基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法及应用

张 菖, 陈志文, 韦 猛, 黄 俊

(1.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059; 2.西南交通大学 土木工程学院，成都 611756)

基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法及应用

张 菖1, 陈志文1, 韦 猛1, 黄 俊2

(1.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059; 2.西南交通大学 土木工程学院，成都 611756)

提出了一种基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法。应用CATIA软件建立三维滑坡地质模型，将反映该三维模型形态的空间点集和拓扑关系存储在数据库中；基于云平台架构，将现场监测数据的变化和模型有限元计算的结果反馈到模型数据库中。通过对模型数据库的实时数据迭代、增量处理和模型重构，建立BIM地质灾害模型动态反馈机制，实现滑坡三维模型的动态变化和协同。

BIM；三维建模；滑坡；监测

滑坡作为最常见的地质灾害类型，威胁人们的生命与财产安全。滑坡地质灾害监测预警是一项复杂的系统工程。目前对地质灾害监测预警采取的主要措施有建立群测群防体系、开展汛期巡查、排查灾害隐患点、对重大灾害隐患点实行监测等。这些方法难以保证数据的及时性和准确性，无法保证边坡的临滑预警。近年来，随着移动通信、大数据和云计算等信息技术的不断发展，网络化和智能化日渐成为物联网技术的发展趋势。王威等[1]建立了基于GIS的三维地质建模监测预警系统；黄建等[2]概述了新一代信息技术在地质灾害监测系统中的应用；黄露等[3]提出了基于云计算的地质灾害监测数据共享机制；张绍华等[4]系统论述了支持协同治理的BIM云平台建模与架构。

BIM(Building Information Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。笔者构建以BIM滑坡地质灾害模型为基础的云计算框架，结合物联网系统的监测数据和后台ANSYS有限元分析结果，实现对大量地质灾害多源监测数据的快速集成、分析和反馈，提高了地质灾害预警的时效性。

1 模型的构建

BIM滑坡三维建模主要分为3个部分：创建三维几何模型；信息入库，即将滑坡体空间几何信息、工程地质信息和监测信息等导入数据库；三维监测模型的动态可视化，即将数据库系统和三维几何模型连接，实现三维模型的信息化和协同变化，建模流程见图1。

图1 BIM滑坡三维监测建模流程Fig.1 Modeling flow chart for 3D monitoring for BIM landslide

1.1 滑坡区域三维几何模型

本文利用主流BIM软件CATIA构建滑坡区域三维地质模型。该软件具有强大的曲面造型功能，可以比较快捷地利用基础工程地质信息创建三维地质模型[5]。

1.1.1 地表曲面模型的建立

根据勘察范围内的工程地质平面图，提取反映滑坡区域的地形数据。利用CATIA中的DSE模块，导入离散点数据生成点云(图2)。通过对点云数据进行编辑优化得到地表模型网格面，在QSR模块中得到地表曲面模型数据(图3)。

图2 地表面点云数据Fig.2 Surface point cloud data

图3 地表面曲面模型Fig.3 Surface model of ground

1.1.2 滑坡体模型的建立

在GSD模块中，将地表曲面模型拉伸得到实体模型。通过分析钻孔数据、剖面数据和其他地质资料，得到地层分界面的点数据或者岩体分界面的产状等数据信息。通过插值处理，得到不同地层分界面或岩体分界面。按照从新到老的规则依次将各套地层从实体模型上剥离，图4为剥离得到的某地层实体模型。图5为利用岩体分界面在实体模型上切割岩体模型。

构建完成的三维地质模型即初期的BIM模型，要根据地质经验复核和修正，直到符合实际情况为止[6]。

图4 某地层实体模型Fig.4 Physical model of a formation

图5 切割得到岩体模型Fig.5 The model of rock mass obtained by cutting

1.2 数据库系统

基于BIM三维地质模型的监测数据库系统分为2部分。

1.2.1 地质灾害GIS数据库系统

地质灾害GIS(Geology Information System) 数据库系统采用ORACLE数据库作为后台数据库。同时搭配ArcSDE(空间数据库引擎)，用于ArcGIS对数据库信息的访问和管理。后台数据库包括基础空间数据库和专业信息数据库[7]。基础空间数据库包括地形图、影像图、数字高程图等。专业信息数据库主要是将现场的监测数据整理入库，用于后续的专业数据处理和解释。

