基于三维地质模型的岩土工程设计与可视分析

赵帅权 姚显瑞

摘   要：基于三维地质模型的岩土工程数字化的应用，成为我国岩土工程领域的主要发展方向。岩土工程的三维地质建模和可视化分析研究，提高了岩土工程的信息化管理水平，在岩土工程领域具有一定的应用价值。本文对岩土工程三维地质模型建模和可视化分析的特点进行了介绍，结合岩土工程基坑开挖施工的实际情况，提出了基坑开挖体的三维地质模型的建模方法，并对岩土工程基坑开挖体的三维地质建模的可视化分析方法进行了研究。

关键词：三维地质模型  岩土工程  可视化分析  基坑开挖  数字岩土

中图分类号：TU43                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0051-02

随着现代化空间信息化技术的发展和应用，岩土工程数字信息化也得到了快速的发展。传统的岩土工程技术已经不能满足现代岩土工程信息管理和计算分析的基本需求，岩土工程的信息化设计和三维可视化分析方法成为岩土工程信息化发展的主要方向。三维地质建模和岩土可视化分析实现了岩土工程信息化的科学管理，提高了岩土工程的智能化水平，具有一定的应用价值。

1  三维地质模型建模及可视化分析的特点

1.1 三维地质模型的建模特点

岩土工程在对地质体三维模型[1]进行建模的时候，需要采用地质体的缓冲区建模方式进行设计。因为在岩土工程的地质勘测过程中钻孔的数量比较少，如果根据钻孔的实际数量进行三维模型的建模，将会造成岩土工程的后面施工设计无法正常进行，所以本文采用三维地质体缓冲区建模的方式进设计，在实际工程中采用虚拟的方式引入虚拟钻孔，这样可以对建模区域的边界进行扩充。在三维模型特定的位置引入虚拟钻孔，把虛拟钻孔的数量和实际钻孔的数量约束到模型中，并把缓冲区边界的虚拟钻孔和缓冲地质体进行三维地质实体模型的建模。在岩土工程中通过计算机技术和岩土勘察技术等先进的科学技术，实现岩土工程三维地质缓冲区模型的建模以及可视化分析等功能。

1.2 地质模型建模的三维可视化特点

三维可视化[2]是通过三维图形的方法来对数据进行表达，并且在计算机屏幕上进行模拟显示的一种交互式技术。在岩土工程的地质学中三维可视化得到了广泛的应用，三维可视化包括对颜色和纹理的表示、绘制以及显示等分析计算。三维可视化技术采用的可视化算法包括点、面和体三方面的绘制，在岩土工程的地质模型建模中主要采用体绘制的方式。体视化的基础是计算机图像学，体视化技术可以研究物体的内部信息体数据处理分析内容，对物体内部的复杂数据结构进行表达，体视化技术为三维地质模型建模提供有利的可视化理论基础。三维地质模型的立体可视化建立是把计算机图像学和地理信息系统等技术结合在一起，并以岩土工程地质资料和地质环境数据为依据，建立的符合岩土工程实际情况三维地质模型。

2  基于三维地质模型的岩土工程设计与可视分析研究

2.1 岩土工程中基坑开挖体的三维地质模型建立研究

在岩土工程的施工中基坑开挖[3]是非常重要的环节，基坑开挖施工中基坑壁的受力分布情况以及地质结构等都是必须要考虑的因素。基坑开挖体的三维模型的建模采用基坑开挖算法进行计算，针对基坑侧面的平面和地层体实施切割，切掉基坑合围平面内的部分，这就是基坑开挖模型的建模原理。通过基坑体三维模型的建模来实现基坑工程的可视化。由于基坑开挖工程的对象具有形状不规则的特点，所以在深基坑开挖施工中边界线都是不规则形状的多边形。本文在对基坑开挖体的三维地质模型的建模是基于平剖面拉伸的方法，实现对不规则体进行三维地质建模。基坑开挖体三维地质建模的数据主要是基于岩土工程基坑工程的数据，重点对垂直深基坑进行设计，内容主要包括基坑开挖边界和坑底部。

在对基坑设计的时候，基坑开挖边界是在基坑表面设计出相连续的点组成轮廓线。因为钻孔离散点构成了基坑开挖的多边形，要想获得基坑底部多边形就要把钻孔点进行投影，投影到基坑底部的平面，然后根据一定的顺序连接起来这样基坑底部的多边形就构成了。基坑顶面和侧面的模型的构建，沿着平面法线的方向把基坑底部多边形进行拉伸，这样就构建出了基坑的顶层，基坑顶层要比基坑开挖的多边形要高出很多。基坑顶层要远远的高出地面。这样有利于地质模型和基坑模型的无缝对接[4]，基坑顶层平面高出的部分可以切掉。

2.2 三维地质模型的可视化分析方法研究

三维可视分析方法[5]是利用计算机的图形处理技术把生成的数据转换为图像，在计算机二维的屏幕上显示出三维图像。随着计算机技术在岩土工程领域中的应用，三维地质模型可视化分析被应用于地质现象和空间分析中。三维可视化的真实感技术是以场景形状和光源分布为依据，通过图形光照模型来对物体表面的反射光进行计算。纹理映射就是把图片的坐标与物体表面的坐标进行坐标的映射，本文应用二维的纹理图片来实现二维的纹理映射。纹理映射技术是把二维图像进行映射转换为三维模型并形成纹理，这样可以把图像转换为实际的场景相似的画面效果。本文对三维模型的可视化分析主要是采用真实感技术进行设计的，并把纹理映射技术应用进来，实现了三维地质模型的可视化分析。在岩土工程的地质体中，对每一个地层的区分显示都是采用纯颜色进行区分的，在复杂形状的地质体中应用比较多，通过对每个地层的单元分配颜色值就可以了。纹理映射应用于基坑开挖体，可以实现了基坑开挖体的侧面和底面的纹理映射效果，通过基坑侧面的展开图，就可以确定每个点对应的纹理映射的坐标点，实现了基坑三维模型的纹理映射。岩土工程采用纹理映射的方法可以更好的提高可视化的真实效果，采用科学合理的纹理映射方法，把基坑侧面平面坐标和地层侧面平面坐标进行纹理映射，使可视化分析的真是感更好。在岩土工程设计中，三维地质模型的建立，通过对基坑三维地质模型的建模，实现地层体与基坑开挖体之间在拓扑结构上的无缝对接，在基坑开挖体的基础之上进行岩土工程可视化分析。

3  结语

在岩土工程的施工过程中，三维地质模型的岩土工程可视化分析研究，可以提高岩土工程数字信息化水平，推动岩土工程的信息化发展和应用。岩土工程三维地质模型的可视化分析研究，可以实现岩土工程的科学化管理，具有一定的研究意义和应用价值。

参考文献

[1] 张芳，张鹏，陈雷，等.三维岩土工程勘察信息系统的工程应用[J].地下空间与工程学报，2010，6（5）：995-1000.

[2] 向中林，王妍，王润怀，等.基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究[J].地质与勘探，2011，45（1）：75-81.

[3] 陈学习，吴立新，史文中，等.GTP模型中对角线引入的最小顶点标识（SVID）法[J].地理与地理信息科学，2014， 20（3）：20-24.

[4] 白世伟，贺怀建，王纯祥.三维地层信息系统和岩土工程信息化[J].华中科技大学学报：城市科学版，2012， 19（1）：23-26.

[5] 李艳，王恩德，鲍玉斌，等.基于钻孔数据的矿体三维可视化研究与实现[J].沈阳工业大学学报，2010，27（4）：62-65.