數(shù)據(jù)挖掘的概念。在行業(yè)發(fā)展的過程中，研究人員和使用人員都認識到，對于三維地質(zhì)模型中信息的檢索、挖掘和重用，只考慮其形狀、位置特征是不夠的，必須加強基礎(chǔ)信息的補充。這主要包括三方面的原因：

（1）用戶僅僅通過有限的勘察點難以完整直觀地獲悉對象的全貌，必須增加推測信息。

（2）地質(zhì)信息的表達方式中有較多的定性信息，難以直接用于設(shè)計，定性的語句需要轉(zhuǎn)化為更為直觀的定量表達。

（3）地質(zhì)體的不確定性、離散型，導(dǎo)致其缺少可重復(fù)使用的知識，針對當前對象建立適用的語義描述，可以保證知識的重用。闡述地質(zhì)條件特征的很多語言不同于形狀特征描述，把幾何數(shù)據(jù)特點（如點坐標、邊長度、面形態(tài)等）轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟沃R表示較為容易，也可比較方便地使檢索、重用在統(tǒng)一框架內(nèi)運行，不僅讓用戶通過特征、功能、設(shè)計原理、類別等信息有效地表達查詢意圖，而且使用戶能夠快速方便地重用已有資源進行再設(shè)計。

而描述地質(zhì)條件的語言轉(zhuǎn)換為知識則比較困難，并且，每個對象除了在空間上的分布特征之外，還要考慮其時間特征而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量劇增。

BIM領(lǐng)域?qū)⑷S模型語義檢索列為研究的七大學(xué)術(shù)難題之一，要解決“用戶如何進行檢索”和“檢索結(jié)果如何重用”這兩個關(guān)鍵問題。而面對四維的地質(zhì)模型，相應(yīng)的工作難度可想而知。為了應(yīng)對這種數(shù)據(jù)量劇增的情況，三維地質(zhì)建模過程中普遍采用數(shù)據(jù)抽稀的方式，將相同類別的點加以處理，形成閉合的面、體以精簡數(shù)據(jù)的規(guī)模。因此，語義的描述主要針對單個的地質(zhì)點、相對獨立的構(gòu)造線或者分割線、大量的面和體。

同屬性的標注類似，語義的標注因為三維對象檢索的難度較大而通常都采用在剖面或者平面上進行。與工程安全監(jiān)控相關(guān)的地質(zhì)模型中的語義庫，包括巖土體物理力學(xué)參數(shù)及定性的類別劃分（如軟巖及其類別）、工程性質(zhì)（如抗壓強度及風(fēng)化特征）、空間延伸特性及交匯特征（如產(chǎn)狀與起伏）等，屬于典型的多尺度數(shù)據(jù)，需要按比率尺度、有序尺度、間隔尺度以及名義尺度等不同方式進行表示以避免自我矛盾，完成定類、定序、定比、定距乃至宏觀的定性等。

2.2 IFC標準中的幾何對象表達與數(shù)據(jù)交互

在傳統(tǒng)流程中，異構(gòu)數(shù)據(jù)管理軟件之間的一對一交互，已成為BIM領(lǐng)域多專業(yè)協(xié)同工作最常用的方法。鑒于數(shù)據(jù)接口多、數(shù)據(jù)格式不同、效率低等問題，信息損失時有發(fā)生。根本性原因可以歸納為兩點：一是由于專業(yè)領(lǐng)域的差異，不能很好地解析其他專業(yè)領(lǐng)域的幾何實體的內(nèi)涵；二是對于相同的幾何、屬性和關(guān)系，軟件有不同的表達方式，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)的不一致。

下面，分析現(xiàn)階段國際上最權(quán)威的三維建模領(lǐng)域的數(shù)值交互標準IFC的幾何對象表達和數(shù)據(jù)共享交互問題。要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互，支持標準的數(shù)據(jù)格式是衡量和決定一個軟件的數(shù)據(jù)交互能力的關(guān)鍵。IFC標準中對幾何對象的表達進行了較為詳細的約定，在建筑領(lǐng)域更有著多年BIM應(yīng)用的實踐檢驗，且標準開放。

