基于多源信息约束的工程地质三维可视化研究

赵焕祯，朱祥山，邵成立，宫宁

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033； 2.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266033)

1 引 言

随着我国城市化进程的加快，城市建设所涉及的工程地质问题日益凸显，对于城市规划、设计、施工以及地下空间开发利用等至关重要。当前城市建设积累的大量工程地质数据，往往缺乏整体规划和标准化，存在信息整合性差的问题。传统二维工程地质信息的展示已经不能满足城市建设需求，三维地质建模技术与可视化技术因具有空间数据管理，可视化程度高，直观视觉强等优势逐渐展露势头。通过城市地质工作与信息化深度融合的手段，推进信息技术和信息手段提高城市管理效率，提高解决城市重大资源环境问题评估的能力。随着建模技术的发展，三维地质模型的构建越来越趋于精细化，基于此，将地表景观模型、地下管廊、地质体等空间信息进行集成显示，以三维可视化的技术手段构建基于多源信息约束的工程地质三维模型，基于真实地理空间位置实现地理空间信息数据的三维一体化集成展示，促进自然资源三维立体空间信息化的发展，为智慧化城市园区管理提供立体空间三维基础数据底座。

2 工程地质三维可视化关键技术

为实现多源、多尺度的地质数据和地理空间数据的三维可视化管理和展示，需要解决以下几方面内容：①为解决三维地质体建模的复杂性问题，开展基于钻孔数据的三维地质体自动生成技术研究，以期实现项目级、区域级工程地质的自动化建模，满足勘察成果从二维报告向三维属性模型的转变需求；②为满足岩土勘察精度需求，解决以往地质体模型生成不准确，地理信息空间精度不佳的问题，开展基于地形、地下构筑物、控制性钻孔数据等多源信息约束条件，顾及地质变化规律，建立统一的水平垂直基准，实现基于真实地理位置的三维地质体精细化建模，满足项目级、区域级等不同尺度三维地质体对建模精度的需求，为后续岩土勘察工程应用、智慧园区应用、区域工程地质研究评价提供基础三维地质数据；为解决地下空间成果与地上三维成果及地下空间构筑物间的集成展示问题，开展三维地质体与三维场景数据的融合研究并应用到工程地质三维智慧应用平台，满足地上地下三维一体化展示及工程地质成果的推广应用需求。

2.1 基于钻孔数据的三维地质体自动生成技术

系统采用地层旋回分级建模的总体思想：基于从上到下、主TIN的标准地层建模思路，对钻孔中倒转、旋回地层按照统一的编码规则，对地层进行重新编码，生成新的标准地层编码，保证每个钻孔中地层是有顺序的，按照先建主层、再建亚层，主层约束亚层的方式依次构建各个地层模型。实现地质属性信息的数据库自动挂接，从而实现模型属性信息的查询。属性信息包括了地层名称、地层编号、地质年代、地层描述、承载力参数(承载力特征值)、变形参数(变形模量)、抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)等。剖切后实现了地质体模型地层标高的准确呈现和查询、地质体模型的空间量测等功能。根据地质剖面线，实现地质剖面图的查询；根据三维钻孔柱状模型，实现钻孔柱状图的查询。以工程地质数据库为基础，实现钻孔的三维地质建模，实现不同范围内三维地质体建模，建模范围包含全域范围单地层、区块范围全地层和工程勘察项目范围全地层。

地质勘测资料具有空间尺度、时间尺度以及系统的差异性。尺度差异性的存在使插值或拟合区域出现空值区或高值区，严重降低了三维成果的客观真实性。因此为了克服地质勘测资料尺度上的相对性，需对地质勘测资料进行统一归算，以利于客观真实地表达地质信息的空间分布特征。

图1 多尺度自动生成地质三维模型

基于钻孔数据推算区域立体三维空间的地层情况，是陆域地质三维模型最常用的方式之一。然而，钻孔分布密度及深度往往与具体项目要求密切相关，这就要求在实际建模前，要对原始的钻孔数据进行空间位置的统一归算，考虑不同尺度地质三维模型的融合问题。多尺度地质三维模型效果如图1所示。

