RA树脂组合桥面层雷达探测及三维仿真模拟

朱 哲 董文澎

探地雷达(Ground Penetration Radar,简称GPR)是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术[1]。随着近年来大型桥梁、特殊结构桥梁越来越多地出现,桥面铺装层结构的设计也在材料、结构层厚度、施工方法等方面发生了许多变化,特别是钢箱梁桥面等特殊结构层之上、超大载荷结构物之上的铺装层设计为了满足高强度、高粘结度(牢度)、高耐疲劳性等一系列要求,更多地采用了RA树脂组合桥面铺装等一些新工艺,为了在RA树脂组合桥面铺装厚度检测中确保数据的准确性,在利用探地雷达采集的路面层厚度图像的基础上,采用Delaunay三角剖分,利用计算机三维仿真重构处桥面层,弥补了探地雷达单方面技术的不足,实现了所见即所得高清晰的计算机仿真模型。本次检测的工程项目为浙江省某桥桥面铺装层,本次桥面层质量探地雷达无损检测的主要内容有:检测桥面层厚度及桥面层缺陷(桥面层结构松散、破碎、脱空、沉陷、高含水区域及软弱体等病害检测)。

1 桥面层三维数字化仿真实现

1.1 基于GIS的三维可视化仿真的基本原理

GIS是近年发展起来的一门介于地球科学和信息科学之间的交叉学科,是在地学学科与数据库管理系统、计算机图形学、计算机辅助设计、计算机辅助制造等与计算机相关学科相结合的基础上发展起来的。

三维可视化仿真(Three-Dimensional Visual Simulation,3DVS)是计算机仿真技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术,其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理,同时实现仿真软件界面的三维可视化。

GIS与3DVS的结合[2,3]可发生在原始数据采集及仿真计算数据的可视化表达这两个阶段。二者有两种结合方式:1)融合式:尽管这种集成方式的数据传递方便高效、操作简便,但开发费用高、周期长;2)通过建立二者的扩展模块来实现彼此间数据相互交换和信息共享。此方式开发简便、费用低廉,而且由于二者的相对独立性及可扩展性,便于系统的维护及进一步开发。本文采用第二种方式实现GIS与3DVS的结合。

1.2 数据的标准化研究与数据库建设

三维仿真建模在数据库选用何种商业软件时,应考虑空间数据的非结构化、多源等特征,也就是能在传统的关系数据库模型中加入支持面向对象的功能,如支持类、方法、属性等。

1.2.1 数据表组织

GIS数据具有明显的专业分类与从属关系,这种关系体现在各类数据信息之间的关联,通过这种关联建立数据信息之间的层次关系。在设计数据表和图形属性表中,采用约束条件实现表与表之间和表与图元之间的关联和信息传递。GIS信息在内容上主要包括空间数据和属性数据:在空间上,主要体现以图形数据为主线,通过图元与属性数据的关联,来表达图形数据的实体特征;在关联关系上,描述空间图元的属性信息可以是一个简单的属性表,也可以是并列的多个属性表和具有从属关系的链状表,即图元和数据表的一对一或一对多关系。

1.2.2 数据表访问

本文数据库拟在以太网内部采用C/S结构,便于其他专业工作的开展。作为用户而言,希望从数据库中取得的数据都是以对象的方式存在的,这些对象的信息一般分布在各数据表中,见图1。

根据勘察资料提供的钻孔信息,将其数据入库管理,其中钻孔表记录桥面层信息,主要内容有桥面层编号、钻孔编号、岩土名称、层底深度、地层厚度等,“钻孔基本信息表”记录钻孔或勘察点的信息,主要内容有钻孔编号、X坐标、Y坐标、孔口标高等,它们是三维建模所需的基础数据表。也可以通过钻孔数据文件直接记录建模所需信息,主要包括桥面层控制点个数、桥面层数、钻孔数、控制点编号、点的三维坐标、桥面层厚度、与桥面层的相邻关系、钻孔编号等信息。

2 工程应用与实践

2.1 虚拟钻孔数据的提取

图2为探地雷达在桥面层检测后的处理图像,由图中可以清楚地看到桥面铺装层的分层情况,在拟控制断面布置虚拟钻孔。

许多学者都从事钻孔数据结构的建立和基于离散点信息建立地质模型的研究工作[4,5]。从钻孔柱状图中将不同层的分界点取出作为建模数据源,该数据源是本文三维桥面层建模的数据基础,采用二分拓扑数据结构来描述钻孔信息,如图3所示。

2.2 桥面铺装层三维数字模型的建立

在三维GIS构模法中以表面构模法、块段构模法、线框实体构模法的应用最为广泛,与之相应的基于面的数据模型及基于体的数据模型也就成为当前三维GIS数据模型与结构的研究热点。许多学者[4-7]在三维地层方面有相应的研究,比如有学者提出以广义三棱柱为基本体素来表达三维地层体,与之相对应的数据模型为广义三棱柱(GTP)模型。GTP是专门针对实际地质钻孔出现偏斜而提出的一种可以不受三棱柱棱边平行(即钻孔垂直)限制的体元构模方法,并将GTP构模称为其特例。而且,基于TIN边退化和TIN面退化,可以由GTP导出Pyramid模型和TEN模型。GTP构模原理是:用GTP的上下底面的三角形集合所组成的TIN面来表达不同的地层面,然后利用GTP侧面的空间四边形面来描述层面间的空间关系,用GTP柱体来表达层与层之间内部实体。

基于钻孔的三维建模方法分为两个主要步骤,即首先由钻孔孔口坐标点做Delaunay三角剖分形成表面TIN,然后将TIN中的每个三角形沿钻孔向下扩展生成三棱柱。具体生成三维桥面层如图4所示。

2.3 与属性数据库的交互

在建立空间数据库与属性数据库的过程中,将各个构筑物分配唯一的ID号,这样就将面向实体和面向工程的概念统一起来,且通过唯一的ID号进行连接。在属性数据库中根据相应图层中的图元来查找与之相对应的属性,使用条件查询可根据特定的逻辑表达式作为查询条件,查询符合该图元分布的逻辑条件,条件查询语言可表达如下:select from database where列名=“”。

3 结语

以GIS结合三维可视化仿真技术(3DVS),实现新型RA树脂桥面层模型重构是本文的研究重点。本文利用CAD图形平台,结合探地雷达扫描图像结果,实现了桥面层三维模型直观描述和信息的高效应用与科学管理,而且提供了实用的应用模型,并实现了设计成果的可视化表达,给桥面层设计与决策提供了一个科学、形象、直观的辅助分析手段,有助于推动桥面层设计与管理工作的可视化、数字化发展。本文在重构时着重利用虚拟钻孔,另外还可以发展利用探地雷达二维剖面图像重构三维桥面层结构,此项研究正在进行当中,具有广阔的发展空间。

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[2] Elvins T T.A Survey of Algorithms for Volume Visualization[J].Computer Graphics,1992,26(3):209-214.

[3] 钟登华,宋 洋.大型水利工程三维可视化仿真方法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(1):121-128.

[4] 方海东,刘义怀,施 斌,等.三维地质建模及其工程应用[J].水文地质工程地质,2002(3):52-55.

[5] 柴贺军,黄地龙,黄润秋.地质结构面三维扩展模型研究[J].水文地质工程地质,1999(4):101-103.

[6] 朱合华,郑国平.基于钻孔信息的地层数据模型研究[J].同济大学学报,2003,31(5):535-539.

[7] 朱合华,吴江斌.基于Delaunay构网的地层2D,2.5D建模[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22):4073-4079.