基于SuperMap GIS的滑坡监测地质体可视化构建

周俊 卞勋生 刘琼

（海南水文地质工程地质勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

滑坡，是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下沿着一定的软弱面或者软弱带，整体或者分散地顺坡向下滑动的自然现象[1]。运动的岩（土）体称为变位体或滑移体，未移动的下伏岩（土）体称为滑床[2]。

目前，滑坡治理及监测、分析与设计主要借助理正等相关的计算分析软件生成二维勘察成果，进行方案设计和施工、监测工作[3]。传统的工作方式存在地质成果不直观、设计方案不精准、施工作业风险高、监测信息 化程度低等弊端，难以有针对性地指导现场动态设计、施工和优化设 计参数，不能满足施工、运营安全的时效性需求。因此，基于GIS 等新技术研究滑坡监测地质可视化建模应用，实现对滑坡治理设计、施工、监测和 运营使用等各阶段数字化无缝集成与展示，具有重要的社会价值和经济价值。

本文基于SuperMap GIS 新技术，结合作者参与实施的滑坡变形监测工作，研究实现了变形监测所需的地质地层图形、图像、表格、文字报告等基本地质地理信息一体化存储管理，并利用钻孔及剖面数据建立区域三维地质结构模型，借助三维可视化技术直观、形象地表达区域地质构造单元的空间展布特征，实现了地质可视化技术的集成与展示。

2 SuperMap 地质可视化优势

SuperMap GIS 是北京超图软件股份有限公司研发的大型GIS 基础软件系列，是二、三维一体化的空间数据采集、存储、管理、分析、处理、制图与可视化的工具软件[4]。

传统的变形监测地质成果局限于二维图、表，不能形象直观地描述地层的三维空间位置及不同施工节点时的变形情况[5]。基于SuperMap GIS 软件可以对变形监测所需的地质地层图形、图像、表格、文字报告等形式的基本地质地理信息，进行一体化存储管理，并利用钻孔及剖面数据建立区域三维地质结构模型，借助三维可视化技术直观、形象地表达区域地质构造单元的空间展布特征[6]，如图1 所示。

图1 地质体可视化相关功能

SuperMap GIS 地质建模具体优势如下：

（1）通过后台构建地质体，支持实时剖切、查看地质体内部；（2）提供基于地质体的一系列实时分析功能，如通过多边形实时裁剪地质体查看裁剪区域的分布情况 ；提供圆柱体、多边形等多种类型实时开挖地质体，还能对地质体进行虚拟钻孔等。（3）针对地质体岩层比较薄的情况，通过Z 方向拉伸处理，能更清晰地观察地质体岩层的分布情况。（4）还提供了地质体纹理编辑和替换等，将岩层显示效果替换成真实纹理图，更直观地表达岩层内部结构及属性信息。（5）还能把地质体不同的岩层炸开，方便查看内部结构。

3 技术路线

利用SuperMap GIS 软件进行地质体建模及应用主要技术流程如下：（1）导入各个地质层已有的钻孔数据，生成分层的三维地质点数据集；（2）利用“地质体构建”功能，加载数据集，建立地质体模型并保存；（3）创建“地质钻孔分析”的点数据集，利用“地质钻孔”功能，自定义设置钻孔直径和钻孔高度，获得分析结果 ；（4）创建 “地质剖面分析”的线/面数据集，利用 “地质剖面”功能，自定义设置剖面厚度和剖面高度，获得分析结果。技术路线如图2 所示。

图2 技术路线

主要步骤如下：

（1）在SuperMap iDesktop 新建文件型数据源，选择相应的经度、纬度和高程字段，批量导入各个地质层数据；（2）选择“地质体构建”项，生成地质分层清晰直观的地质体模型GeoBodyResult；（3）选择“地质钻孔分析”项，生成BoreholeResult分析结果；（4）设置剖面厚度和剖面高度，生成BoreholeResult 分析结果。