IFC4標準體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用Express語言描述建筑工程信息，包含600多個實體定義，300多個類型定義[17]。整體的信息描述分為4個層次，資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)?。資源層里多是基礎(chǔ)信息定義，例如材料、幾何形狀、拓撲關(guān)系等；核心層定義模型的整體框架，如對象之間的關(guān)系、對象的位置和幾何形狀；共享層定義可交換、可設(shè)計的信息，如墻、梁、柱、門、窗等；領(lǐng)域?qū)佣x各協(xié)作專業(yè)領(lǐng)域自己的個性化信息，如暖通領(lǐng)域的鍋爐和風(fēng)扇、電器領(lǐng)域的開關(guān)和繼電保護等。IFC信息獲取和交換有兩種手段，即通過標準格式的文件交換信息，或是通過標準格式的程序接口訪問信息。在IFC文件中，任何一個實體（如Ifc Beam）都是利用Express語言，通過屬性描述來表達自身信息。IFC實體的屬性是通過繼承關(guān)系獲得的，最頂層是Ifc Root，如構(gòu)件Ifc Beam在IFC4版本中總共有33個屬性，而自身只有Prede fi ned Type這一個屬性，其余的32個屬性都是繼承了從Ifc Root開始到Ifc Building Element包含的屬性。Ifc Root中的屬性主要包括如下3個：IfcObjectDe fi nition 對象的定義；IfcRelationship 對象之間關(guān)系；IfcPropertyDe fi nition 對象屬性。

圖2 IFC4標準體系結(jié)構(gòu)Figure 2 The framework of standard system of IFC4

IFC開源的庫或軟件基于多樣的開發(fā)環(huán)境。如BIM Surfer基于C語言開發(fā)，BIMserver基于C#開發(fā)，IfcOpenShell、FreeCAD基于OpenCascade技術(shù)（C++庫為基礎(chǔ)）開發(fā)，IfcPlusPlus是一個開源的C++類。xBIM工具包用于數(shù)據(jù)操作的核心庫都是用C#編寫的，幾何引擎核心用C++編寫，是一個支持完整IFC2×3和IFC4數(shù)據(jù)模型的.NET開源軟件開發(fā)工具包。這當中，IfcOpenShell作為一個開源的IFC幾何引擎，包含有基于PythonOCC代碼開發(fā)的項目。

AutoDesk家族軟件中的 Revit、Navisworks、AutoCAD Architecture、AutoCAD MEP、Civil 3D 可 以 讀 取 IFC， 而AutoCAD不能直接讀取。

在工程地質(zhì)領(lǐng)域，國內(nèi)現(xiàn)有的通用三維地質(zhì)數(shù)據(jù)交換格式為Geo3DML。這種格式將三維地質(zhì)模型定義為“地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)現(xiàn)象之間的關(guān)系在三維空間中的表達”，規(guī)定三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)與模型中空間幾何數(shù)據(jù)、屬性描述相關(guān)。IFC標準下的模型數(shù)據(jù)量大，預(yù)處理時間長，主要被用于針對全平臺的項目集成管理。Geo3DML對地質(zhì)領(lǐng)域的描述較為全面，但是在實際巖土、地質(zhì)工程項目中的應(yīng)用還不夠廣泛，一個重要的問題是缺少市場占有率較高的軟件的支持。將Geo3DML和IFC格式進行相關(guān)映射以達到數(shù)據(jù)交換的目的，是現(xiàn)有地質(zhì)領(lǐng)域平臺的一大挑戰(zhàn)，也是解決問題的較好途徑。

IFC可通過以下兩個方面工作實現(xiàn)在地質(zhì)領(lǐng)域的拓展：

（1）擴展地質(zhì)領(lǐng)域的實體和相關(guān)定義，針對地質(zhì)領(lǐng)域的信息特點和實際需求，在IFC模型基礎(chǔ)上增加地質(zhì)領(lǐng)域相對應(yīng)的屬性實體、類別實體、枚舉類型、屬性集、數(shù)量級和資源類型定義。

