基于岩土工程探测的场地立体空间建模与信息管理设计

崔富强

（陕西铁路工程职业技术学院 陕西 渭南714000）

基于岩土工程探测的场地立体空间建模与信息管理设计

崔富强

（陕西铁路工程职业技术学院 陕西 渭南714000）

文中针对导航及地理信息系统的迅速发展，传统的二维岩土工程勘察图纸已不能够为计算机信息处理提供大量、简捷和直观的岩土勘察信息的问题，提出了三维建模技术和可视化技术。该技术在分析和测量大量的勘察资料的基础上，运用三维立体建模和可视化编程软件技术，实现了岩土勘察地形的立体空间模型，并在可视化技术下，该场景真实逼真，该模型的提出为岩土勘察工程提供了重要的参考价值，且在未来的发展中有较强的实用价值。

岩土工程；三维建模技术；可视化技术

近年来，随着计算机信息处理及卫星导航等系统的迅速发展，岩土勘察技术[1]及方法也随之得以改进，新的理论及分析方法层出不穷，传统的二维岩土工程勘察图纸令研究者难以根据二维的长宽高勾勒出三维场景，且二维信息也不能为如今的计算机处理提供直观的空间信息。基于此，来自不同领域的研究者，包括图形学、计算机信息处理[2]、地理信息系统的处理等行业的研究者纷纷将所学知识相互融合，从而建立了三维地理信息系统。文中在查阅了大量有关多源异构方面岩土工程的资料，开发了集地理信息数据预处理，三维空间建模及可视化技术与一体的软件系统[3]。该软件可查看任意勘察场地的整体及三维刨面图，为研究者提供了较强的直观感，并可对勘察信息的查询及更新进行实时操作。

1 数据管理

1.1 数据录入处理

对于数据信息的来源主要有3种获取方式，分别为纸质版勘察数据、二维电子数据和专业处理过的软件数据。下面介绍系统对这3种信息的处理方式，对于纸质版勘察数据的录入，首先将纸质版数据转换为电子格式，然后根据系统要求的格式将电子格式转换为系统接受的格式，这样对于该数据便可方便快捷的查询和使用[4]。对于电子数据，只需要用与数据或表格文档相应的管理软件进行管理即可。对于专业处理过的软件数据，需仔细了解其格式是否为系统所要求的，若不是要先转换为系统要求的格式再进行录入。本系统的设计中有数据管理模块，且包含Excel接口，能够对大量的数据进行批量输入和输出[5]。

1.2 数据异常处理

该系统中设计了关键的数据异常处理模块[6]，对于上述数据的录入可能会由于某种原因导致错误的录入，严重者还可能导致对于地形地貌的错误构造，如图1所示为数据异常处理模块能够对源数据进行检查和预处理，保证了由于异常数据所带来的巨大损失。

图1 数据管理流程

2 三维建模及可视化管理

如图2所示为三维集成建模技术路线图，对于岩土勘察三维建模系统的建立涉及到诸多对象，该对象是按照空间的位置不同而划分的，通常情况下被分为3种，分别为位于地表以上、地表表面以及地表以下的地形地貌[7]。由于这3种地貌地形的不同，因此在数据处理时，其数据来源，几何形态表达等均不相同，这就导致了对于不同空间的三维模型亦不同，但均可采用无缝耦合的方法[8]与地表模型进行对接。

图2 三维集成建模技术路线

2.1 地上部分

对于地上部分大多指的是建筑物，该模型的建立采用边界表示法（B－Rep）[9]，因地上大部分建筑物的侧面由四边形缝合而成可被分解为三角形，而顶面可采用三角剖分方法进行实现。

2.2 地面部分

对于地表模型的建立，最重要的就是数据的来源，该数据的来源大部分从钻孔孔口坐标的获取、测量高程点的位置和地形平面图的绘制得到。地面高程模型的建立是由离散高程点生成的不规则三角网形成的，该模型建立的算法主要有3种，分别为插入法、分治法以及三角网生长法[10]。地表还有绿植、道路以及下水道的井口等物，可利用数学中的点、线、面处理方法将地物和数字高程模型呈现无缝集成。

2.3 地下部分

地下部分涉及地层之间的关系，尤其对于有尖灭现象的地下部分，更需要特殊处理。文中对于地下部分的建模采用广义三棱柱模型（GTP）[11]及改进的GTP退化模型分别对一般的地下部分和含有尖灭的地下进行建模处理。

3 系统整体构架

对于岩土勘察体系结构的建立如图3所示，系统建立主要考虑的因素有3个，首先是根据地形地貌的不同，采集到的数据因此也不同，针对该问题需要对数据进行预处理，来实现数据的耦合[12]。然后是可视化技术的搭建，三维模型的构造，通过软件的实现使得地质人员能直观的根据几何图形对岩土现状进行观察。最后是对于可视化模型的空间操控，该系统的设计能使研究者方便的进行人机交互，并可在可视化界面下进行相关的查询及更新功能。

图3 软件系统总体框架结构

4 信息交互管理

由于岩土划分不同的特性，因此三维图形的建立也各不相同，常见的三维模型的建立有地质体、钻孔、数字高程模型、建筑物、地下水位面以及地质剖面。这么多的模型在计算机中均需要进行编辑和查找等操作，信息交互管理就是提供一种将图像和图像属性相关联的编码方法[13]。如图4所示，在模型的建立时，每一个模型均有一个编码和其唯一对应，使其具有唯一的标识码[14]。在对模型进行查找时首先是进行模型标识码的查找，然后通过解码功能进行模型属性的对应。

图4 图属交互过程

5 软件开发的应用实例

基于本文三维模型的建立及可视化方法，软件设计语言用Visual C++，和OpenGL[15]三维图形库来实现岩土工程的可视化操控。该系统的实现以一个具体的岩土勘察项目为例，该项目的勘探点有126个，钻孔深度为10～30m之间，勘察的地形成品字形地貌，南北走向约340m，东西长大概460m。在对各项数据采集之后，按系统规定格式录入，可得到如图5所示的空间立体模型。

图5 岩土工程场地的三维图形

对于多交叉剖面的地质研究者通常需要对其进行剖面图分析，该项目的一个刨面图如图6所示。

图6 地质刨面图分析

图7 地层实时查询和更新

图7所示，在可视化系统中即可看到该系统的模型，并在此基础上利用信息查询和更新功能可对勘察区域进行空间中的上下查看。

6 结束语

通过对该模型的三维生成及可视化的操控，证实了该系统的可实现性，解决了传统二维建模技术给新时代研究人员及计算机处理所带来的困难，其真实感强，信息量大，大幅提高了工作效率，且对于岩土勘察领域的研究具有较强的推动作用，该技术也将会给社会带来极大的效益。

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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稿件编号：201608006

崔富强（1978—），男，山东青岛人，硕士，助教。研究方向：岩土工程。