地质灾害GIS数据库E-R图见图6。图中：GeoTopologModel表示滑坡几何形态信息表，主要存储了表征三维模型空间形态的点集和拓扑关系，与之相关的还有岩性填充物信息表(Lithology)和滑坡区建筑物信息表(BuildingInfo)；GeoDynamicModel表示滑坡三维计算模型；LineTagIfo表示滑坡测线，包括测线位置、走向等信息；DrillSensorInfo表示钻孔相关信息，包括孔位、地层分布和埋深等；MeteoTagInfo表示滑坡区域气象信息，主要包括降水、气温等；ServeyTagInfo表示水文信息。

1.2.2 地质灾害变量字典

地质灾害变量字典建立本地端及与之相关的SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)节点或工作站的系统实时数据库RTDB(Real Time Database)的源。提供对地质灾害与防治项目监测数据的实时报表与实时趋势分析(图)，对监测数据、模型及其运行状态进行边界形态、曲线、棒图、直方图等形式的实时动态监视，并基于该模型进行实时分析与解释。另一方面，地质灾害变量字典还建立本地端及与之相关的SCADA节点或工作站的系统历史数据库的源，对RTDB进行历史数据库的转储和相关的数据处理。

图6 地质灾害GIS数据库E-R图Fig.6 E-R diagram of geological disaster database

地质灾害变量字典E-R图见图7。其中：MUnitTable表示测线、监测点等；SwitchTable表示传感器等监测仪表；TagTable表示监测的变量如位移、应力等；NodeInfoTable表示节点信息列表；AlarmArray表示报警信息列表；NodeTagTable表示节点变量信息表；HDBArray表示实时值历史数据表；RTDataArray表示实时值表；CommandArray表示控制信息列表；TGIDHashMap表示变量TGID的哈希表；TGIDChangedArray表示已改变数值TGID列表。

1.3 BIM模型的主要功能

BIM 可以被描述为一系列处理过程与输出结果组成的、可动态扩展的无限集合，在工程全生命周期的各个阶段迭代地进行数据增量处理[8]。将三维几何模型与数据库系统相互关联的BIM三维监测模型主要有3个功能模块。

1.3.1 滑坡区域工程地质信息管理

本文采用的数据库系统除将滑坡监测内容存储到数据库中，还实现了对初期工程地质要素的存储。即将反映滑坡区域地质要素的空间形态的点集和拓扑关系通过数据库表存储在数据库系统中，主要包括滑坡形态、地质构造、钻孔和剖面信息、人类工程要素等。用户可在线通过点击三维模型上的地物图表查看相关地理信息。

1.3.2 现场监测数据在线实时查看和预警速报

基于三维几何模型和地质灾害数据库系统的功能框架提供对历史数据的存储、处理、分析与查询界面，可以对地质灾害与防治项目监测数据、模型及其运行状态的历史记录进行趋势(图)分析。结合监测数据的变化，对三维滑坡稳定性进行基于ANSYS的有限元分析，为滑坡稳定性评价提供决策信息。

1.3.3 滑坡体动态变化模拟

图7 地质灾害变量字典E-R图Fig.7 E-R diagram of tag dictionary of geological disaster

将初期的BIM模型简化处理，通过ANSYS划分得到有限元网格。将网格节点信息导入数据库系统中，将现场监测数据的变化和模型有限元计算的结果反馈到模型数据库中；通过对模型数据库的实时数据迭代、增量处理和模型重构，建立三维模型动态反馈机制，实现滑坡三维模型的动态变化和协同。

综上所述，导入数据库系统的三维模型具有数字化、可视化、动态化和协同反馈等特点[9]，符合BIM的特点。

2 工程应用

2.1 工程概况

松潘滑坡位于松潘隧道进口端右侧斜坡上，滑坡体呈长舌状向南西展布，滑坡轴向长约370 m，宽70～230 m，厚5～30 m，体积约86×104m3，为大型中层-厚层堆积层滑坡；组成滑坡的物质成分以粉质黏土、粗角砾土为主，石质成分为砂岩、炭质板岩，滑床下部为上三叠统新都桥组炭质板岩、砂岩。滑坡目前处于稳定状态。由于线路从古滑坡前缘地段通过，工程施工易引起古滑坡复活或局部坍塌，引起整个斜坡失稳滑动，需对该滑坡进行安全监测。图8为滑坡区域工程地质平面图。

2.2 松潘滑坡BIM模型

根据现场的勘察报告和图件资料，按照前述三维地质建模过程，利用CATIA软件建立了松潘滑坡区域三维地质模型，将模型空间几何信息导入数据库系统，在浏览器中重构滑坡地质模型(图9)。

图8 滑坡区域工程地质平面图Fig.8 The engineering geological plan of landslide area

BIM三维监测模型的主要功能如下。

2.2.1 滑坡区域工程地质信息查看

BIM模型即三维几何模型与数据库系统的结合。BIM滑坡监测模型除反映地形地貌和地质构造信息外，通过点击三维模型上的钻孔或者测线图标，还可查看钻孔信息、剖面信息等其他地质要素，支持虚拟钻孔和任意角度剖切地质体模型。