2.2 基于多源信息约束的地质体精细化建模

基于钻孔数据构建三维地质体模型，顾及尖灭系数、距离反比参数以及地质变化规律等因素，实现不同尺度范围三维地质体建模；基于DEM数据对地质体进行约束，实现三维地质体与地上三维模型的无缝衔接；基于地下地理实体外轮廓凸包约束，实现三维地质体对管线、管廊数据以及地下构筑物的避让；基于区域路网控制性钻孔数据，实现区域工程建模的层序统一，约束项目钻孔数据实现项目数据精细化建模。建立统一的水平垂直基准，实现地上、地表、地下多源数据的一体化三维融合及展示，实现区块范围内地上模型、地表影像、地质体模型和地下构筑物的一体化展示和分析，多源信息约束模型效果如图2所示。

图2 多源信息约束模型效果

2.3 三维地质体与三维场景数据的融合应用

在三维系统中，实现地上构筑物、地下地质体的三维一体化呈现，实现对三维一体化场景的旋转浏览、地上地下模式浏览等。通过勾选相应的图层，实现单一元素、不同地层的独立呈现，实现钻孔柱状模型的呈现，实现地质体模型与管线管廊模型的良好避让。将三维地质体建模与岩土工程专业相结合，实现了以项目为对象的工程地质数据、管线数据、地面模型、建筑模型及倾斜摄影数据的三维可视化应用，直观展示拟建物基底标高处地层水平及垂直分布，查询地层物理力学参数，辅助地基基础选型、设计。在基坑支护设计中，能够直观查询基坑侧壁地层分布、变化，辅助基坑支护结构设计；在查询地下水水位信息时，辅助地下水控制设计；同时可查询地下管线、构筑物等与支护结构相对距离，解决锚杆等支护结构与地下管线、构筑物的碰撞问题，岩土工程数据精度和展示效果得到极大提升，场景融合及避让效果如图3所示。

图3 场景融合及避让效果

3 基于多源信息约束的工程地质三维可视化方案

为满足项目级工程地质三维化的需求，应用于实际工程项目生产，本文结合基于钻孔的三维地质体自动生成技术、基于多源信息约束的地质体精细化建模技术和三维地质体与三维场景数据的融合技术，形成一套基于多源信息约束的工程地质三维可视化项目解决方案，方案逻辑架构如图4所示。

图4 基于多源信息约束的工程地质三维逻辑架构

图5 地上地下一体化三维数据底座

基于多源信息约束的工程地质三维可视化项目解决方案的核心思想是将地质数据三维化并在地理信息三维平台中展示应用。首先利用工程项目钻孔数据生成工程三维地质体模型，将区域路网及钻孔数据作为控制地质数据，对工程三维地质体进行联合精化。然后对地下空间的管线、管廊和地下室等人工构筑物进行避让处理。再利用地形数据和地上模型数据进行约束，生成精化三维地质体。最后将所有的地理可视化模型统一到系统平台中，实现地上地下三维模型的融合展示效果。地上地下一体化三维数据底座如图5所示。

4 结 语

基于多源信息约束的工程地质三维可视化关键技术研究，充分利用了地理信息空间数据的相关性，基于地形、地下构筑物、控制性钻孔数据等多源信息约束条件，顾及地质变化规律，建立统一的水平垂直基准，实现基于真实地理位置的三维地质体精细化建模，实现了三维地质体的工程级、区域级等多尺度精细化建模，满足项目级、区域级等不同尺度三维地质体对建模精度的需求，有力克服了传统钻孔数据生成三维模型的局限性，解决了岩土勘察成果与地上三维成果及地下空间构筑物间的集成展示问题。有力促进了岩土工程专业信息化水平的发展，为智慧园区三维应用建设奠定基础。