CnGIM_ma三维建模软件在工程勘察中的应用研究

朱信波 刘培培 赵明华

摘要：水电工程勘察中，传统的二维数据分析方法效率低、局限性强，不能满足现今社会发展要求。为应用三维地质模型技术实现地质信息从二维空间到三维空间的变革，解决传统二维数据分析方法的不足，以具体水电站工程可研阶段勘察为例，基于CnGIM_ma建模软件，以地质剖面、物探剖面、钻孔、平硐数据为基础，开展了三维地质模型建立及应用研究。结果表明：利用三维地质模型技术可以提高原始数据处理的效率及准确性，快速、及时地呈现地质信息并进行综合分析评价，为三维设计提供技术支撑，具有重要的实际应用价值。

关键词：CnGIM_ma; 三维模型; 工程勘察; 水电工程

中图法分类号：P208 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.012

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0074 - 05

0 引 言

水電工程地质勘察工作具有研究范围广、涉及学科领域多、勘察工作量大且周期长、采用的方法和手段需要有针对性等特点。因此，勘察技术方法的选择与勘察工作效率和成果质量的关系十分密切。

2004年以前，中国水电工程勘察以传统的二维数据分析为主，工程投入大量人力、物力进行原始数据的统计及图纸绘制工作，错误率高、效率低。2004年以后，随着计算机技术高速发展，中国水电工程逐步向三维协同设计转型，这为工程地质勘察工作提出了更高的要求。随着中国工程建设的发展，工程勘察信息交流的速度越来越快，迫切需要一种方便的手段作为勘察信息处理与运用的高效率载体，而三维地质建模技术能较好地满足上述需求[1-3]。

三维地质建模技术是地理信息系统的分支之一，是主要反映地下信息的一种技术手段。发达国家从 20 世纪 70 年代开始发展三维地质建模软件，在 90 年代有稳定的产品问世，并不断发展、成熟[4]。目前，国内外比较流行的三维地质模型软件有GoCAD[5]，CATIA[6]，Earth Vision[7-9]等。而国产三维地质建模软件经过近 20 a的研究、探索与产业化，在最近总体达到可用的水平，能够满足大多数用户的日常工作需求，如MapGIS[10]，3DMine[11]，CnGIM_ma等。

基于CnGIM_ma建模软件，以原始数据信息为基础，构建数据库并建立了三维地质模型。利用三维地质模型技术快速、及时地呈现地质信息成果，并对地质信息进行综合分析评价，提高了数据处理效率及准确性，为工程三维设计提供了技术支撑。

1 CnGIM_ma软件功能及操作流程

1.1 系统简介

CnGIM_ma是加华地学（武汉）数字技术有限公司开发的一款面向勘察、岩土专业的大型平台型软件，服务于地质三维建模、分析和岩土工程辅助设计。

软件在Windows操作系统下运行，支持Windows 2000，Windows XP，Windows Vista，Windows 7，Windows 8，Windows 10 等版本。运行环境需要NET framework V4.0 及以上版本的支持。

一般台式电脑和笔记本电脑都可以满足该程序的安装和运行要求。建议的配置为：处理器Intel 或 AMD 双核以上，主频2.4G Hz以上;内存4 GB 以上;硬盘存储空间256 GB 以上;显卡建议为ATI RadeonTM 或 GeForce GTX590。

软件系统包含前端数据采集与数据库、建模与数据处理、应用与成果输出三大功能模块。

数据库对应于日常工作中勘察资料的采集、保存、业内整理，支持离线、服务器、云服务器等多种数据管理方式，是实现工程前后协同工作的纽带。建模与数据处理是引入三维工作模式后的一个中转平台，其作用是将勘察资料转化成包括地质边界和岩土力学特性的“含属性地质三维模型”。应用与成果输出对应于日常工作特定问题的分析评价和工程设计，以及不同专业之间协作所需要的数据交互。

1.2 操作流程

（1） 创建数据库。步骤：启动数据库程序→连接数据库→创建工程→创建工程阶段、部位→模板配置→数据录入或导入→数据检查→数据处理和输出。具体操作流程如图2所示。

（2） 创建三维地质模型。步骤：通过数据库导入地质信息→测试解译→利用封装模块进行地质界面建模→通过辅助剖面、虚拟钻孔对模型进行调整→地质体填充→对地质体进行分析→数据处理和输出。三维地质模型建模模块如图3所示。

2 水电工程三维地质模型建立与成果应用

2.1 模型建立

以具体水电工程可研阶段勘察为例，通过1.2节操作流程将离散数据分门别类依次输入数据库内，包括地形图、地质图、钻孔、平硐、地质剖面、地震数据、等深图、物探数据、化探数据、工程勘察数据、水文监测数据及各类原位试验数据等，创建该水电工程可研阶段数据库（图4）。

将数据库野外勘察数据及工程区地表点云数据导入CnGIM_ma建模软件，将地表信息设置精确约束，基于离散光滑插值技术（DSI），通过封装模块建模工具逐步拟合，建立地表面。依据地质年代由新到老、由上到下的次序，对钻孔揭露不同地层或岩性界面、地表出露迹线、产状等数据作为精确约束进行拟合，通过封装模块建模工具进行三维地质地层界面的建模，分别建立各自相应的三维曲面地质模型。通过物探剖面、虚拟钻孔[12]对各界面进行调整，建立地质体，形成三维地质模型（图5） 。

