岩土工程中基于栅格的三维地层建模及空间分析

第26卷第3期岩石力学与工程学报Vol.26No.32007年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2007收稿日期：2006–06–07；修回日期：2006–07–22基金项目：国家重点基础研究发展规划((973)项目(2002CB412708)；中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KJCX3–SW–L1–3)；国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目(50539090)作者简介：李邵军(1974–)，男，博士，2005年于中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程专业获博士学位，现任助理研究员，主要从事GIS环境下的岩土工程安全性评估方面的研究工作。E-mail：[e-mail]岩土工程中基于栅格的三维地层建模及空间分析李邵军，冯夏庭，王威，周辉(中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071)摘要：地理信息系统(GIS)及空间信息分析技术的发展为解决复杂的岩土工程科学问题提供新的手段，三维空间的地层和硐室建模是岩土工程GIS信息技术的核心内容。在此基础上，研究三维空间分析算法并实现具备强大面向对象分析功能的GIS信息系统，是该项技术在岩土工程领域得以推广应用的前提条件。以典型的工程应用实例为背景，介绍基于栅格的包含多元信息(监测设施、工程措施和地质断层等)的三维地层建模技术，详细探讨地层模型中的任意单纯地层剖面生成、地层与三维场景中的水位面及实体相交、地层与硐室的混合剖切算法及面积和体积的空间计算等分析功能。关键词：岩土工程；数值模拟；地理信息系统(GIS)；空间分析中图分类号：P628+.3；O141.4文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)03–0532–06THREE-DIMENSIONALGRID-BASEDSTRATAMODELANDSPATIALANALYSISINGEOTECHNICALENGINEERINGLIShaojun，FENGXiating，WANGWei，ZHOUHui(InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：Thetechnologiesofgeographicinformationsystem(GIS)andspatialinformationprovideanewmethodforsolvingcomplexproblemingeotechnicalengineering，wherethetechnologyofmodelconstructionforstrataandcavernsinthree-dimensionalspaceisakeyissue.Analysisofdevelopingspatialthree-dimensionalstratamodelwillmakeitpossibleforGIStobesuccessfullyappliedtogeotechnicalengineering.However，therearefewreferencesrelatedtothissubjectatpresent.BasedonatypicalslopeprojectinLongtanHydropowerStation，thetechniqueformodelconstructionofthree-dimensionalgridstratamodelwhichconsistsofmulti-variantinformationsuchasmonitoringfacilities，constructionmeasuresandfaults，isintroduced.Inaddition，somespatialanalysisalgorithmssuchasgenerationofsimplestratacross-section，intersectionbetweenstrataandthree-dimensionalobjects，hybridsectionalalgorithmbetweenstrataandcavern，spatialcalculationforareaandcapacityinarbitraryzonearediscussed.Theproposedtechnologywillgivesomeusefulreferencestothecontinuousresearchonthissubject.Keywords：geotechnicalengineering；numericalsimulation；geographicinformationsystem(GIS)；spatialanalysis1引言近年来，GIS及空间信息分析技术获得突飞猛进的发展，但是它的应用仅仅在少数领域比较成熟，如地图、制图与数据发行、城市与区域规划和地籍管理等，而GIS在许多其他领域的应用才刚刚起步。在岩土工程应用领域，国内外也出现一些大型分析第26卷第3期李邵军，等.岩土工程中基于栅格的三维地层建模及空间分析•533•软件，如MapInfo，ArcInfo，GeoSTAR，MapGIS和IMAGIS等，但它们的主要功能在于城市规划及区域地形地貌的三维模拟，国外也有少量的GIS软件能进行三维地层信息方面的分析和显示，如IVM，SGM，IDL，Surpac和Lynx等，但在几何建模、分析功能和交互功能上尚不能满足岩土工程的专业分析要求[1～5]。国内将GIS与岩土工程学科进行交叉研究，建立面向岩土地层特性的地层和硐室三维模型，并在此基础上开发适用于岩土工程特色的三维信息系统平台，这方面的工作已经在20世纪90年代开始起步，并取得一系列具有重要价值的研究成果[6～12]。