（2）建立層級關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系。依據(jù)面向?qū)ο笤瓌t新增實體并建立關(guān)系，并與原IFC結(jié)構(gòu)的層級標準融合。在此基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)領(lǐng)域的從屬關(guān)系，以及新增實體和原IFC實體的映射定義。

3 國內(nèi)外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 國外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

三維地質(zhì)模型允許人們可以更加有效率地制定施工計劃，并為可預(yù)見的危險做好準備。然而，在迄今為止的許多施工項目中，由于過時的數(shù)據(jù)存儲機制、不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準以及缺乏本地更新分析，該任務(wù)沒有得到有效執(zhí)行。因此，必須使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準建立可靠的三維模型，以協(xié)調(diào)所有可用的地質(zhì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括鉆孔、地質(zhì)測繪和巖石屬性數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)通過工程數(shù)字平臺導(dǎo)入或可視化模型，以便包括任何新的本地地質(zhì)信息，以更新原始模型。這種三維地質(zhì)建模技術(shù)的特點是清晰、精確和信息豐富。

為了管理地質(zhì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，巖土和地質(zhì)環(huán)境專家協(xié)會提出了一個不同的數(shù)據(jù)模型框架，即AGS框架（Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists， 2017）。該框架以獨特且簡單的代碼促進巖土工程中的數(shù)據(jù)傳輸，從而減少數(shù)據(jù)交換時間。此外，該框架不是固定的，可以根據(jù)具體情況和建設(shè)項目需求進行調(diào)整，只要它們符合AGS文件格式。在建立AGS格式之后，該格式現(xiàn)已為英國有關(guān)行業(yè)所有部門所接受并在發(fā)達國家中被廣泛接受。下面介紹AGS提出的數(shù)據(jù)交互標準[18]。

3.1.1 AGS的數(shù)據(jù)庫

一般而言，使用的文件應(yīng)包含基本數(shù)據(jù)，如勘探孔記錄和相關(guān)英國標準和其他公認文件要求報告的測試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常包含在事實報告中。任何計算或解釋的數(shù)據(jù)應(yīng)由接收方導(dǎo)出，而不是在數(shù)據(jù)文件中傳輸。

3.1.2 AGS匹配的文件格式

AGS的文件格式旨在提供盡可能廣泛的可接受性，鑒于此，AGS使用了美國信息交換標準代碼（ASCII）文件傳輸數(shù)據(jù)。用戶只需要規(guī)則創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件。制定這些規(guī)則是為了通過最簡單的現(xiàn)有程序（尤其是電子表格）以及更全面的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用AGS格式?？梢岳肁GS進行數(shù)據(jù)交互的文件格式有“**PROJ”“**HOLE”“**?HDPH”“**GEOL”“**SAMP” “**CLSS”“**CNMT”“**ISPT”“**?ICCT”“**FILE”“**DICT”“**ABBR”“**CODE”等，廣泛的可接受性是AGS的一個大優(yōu)勢。

3.1.3 數(shù)據(jù)字典

為了提供最大的靈活性，并允許非專家更容易識別文件格式，采用了數(shù)據(jù)字典方法。數(shù)據(jù)字典可以與廣泛的現(xiàn)有程序兼容，并有助于構(gòu)建未來的軟件。構(gòu)成數(shù)據(jù)字典的組和字段在用戶手冊中給出。

3.1.4 Groups and Fields

為了以一致和邏輯的方式構(gòu)造數(shù)據(jù)，已將其劃分為數(shù)據(jù)組，其中定義了一系列字段。選擇的數(shù)據(jù)組與獲得的特定數(shù)據(jù)元素相關(guān)，如項目信息、勘探孔細節(jié)和地層細節(jié)。對于性質(zhì)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，有必要定義兩個或多個鏈接數(shù)據(jù)組。