4 工程实例

4.1 项目概况

项目地处澄迈县某广场北面的斜坡地带，属于火山岩风化台地向南渡江Ⅲ级阶地的过渡地貌单元。滑坡体经多次滑动和人为活动，地形总体呈缓坡形态，坡度10°～20°，局部呈平台形态。勘查区北侧滑坡后缘以上为空地，系缓坡地带，高程93～102m，可见后缘拉裂缝；滑坡体上由于多次滑动形成2 处滑坡平台和1 处滑坡台坎，以及多条横向裂缝，第一处后缘平台长约45m，宽约15m，高程约87～88m，滑坡台坎高约0.7～1.80m；第二处平台长约88m，宽约22m，高程约81～82.5m，主滑体右侧的桉树东倒西歪呈“醉汉林”，其余为缓坡；堆积体部分已被人为清理，滑坡体主滑体前缘部分由人为改造后呈折线斜坡，植草覆面，坡角约30°～50°；滑坡前缘堆积区已被人工清除并修建排水沟，高程约71.2～72.4m，未见纵向裂隙。现场照片如图3 和图4 所示。

图3 滑坡体左侧照片

图4 滑坡体中部照片

项目的地层为第四系松散堆积层（Qml）、玄武岩风化土（Qel）、凝灰岩风化土（Qel）和第四系更新统冲洪积土（Q1al+pl）地层，与工程密切的地层由新至老如下：

（1）人工填土（Q4ml）：除zk2 缺失外，其余钻孔均有分布，褐红色，松散状，欠压实。主要成分为素填土，滑坡体平台地段上部局部地段含1.0～2.5m 左右的建筑垃圾，为混凝土块、碎石堆填；滑坡堆积区部分主要由粘黏性土和中细砂堆填。堆填时间约3 年。揭露厚度0.50～9.40m。

（2）粉质黏土（Qel）：为玄武岩风化土，仅zk1、zk2 有揭露，褐红色，灰色为主，可塑状，主要成分为粉黏粒夹风化碎块，碎块粒径2～5cm，呈棱角状，主要分布于滑坡后缘处，揭露厚度3.60～4.30m。

（3）黏土（Qel）：为凝灰岩风化土。除zk8、zk10、zk14～zk17 缺失外，其余钻孔均有揭露，黄色，浅黄色，褐红色，可塑状，局部硬塑状，主要成分为粉黏粒，含少量石英质中细粒，局部富集。zk1 未揭穿，已揭穿钻孔中，揭露厚度0.70～12.20m。在钻探施工中本层黏土存在遇水缩径现象，通过膨胀性试验结果可知，本层粘土为中膨胀潜势土。

（4）黏土（Q1al+pl）：仅zk8 有揭露，黄色为主，可塑状，主要成分为黏粒。揭露厚度0.70m。

（5）粗砂（Q1al+pl）：仅zk4、zk6～zk8、zk14～zk15有揭露，黄色为主，稍密-中密状，稍湿-湿，石英质，亚圆状，以中粗粒为主，砾次之，局部含少量卵石。揭露厚度0.70～3.50m。

（6）黏土（Q1al+pl）：zk1 未揭露，zk16、zk17 缺失，浅黄色夹浅绿色，可塑状，主要成分为粉粒和黏粒，局部夹薄层粉砂。揭露厚度0.80～4.30m。

（7）中砂（Q1al+pl）：除滑坡体后缘未揭露外，其余地段均有分布，灰白色为主，中密状，饱和，石英质，亚圆状，以中粗粒为主，砾次之。揭露厚度1.00～4.00m。

（8）1粉砂（Q1al+pl）：主要分布在滑坡前缘的左侧，橙黄色为主，松散-稍密状，饱和，石英质以粉粒为主，细粒次之。揭露厚度1.60～2.50m。

（9）粉砂（Q1al+pl）：除滑坡体后缘未揭露外，其余地段均有分布，未揭穿，橙黄色，浅红色，中密状，饱和，石英质，以粉细粒为主，中粒次之，局部含团状黏性土。揭露厚度1.00～11.40m。