2.2.2 现场监测信息展示

图9 浏览器中的BIM滑坡模型Fig.9 BIM landslide model in browser

图10 现场监测仪器布置方案Fig.10 On-site monitoring instrument layout

图11 测斜数据图表Fig.11 Inclinometer data chart

根据现场实际工程条件，采用滑坡体表面位移监测、深部位移监测和滑坡体下滑推力监测相结合的方法制定监测方案。通过Internet可在三维模型上查看现场监测情况，图10为现场传感器埋设情况。在三维地质模型上通过放大和旋转操作，可方便地查看监测仪器的空间布置情况。图11为点击某固定测斜仪得到的监测数据图表。图12为实际勘测资料中2号测线对应的剖面图。

图12 勘察图件中的2号测线剖面图Fig.12 The No.2 line profile in investigation map

图13为点击2号测线剖切得到的剖面图，可见三维模型剖切图在表征地质构造方面更加直观，可视化程度高。图14为点击某钻孔图标得到的三维模型上的某钻孔信息。

图13 三维模型 2号测线剖面信息Fig.13 The No.2 line profile of 3D model

图14 三维模型上某钻孔信息Fig.14 The drilling holes information of 3D model

2.2.3 滑坡体动态变化模拟

图15 ANSYS简化处理的三维模型网格Fig.15 Three-dimensional model grid of simplified ANSYS

图16 Y方向位移云图Fig.16 Y direction displacement cloud

根据现场监测数据和原有的力学参数，图15为后台ANSYS有限元法划分得到的滑坡体网格。ANSYS有限元分析和计算过程不在此详述。滑坡体稳定性因素达到预警阈值时，通过有限元分析计算得到网格节点位移信息。如图16为ANSYS计算结果Y方向位移云图，图17为部分网格节点位移数据。通过更新节点位移数据库，实现BIM模型的协同变化；当节点位移持续增大，可看到BIM滑坡模型滑坡边缘产生微小裂缝。图18为根据结点位移数据得到的滑坡体失稳后的状态模拟。

图17 部分节点位移变化数据信息Fig.17 Partial displacement node data

图18 滑坡体失稳滑动后状态Fig.18 State of landslide after sliding

综上，结合滑坡体工程地质信息和现场监测信息，将有限元计算结果用于BIM模型数据库的动态更新，实现了BIM地质模型与云计算平台的关联[10]。进而在浏览器中实现了BIM滑坡地质灾害模型的动态可视化。

3 结 论

地质灾害监测是一个长期的系统工程，随着物联网技术的发展，利用传感器进行长期的自动化精密监测具有诸多优势[11-12]。本文以地质灾害监测云服务平台为基础，将BIM模型应用于地质灾害监测中。在地质灾害监测的全生命周期内，不仅实现了传统物联网系统的实时监测预警，而且实现了根据现场监测数据变化的三维地质模型的协同动态变化，体现了BIM模型的可视化、协调性、模拟性等特点。

在基于BIM建模的地质灾害监测预警系统中，由于滑坡成因类型的多样性和复杂性，基于ANSYS的三维滑坡稳定性有限元分析未实现全智能化，需要专业地质人员进行建模处理。在监测系统中，实现滑坡稳定性数值模拟的半智能化具有十分重要的意义。

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《成都理工大学学报(自然科学版)》编辑部

3D monitoring of landslide geological disaster and its application based on BIM

ZHANG Chang1, CHEN Zhiwen1, WEI Meng1, HUANG Jun2

1.CollegeofGeophysics,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China

A method for 3D monitoring over landslide geological disaster based on BIM is proposed. Firstly, the 3D geological model of the landslide is built by using CATIA software , and the 3D spatial point set and topological relation of the model are stored in the database. Then, the change of the monitoring data and the result of the finite element calculation are fed back to the model database on the basis of cloud computing framework. By the real time data iteration of geometric model database, incremental data processing and model reconstruction, the geological disasters of BIM model dynamic feedback mechanism is established, and the dynamic change and coordination of 3D landslide model is achieved.

BIM; three-dimensional modeling; landslide; monitoring

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.03.12

1671-9727(2017)03-0377-08

2016-08-11。

四川省战略性新兴产业发展专项资金项目(SC2013510109139)； 四川省科技支撑项目(2015GZ0121)。

张菖(1988-),男,硕士研究生,研究方向：地质灾害防治, Email:zhangchang1989@foxmail.com。

X84; P642.22

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