每個數(shù)據(jù)組內(nèi)的字段標識特定項目，如地層描述、樣本深度等。這些項目已定義為具有關(guān)鍵或公共狀態(tài)。關(guān)鍵字段是明確定義數(shù)據(jù)所必需的。公共數(shù)據(jù)字段包含關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。列出的數(shù)據(jù)字段和數(shù)據(jù)組非常廣泛，應(yīng)涵蓋大多數(shù)需求。但是，如果需要傳輸AGS格式未涵蓋的特定數(shù)據(jù)，則為創(chuàng)建其他字段和組提供了規(guī)則。AGS格式依賴于嚴格遵守“規(guī)則”，并且應(yīng)將創(chuàng)建其他字段或組視為最后手段。還必須認識到，存在一個組的層次結(jié)構(gòu)，因為大多數(shù)組依賴于其他組來保持數(shù)據(jù)的唯一性。

3.1.5 數(shù)據(jù)單位

AGS用戶手冊給出了每個數(shù)據(jù)字段使用的默認單位的詳細信息。這些是每個數(shù)據(jù)字典定義的首選單位，應(yīng)盡可能使用。它們可以是適當?shù)膰H單位制單位，也可以是與特定數(shù)據(jù)項相關(guān)的特定英國標準定義的單位。根據(jù)規(guī)則，“數(shù)據(jù)單位”字段包含在數(shù)據(jù)集中。建議盡可能使用這些數(shù)據(jù)單元，以避免潛在的混淆。人們認識到，在既不使用國際單位制單位也不使用英國標準單位的情況下，將出現(xiàn)這種情況。規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸文件中聲明非標準數(shù)據(jù)單位。

3.1.6 規(guī)則

AGS的使用規(guī)則一直是許多討論的主題。一個基本的考慮是，該格式的潛在用戶應(yīng)該能夠使用標準軟件工具生成數(shù)據(jù)文件。電子表格是任務(wù)最基本的工具，允許創(chuàng)建數(shù)據(jù)“表格”和生成ASCII數(shù)據(jù)文件。同樣，根據(jù)規(guī)則生成的數(shù)據(jù)文件可以通過電子表格軟件直接讀取。盡管這些規(guī)則允許用戶僅使用電子表格操作AGS數(shù)據(jù)文件，但預(yù)計將使用更具體的軟件自動讀取和寫入數(shù)據(jù)文件。這些軟件系統(tǒng)的范圍從簡單的數(shù)據(jù)輸入和編輯程序到完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及AGS文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊[19]。

在評估這些規(guī)則時要記住的另一個基本點是，生成的數(shù)據(jù)文件設(shè)計為便于計算機讀取。數(shù)據(jù)文件不會替換隨附的打印報告。然而，該布局確實允許在需要時隨時識別數(shù)據(jù)項。

AGS的優(yōu)勢在于其廣泛的文件格式接受性，并采用了數(shù)據(jù)字典方法，允許非專家更容易識別文件格式。數(shù)據(jù)字典可以與廣泛的現(xiàn)有程序兼容，并有助于構(gòu)建未來的軟件。而成體系的使用規(guī)則也讓新的用戶可以快速熟悉AGS的數(shù)據(jù)交互標準。

3.2 國內(nèi)數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段國內(nèi)的數(shù)據(jù)交互技術(shù)主要依靠國際上公認的IFC標準。在國內(nèi)，在已有的基于已有商業(yè)軟件（主要是在GOCAD）的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)或者利用GEOCAD、ITASCAD進行地質(zhì)體三維可視化建模并將模型導(dǎo)入FLAC3D和ANSYS軟件中進行分析的方法。但此類方法不能精確地體現(xiàn)地質(zhì)體的屬性，且不能按照地質(zhì)對象特點進行極限分類，而且更不能形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準[20]。