（10）粉质黏土（Q1al+pl）：仅zk7、zk17 有揭露，黄色，可塑状，以粉粘粒为主。揭露厚度1.00～1.40m。

（11）粉砂（Q1al+pl）：仅zk7、zk17 有揭露，浅红，紫红色，中密状，饱和，石英质，亚圆状，以粉细粒为主。揭露厚度2.00 ～9.40m。代表性工程地质剖面如图5所示。

图5 代表性工程地质剖面

4.2 地质建模实现

（1）钻孔数据分层

需要对钻孔属性表格数据分层，形成7 份分层表格数据，各个分层含17 个采样点。

（2）生成三维地质点数据

将表格数据导入SuperMap iDesktop 数据源，生成三维地质点数据集。

（3）地质体构建

打开“地质体”构建窗口。单击“三维数据”选项卡中“模型”组中“地质体”下拉按钮，在弹出的下拉菜单中选择“地质体构建”。将地质体成果GeoBodyResult 加载到三维场景中显示。

4.3 地质体可视化构建应用

（1）地质钻孔分析

“地质钻孔分析”功能，根据点数据集，通过设置钻孔参数，实现地质钻孔分析[7]。地质钻孔分析中点数据集支持二维点和三维点。使用地质钻孔分析，可以自定义设置钻孔直径和钻孔高度，实时获得不同钻孔参数的分析结果，如图6 所示。

图6 地质钻孔分析效果

单击 “三维数据”选项卡“模型”组中“地质体”下拉按钮，在弹出的下拉菜单选择“地质钻孔分析”项。

源数据：选择需要进行地质钻孔分析的地质体数据集。

钻孔数据：选择钻孔数据集。

参数设置：设置钻孔直径和底部高程。

结果设置 ：设置结果数据存储的数据源和数据集。数据集名称默认为BoreholeResult，也可自定义输入。

（2）地质剖面分析

“地质剖面分析”功能，根据剖面数据集，提取获得指定剖面的地质模型[8]。剖面数据集支持二维线、二维面、三维线和三维面。使用地质剖面分析，可以自定义设置剖面厚度和剖面高度，实时获得不同剖面的分析结果，如图7 所示。

图7 地质剖面分析效果

（3）滑动面分析

根据现场勘查和物探测试结果，滑坡体的裂缝宽度缓慢扩大，前缘出现了局部土体滑动等变形，前缘剪出口位于滑坡体前缘的排水沟处，滑坡大部分 处于蠕动变形阶段。分析滑坡结构特征和可能的变形发展情况，采用定量计算进一步判断其稳定性，变形破坏模式为滑坡体沿人工填土底部圆弧形滑动，破坏模式稳定性计算按瑞典分条法进行[9]。分析效果如图8所示。

图8 滑动面分析效果

（4）监测点位布设

根据《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》要求，现场开展水平位移监测点、竖向位 移监测点、深层水平位移监测点、地下水位监测点等变形监测工作。滑坡体三维可视化建模完成后，可以快速直观地在模型上布设各类监测标志。效果如图9 所示。

图9 监测点布设效果

地质三维可视化的集成与展示应用，使得本项目的地质情况、地层分层线、地下水位线、滑动面等多种类型信息更加直观，并且可以在三维可视化成果基础上快速布设各类监测点位，为后续各类监测数据成果、分析结果、预警预报、风险研判等设计施工、安全保障工作提供技术支撑[10]。

5 总结与展望

本文基于SuperMap GIS，结合三维GIS 技术与滑坡变形监测需求，实现了滑坡地质三维可视化建模，有效提升滑坡变形监测的信息化程度，目前已经在部分项目中成功进行集成与展示应用。今后将进一步在滑坡监测稳定性分析、三维建模、BIM 应用等方面加强研究，生产更高质量、多属性、美观度高的模型，提高变形监测工作的可靠性、准确性和规范化水平，为滑坡监测施工与运营管理提供更新的方法和手段，加快GIS 技术在滑坡变形监测领域的推广应用[11]。