2.2 成果应用

2.2.1 离散数据整合分析

水电工程勘察周期长，数据信息量大、种类多，具离散性，人工统计工作繁琐、工作量大、信息容易遗漏。通过数据库的统计功能可快速、全面、分区域针对性地对所需数据进行统计整合，并通过三维模型直观展示出来，大大提高数据分析效率和准确度[13]。

通过数据库界面依次选择结构面统计图→工程、工程部位、工程阶段→钻孔、平硐→查询→全选钻孔、平硐→节理裂隙→出图（图6）。数据库自动处理形成等密线图（图7），选择优势组第1组并框选，导出至三维，可在三维界面展示出来（图8）。通过勘探解译（图9），对同组结构面进行分析和属性比对，将同条断层归类并重命名，从而达到将离散数据整合分析的目的。

2.2.2 模型展示与测量计算

图10为该水电站坝址区CnGIM_ma 三维地质模型的截图，展示了三维模型在主要建筑物和主要断层空间关系方面的应用，两岸断层与地下厂房、泄洪洞之间的空间关系等可以得到清晰和准确的展示，在施工过程中做到提前预知预报。

图11为该水电站导流明渠边坡CnGIM_ma三维地质模型的截图，展示了三维模型在主要结构面和坡面空间关系方面的应用;其中，断层切割情況可以得到清晰和准确的展示，同时，利用三维模型可以测算切割深度与方量[14]，为设计方案的布置提供数据支撑。

2.2.3 二维出图

二维出图是工程地质勘察生产中关心的主要问题之一，中国对于利用三维地质模型自动生成标准地质剖面图进行了大量的研究[15]。在CnGIM_ma三维模型上直接切图，过程非常快捷，一般在数十秒至数分钟内即可完成，远低于手工的数日乃至十余日的耗时; 切图的精度和三维空间的协调性可以得到保证（不需要人工校对相交剖面的地质内容），大大提高了工作效率。图12～13为CnGIM_ma三维模型切剖面的流程与效果展示。

3 三维模型技术在工程勘察中的应用优势

通过该系统数据库的建立与三维地质模型的应用，勘察工作效率和成果质量得到了以下提升。

（1） 数据库可实现数据的可视化、共享和整合管理，提高了数据分析效率和准确度。

（2） 三维地质模型可直观还原现场地质情况、模拟地质体几何形态与空间关系，进行多维度分析。通过对三维地质模型的剥离、选择、提取等操作，表现三维模型的局部特征，便于观察和掌握不同层面、不同构造、不同细节地质数据的空间分布及其变化规律，地质学者可以很容易地观察地质模型内部的地质构造形态及其内部结构，并进行各种测量、计算、统计和分析，实现地质勘察的清晰化、可视化、精密化。

（3） 利用三维地质模型全面解译和直接生成任意剖面的功能，能够快速、批量出图，避免了二维剖面之间的不一致性，提高了勘察精度，并能灵活方便地制作钻孔柱状图、三维模型图、2D剖面图，提高了工作效率。

4 结 论

（1） 应用实例表明，利用三维地质模型技术，可以把空间分布的离散、不均匀的地质信息变成连续、可视、形象直观的三维地质模型，提高数据分析效率和准确性。

（2） 运用三维地质模型的空间属性参数分析功能，可快速、及时地呈现地质信息，并能够对地质属性进行评价分析，结合设计方案实现施工阶段地质的提前预知预报。

（3） 三维地质模型的全面解译和剖面生成功能为快速、精确设计提供了技术支撑。

（4） 通过三维地质模型灵活方便地制作工程用图，提高了工作效率，具有实际应用价值。

参考文献：

[1] 王秋明，甘三才，胡瑞华，等. 三维地质建模技术及在工程中的应用[J]. 人民长江， 2005，36（3）：60-62.

[2] 杨绍章.工程地质三维空间建模技术在勘察中的应用[J].  资源信息与工程.  2016， 31（2）：12-13.

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[10] 林钟扬，金翔龙，朱朝晖，等. MapGIS K9平台在三维地质可视化模型构建中的应用[J]. 中国科技论文， 2019，14（9）：998-1003.

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[14] 何付明，李锡均，王应贵，等.三维地质建模技术应用于料场储量计算[J].水利水电技术， 2020，51（增2）： 397-400.

[15] 段建肖，廖立兵，肖鵬，等. GOCAD 三维地质建模成果的二次开发及应用研究[J].人民长江， 2015，46（14）： 51-54.

（编辑：高小雲）

Application of 3D modeling software based on CnGIM_ma

in engineering surveying

ZHU Xinbo，LIU Peipei，ZHAO Minghua

（Changjiang Three Gorges Survey and Research Institue Limited Company， Wuhan 430010， China）

Abstract： In hydropower engineering survey， the traditional two-dimensional data analysis method is difficult to meet the requirements of modern social development for its low efficiency and strong limitations. In order to apply three-dimensional geological model technology to realize the transformation of geological information from two-dimensional space to three-dimensional space and overcome the shortcomings of traditional two-dimensional data analysis methods， taking the engineering investigation of a hydropower station in the feasibility stage as a studying case， by using CnGIM_ma modeling software and based on geological profile， geophysical profile， borehole and adit data of this project， the establishment and application of three-dimensional geological model were carried out. The results showed that 3D geological model technology can improve the efficiency and accuracy of original data processing， quickly and timely present geological information， comprehensively analyze and evaluate geological information， provide technical support for 3D designs and has important practical values.

Key words： CnGIM_ma; Three-dimensional model; engineering surveying; hydropower project