然而，GIS能否有效解决岩土工程中的实际问题并获得广泛应用，在很大程度上取决于所开发的系统是否具有强大的三维空间分析功能，而不是仅仅停留于对工程场景的三维可视化模拟。在众多研究成果当中，却少有文献涉及如何实现基于地层模型的三维空间分析[13，14]。本文以工程实例为背景，结合作者多年的GIS技术开发经验，对面向岩土工程特色的包含多元信息的三维地层建模及其空间分析技术进行详细的探讨，希望相关的研究成果为该领域的后续工作提供一些有益的参考。2包含多元信息的三维地层建模这里提到的所谓“多元信息”是指岩土工程三维场景中的监测设施、工程措施、水位面、断层和典型建筑物等。2.1地层栅格模型对于构造三维数字地质模型的数据模型，比较典型的有三维栅格模型、TIN模型、八叉树体元模型及混合模型等。在三维栅格模型中，空间被规则地划分为栅格(通常是矩形)。栅格模型中的每个栅格对应于地层模型中每个层面的最小划分单元，其位置和形态是用其所占据栅格的行、列来定义的，每个栅格的大小代表地层建模的空间分辨率(建模精度)[13]。栅格模型中地层面的表达均是由格网分解而成的规则三角网组成，如图1所示。用于岩土工程三维场景地层建模的基础数据主要是根据工程地质等高线图、离散点信息、钻孔信息及利用剖面提取的虚拟钻孔信息。地层栅格模型图1地层面栅格模型的格网表达Fig.1Gridexpressionofastratumsurfacemodel其核心内容是取得某点的高程，由于离散点数据是有限的，要取得每个栅格单元关键点的坐标，通常需要进行插值处理。插值效果是影响地层生成的一个关键问题，常用的插值方法有最邻近点插值、距离倒数插值、样条函数插值以及Kriging插值等。2.2三维地层建模在三维地质建模中，通常假定自然界的地层是具有空间层状展布、互相交错形成的实体，大量的工程地质勘探资料表明，岩土层赋存在边坡中具有紧密相连、互层、层面交叉、自然尖灭和断层节理发育等特点，图2所示为边坡地层典型空间分布示意图。图2边坡地层典型空间分布示意图Fig.2Schematicdiagramofstrataspatialdistributionoftypicalslope由于格栅模型数据结构简单直观、空间数据的叠置和组合方便、便于实现各种空间分析，其数据量也可通过一定的手段进行较高效率的压缩，因此本文采用该数据模型对地层进行三维建模，建模过程分成以下3个步骤：划分地层、生成地层三维曲面和生成地层地裙。在生成地层前，首先需要根据钻孔信息对地层进行划分。对于众多钻孔，先统计钻孔最下一层岩土层属性的类型，通过对这种类型的综合分析，判IIIIIIIIV断层水位面•534•岩石力学与工程学报2007年钻孔A钻孔B(a)(b)断哪种类型将作为当前层进行分析。为此，单独将2个钻孔(钻孔A和B)的信息提出来进行比较，如图3所示。首先选择岩层属性中高度最小的钻孔作为当前钻孔层，利用这个钻孔的当前层来判断所有钻孔中属于当前层的层，并对该层进行标识。然后遍历所有钻孔，对每1个钻孔，判断寻找最下1个没有被引用的层，判断该层是否与当前层岩层属性一致，如果一致则标识为当前层。图3地质钻孔剖面比较Fig.3Comparisonofcross-sectionsofgeologicalboreholes在上述地层划分的基础上，对于多层地层面的建模问题，在算法上处理为多层数字等高模型的叠加生成。经过地层划分后，提取每一层的钻孔坐标(X，Y，Z)，通过离散点生成每一单层DEM(digitalelevationmodel)曲面的算法，在多层DEM的处理上采取自上至下生成的算法，空间曲面插值采用Kriging插值方法[13]。最终生成如图4所示的地层各层面三维曲面假想模型。图4地层各层面三维曲面假想模型Fig.4Three-dimensionalimagedcurved-surfacemodelforvariousstratasurfaces在上述基础上，由于每1个单元地层体都可视为由上、下层面和四周的界面围合而成的三维实体，在地层三维曲面模型中再进行地层层面间的缝合处理，即生成地层地裙。2.3地层中的实体地层中的监测设施、施工措施及典型建筑物等信息采用三维实体的表达方式。如图5所示，以三维实体的圆柱生成为例，给定1个顶点和1个半径及圆柱高度和圆柱剖分份数，首先近似地生成1个圆，再用近似的几个点向下平移一段距离(由给定的圆柱高度控制)，这样就可形成1个圆柱。同样在近似模拟中，就可生成采用3个点，4个点、5个点，形成相应的三角柱、四角柱、五角柱等。图5三维实体的圆柱生成示意图Fig.5Schematicdiagramofathree-dimensionalentitycylindergeneration2.4地层中的水位面、断层的三维表达地下水位作为岩土地质条件的一项重要内容，其三维面在空间的展布形态与地层面相似，水位面被视为1个没有厚度的三维曲面，在算法实现时根据离散水位观测孔监测获得的水位高程资料，通过控制Kriging插值方法，生成水位面的数字等高模型，然后叠加在地层模型中。断层赋存在地层中具有非常复杂的三维形态，断层厚度通常不能忽略，在处理断层时本文将其简化为带厚度的连续三维曲面的方式去表达。断层生成的基本要素是给定断层在空间的地理坐标、断层剖面及断层的走向线。3基于地层信息的三维空间分析3.1单纯地层剖面的生成在三维地层模型中，为求得任意两点间的竖直地层剖面，假想1个通过这空间两点之间的连线(PQ)形成1个竖直的平面，求算该平面和地层DEM进行相交。对每一层的DEM，将PQ按照DEM的精度分割为若干份，如图6(a)所示，在每一份中取得端点的Z值(求取DEM中任意点高程)，然后形成一系列的线段，连接后形成的曲线和DEM的形状保持一致。同样，对下一层的DEM，也可取得相应的曲线段；这样可得到相邻2个DEM层之间的曲线段，如图6(b)所示，将这2个曲线段的首尾2个点连接起来，形成1个区域，这个区域就是剖面区域。第26卷第3期李邵军，等.岩土工