國內(nèi)也出現(xiàn)了諸如TEAM模型等前沿的建模技術(shù)并在城市地質(zhì)勘察和城市地區(qū)的施工中有較多應(yīng)用?；睘楹?，TEAM是指將無人機傾斜拍攝所取得的正射影像、地形圖、三維模型，利用BIM建立的建筑工程信息庫（城市地區(qū)）和利用GOCAD等三維地質(zhì)模型軟件建立的地質(zhì)模型（主要是城市地下地質(zhì)模型）結(jié)合到一個引擎并將這些數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)。TEAM在 OSG（Open Scene Graph） 三維渲染引擎（桌面端）和Cesium三維地圖引擎（網(wǎng)頁端）中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換拼接及模型展示。但是該技術(shù)在數(shù)據(jù)交互方面存在較大的局限性。因為Cesium主要支持3dtiles格式，故無人機所拍攝的影像數(shù)據(jù)文件格式（.osgb）、BIM數(shù)據(jù)文件格式（.rvt）、三維地質(zhì)數(shù)據(jù)格式（.3dml）及各類工程數(shù)據(jù)（以 .txt 為主）需要利用第三方軟件將文件先轉(zhuǎn)化為3dtiles格式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程相當煩瑣[21]。

現(xiàn)階段，無論是國內(nèi)還是國外，建立立足于地質(zhì)建模的基礎(chǔ)服務(wù)并能服務(wù)工程全生命周期的平臺開發(fā)成為一個發(fā)展趨勢。下面介紹這一領(lǐng)域的國產(chǎn)頂尖平臺——CnGIM。

3.2.1 CnGIM基本功能

加華地學(xué)（武漢）數(shù)字技術(shù)有限公司［原Itasca（武漢）咨詢有限公司］開發(fā)的三維地質(zhì)建模與分析軟件CnGIM，已經(jīng)普遍應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的所有行業(yè)，其技術(shù)功能可實現(xiàn)對進口產(chǎn)品的替代?；诘刭|(zhì)體不規(guī)則建模技術(shù)（DSI算法等），通過三維數(shù)字化和信息化的融合，CnGIM完成了地質(zhì)勘察工作全流程數(shù)字化。CnGIM的功能包括：

（1）能夠快速實現(xiàn)任意復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模和模型修改與更新。

（2）實現(xiàn)在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上的工程地質(zhì)分析，創(chuàng)建含屬性三維地質(zhì)模型。

（3）分析方法和技術(shù)標準能同時兼容國內(nèi)水電和海外工程實踐的需要，具備在含屬性三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開發(fā)巖土力學(xué)分析和巖土工程設(shè)計的能力。

3.2.2 CnGIM數(shù)據(jù)交互格式與端口

CnGIM數(shù)據(jù)交互技術(shù)合理高效。CnGIM軟件提供了多種數(shù)據(jù)接口類型，用于不同格式文檔之間的交互。通過將CnGIM的*.iobj格式文檔加以轉(zhuǎn)化，可實現(xiàn)與其他軟件之間的交流。除了Itasca系列的數(shù)值計算部分外，其余的各類接口具有一定的通用性。

勘察工作常見的存儲格式中，文本（txt）、圖表（xls）、圖形（dwg）均可以直接或者轉(zhuǎn)換后被CnGIM軟件接受。地表點云數(shù)據(jù)名為SEM.txt、SEM.dxf，文本文件中按點號、平面坐標、高程存儲數(shù)據(jù)，DXF文檔采用點存儲上述信息。鉆孔資料命名為SBH.txt、SBH.xls，分別存儲孔號、坐標、孔口高程、鉆進深度、覆蓋層厚度等信息，兩個文件中數(shù)據(jù)可以通過編輯Excel文檔后另存為文本形式保持一致。借助CnGIM軟件的文件菜單，可將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中。地表點云數(shù)據(jù)利用“導(dǎo)入—點集”方式導(dǎo)入文本文檔，利用“導(dǎo)入—AutoCAD文檔”導(dǎo)入DXF文件。鉆孔數(shù)據(jù)Excel文檔無法直接導(dǎo)入系統(tǒng)中，可轉(zhuǎn)化為類似的文本形式后，按點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并增加屬性信息以接受鉆孔深度、覆蓋層厚度等信息。導(dǎo)入鉆孔孔口點云數(shù)據(jù)后，要繪制鉆孔的話，可先采用偏移鉆孔孔口坐標（加上深度值運行腳本實現(xiàn)）的方式形成孔底點，然后用線連接孔口、孔底，再根據(jù)線創(chuàng)建鉆孔。

目前 CnGIM 提供與 MicraStation、Catia、AutoCAD、GoCAD等主流建模軟件的數(shù)據(jù)接口和一些常用模型格式（比如VRML、OBJ、3DS）讀寫，另一方面，CnGIM將自己的數(shù)據(jù)格式開放給用戶，使用戶可以導(dǎo)出CnGIM構(gòu)建的模型，經(jīng)過一定的開發(fā)后運用于各自領(lǐng)域供分析使用。并且，CnGIM的模塊化和易于擴展性還體現(xiàn)在各種建模功能和應(yīng)用分析功能能夠以插件的方式，利用CnGIM開發(fā)包進行開發(fā)和擴展。

CnGIM較好地克服了目前BIM標準不能很好適用于三維地質(zhì)建模的棘手問題，其數(shù)據(jù)交互技術(shù)可以以暫行三維地質(zhì)建模技術(shù)規(guī)范的形式在國內(nèi)進行推廣。

4 結(jié)論和展望

當前三維地質(zhì)模型在水利水電、礦山、交通、油藏開發(fā)、礦產(chǎn)資源勘探等多個行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三維地質(zhì)模型涉及的研究內(nèi)容很多，包括多源探測數(shù)據(jù)獲取和解釋、空間信息管理、幾何分析和空間預(yù)測、圖形可視化，以及在地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開展的工程分析評價等。本文主要針對國內(nèi)外三維地質(zhì)建模和數(shù)據(jù)交互標準領(lǐng)域的研究發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）三維地質(zhì)建模是一個行業(yè)性較強的領(lǐng)域，為適應(yīng)各自行業(yè)的勘察設(shè)計標準，不同行業(yè)在勘察設(shè)計階段劃分、勘查手段、信息管理方式、成果利用方式等方面均存在比較大的差異。國內(nèi)外在地質(zhì)三維建模和數(shù)字化領(lǐng)域尚沒有建立起統(tǒng)一的交互共享標準。

（2）分析了三維地質(zhì)建模的主要管理對象及其分類，明確了數(shù)字化交互標準研究的主要內(nèi)涵，并對國際權(quán)威的數(shù)值交互標準IFC的幾何對象表達和數(shù)據(jù)共享交互技術(shù)進行了分析。由于IFC主要瞄準建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，本文簡要分析了IFC在地質(zhì)模型領(lǐng)域的拓展方向。

（3）介紹了國內(nèi)外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了國外認知度較高的三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)交互標準——AGS框架。

（4）介紹了國產(chǎn)軟件CnGIM的基本功能，分析了該軟件在數(shù)據(jù)交互技術(shù)方面的優(yōu)勢。

工作展望：

（1）如何賦予三維地質(zhì)模型更多的內(nèi)涵，即提高三維地質(zhì)模型的工程分析功能，是今后重要的發(fā)展方向。例如，水電工程的地質(zhì)模型，如何與三維穩(wěn)定性數(shù)值分析、災(zāi)害過程模擬、巖土工程設(shè)計等更緊密結(jié)合，使其成為勘察、設(shè)計、施工、運行管理等各種工程活動的總控平臺，服務(wù)于工程建設(shè)的全生命周期。

（2）數(shù)字化交互技術(shù)和交互標準，既要突破行業(yè)間、專業(yè)間的界限和技術(shù)障礙問題，更要突破現(xiàn)有三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與拓展的工程分析模塊之間的數(shù)據(jù)交互技術(shù)和標準制定問題。