巖土工程中基于柵格三維地層建模及空間分析

根據(jù)巖土介質(zhì)中復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象及其地層的層狀展鋪特性,建立了三維地層模型。三維地層信息系統(tǒng)在巖土工程中的重要作用就是數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能、復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象的可視化及分析功能。闡述了3dsis的功能和應(yīng)用,提出了3dsis與數(shù)值分析方法、專家系統(tǒng)耦合集成的模型。

緩沖區(qū)分析是二維gis空間分析的基本功能,但目前對(duì)三維gis中的緩沖體分析研究較少。該文對(duì)三維緩沖體分析的意義進(jìn)行了分析,并針對(duì)地質(zhì)應(yīng)用,根據(jù)生長(zhǎng)元是否向周圍均勻擴(kuò)散及擴(kuò)散周圍是否存在障礙物,對(duì)三維緩沖體的種類進(jìn)行了劃分。提出了有約束緩沖體的生成算法,討論了非均質(zhì)的緩沖體的生成算法。

本文介紹了gis三維地形建模技術(shù)的常用方法,利用arcgis平臺(tái)三維分析擴(kuò)展模塊建立一個(gè)三維地形模型。模型為該項(xiàng)巖土工程的建設(shè)提供了真實(shí)、客觀的可視化參考數(shù)據(jù),對(duì)本次巖土工程的建設(shè)起到了重要作用。

在巖土工程有限元數(shù)值模擬中,復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境使得建模困難,模型一般都被簡(jiǎn)化處理。其結(jié)果直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。借助地質(zhì)模型能最大程度地表達(dá)地質(zhì)實(shí)際的特點(diǎn),將地質(zhì)模型和數(shù)值模型相結(jié)合,提出一種新的巖土工程有限元建模方法——crm地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化法。其核心思想是將三維地質(zhì)模型經(jīng)過特定方式轉(zhuǎn)化為符合有限元網(wǎng)格要求的數(shù)值計(jì)算模型。具體轉(zhuǎn)化過程為:①根據(jù)計(jì)算范圍對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行區(qū)域切割;②從切割模型提取控制數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu);③對(duì)重構(gòu)模型按地層屬性自動(dòng)剖分有限元網(wǎng)格;④將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值分析系統(tǒng)完成建模。通過編程實(shí)現(xiàn)與實(shí)例驗(yàn)證,這種方法能準(zhǔn)確生成復(fù)雜模型網(wǎng)格,整體建模速度快,自動(dòng)化程度高,且能方便地模擬開挖過程,并可為不同的數(shù)值分析系統(tǒng)使用,極大地提高了前處理工作的效率。

針對(duì)于地表以下地質(zhì)空間的研究,三維地質(zhì)模型是一個(gè)可以有效、直接的研究方法。本文從鉆孔、剖面和散點(diǎn)三個(gè)角度對(duì)地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行理論和構(gòu)建方面的闡述,伴隨著三維gis技術(shù)的發(fā)展,為地質(zhì)空間三維動(dòng)態(tài)模型的深入提供了更廣闊的前景。

地質(zhì)剖面圖或籬柵圖是地質(zhì)勘探人員了解描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)手段之一。該文實(shí)現(xiàn)了從三維地質(zhì)模型中提取任意剖面圖的基礎(chǔ)算法,即三維tin與tin相交算法。該算法作為許多商業(yè)圖形軟件的核心算法,屬于商業(yè)秘密。該文詳細(xì)論述了該算法原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算流程等。該算法作為實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維巖土工程系統(tǒng)的一部分,既能靈活的設(shè)定曲面形狀與方向,又能夠顧及到復(fù)雜的約束條件。最后針對(duì)具體的工程實(shí)例檢驗(yàn)了算法的正確性和應(yīng)用價(jià)值。

基于距離的分析是gis中的一項(xiàng)基本空間分析功能,目前該分析主要是基于二維的,對(duì)三維空間的距離分析研究則較少。對(duì)基于三維柵格的距離分析進(jìn)行了研究,提出了基于三維柵格的最短距離算法,并把該算法應(yīng)用于非均質(zhì)的三維緩沖體的生成。

巖土工程本身的復(fù)雜性使巖土工程的三維模型分析結(jié)果與實(shí)際有一定的誤差。利用已有的工程反饋資料,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行反演分析。修正易調(diào)整的誤差因素,來彌補(bǔ)不易調(diào)整的誤差因素,將模型計(jì)算結(jié)果的最終誤差降到最小。將得到的反演參數(shù)用于下一階段的模型分析,由此獲得的三維計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)值。

激光掃描測(cè)繪技術(shù)作為新技術(shù)的一種被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域之中,它能夠通過目標(biāo)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)得到完整全面的外觀,且重建精度較高,通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的快速訪問構(gòu)建出三維數(shù)據(jù)的采集模型.本文將對(duì)三維激光掃面技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用以及自動(dòng)建模方法進(jìn)行分析.

地質(zhì)問題本身的復(fù)雜性,使得三維地質(zhì)建模成為制約巖土工程數(shù)值模擬發(fā)展的障礙之一。充分利用工程地質(zhì)勘察的基本資料,根據(jù)所研究地質(zhì)對(duì)象的空間形態(tài)和相互關(guān)系,以autocad為平臺(tái),借助autolisp二次開發(fā)技術(shù),進(jìn)行autocad三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。探討了建模過程中關(guān)于地表、地層以及軟弱帶等模擬的方法以及奇異單元的優(yōu)化處理技術(shù)。最后,將此建模方法應(yīng)用到實(shí)際工程中。結(jié)果表明,所建立的模型基本上保存了原地質(zhì)體的信息,在網(wǎng)格規(guī)模一定時(shí)充分利用了地質(zhì)體的控制信息,避免了建模過程中不必要的簡(jiǎn)化所造成的失真。

文中針對(duì)導(dǎo)航及地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的二維巖土工程勘察圖紙已不能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)信息處理提供大量、簡(jiǎn)捷和直觀的巖土勘察信息的問題,提出了三維建模技術(shù)和可視化技術(shù).該技術(shù)在分析和測(cè)量大量的勘察資料的基礎(chǔ)上,運(yùn)用三維立體建模和可視化編程軟件技術(shù),實(shí)現(xiàn)了巖土勘察地形的立體空間模型,并在可視化技術(shù)下,該場(chǎng)景真實(shí)逼真,該模型的提出為巖土勘察工程提供了重要的參考價(jià)值,且在未來的發(fā)展中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展,三維可視化技術(shù)已經(jīng)逐漸被運(yùn)用在眾多領(lǐng)域工程建設(shè)中.三維技術(shù)是將空間數(shù)據(jù)信息通過計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)化為三維圖形,并且能對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效與直觀處理的高科技技術(shù),在建筑施工巖土工程中廣泛的被運(yùn)用起來.本文就巖土工程中的三維可視化技術(shù)特點(diǎn)與技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析,指出三維可視化技術(shù)在巖土工程中的具體作用.

通過對(duì)一段時(shí)間開發(fā)工作的總結(jié),提出實(shí)現(xiàn)三維巖土工程平臺(tái)的整體思路。并將開發(fā)出的地質(zhì)模型自動(dòng)生成、道路邊坡建模、基坑建模及計(jì)算等功能結(jié)合應(yīng)用實(shí)例加以介紹。

基于三維地質(zhì)模型的巖土工程數(shù)字化的應(yīng)用,成為我國(guó)巖土工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。巖土工程的三維地質(zhì)建模和可視化分析研究,提高了巖土工程的信息化管理水平,在巖土工程領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)巖土工程三維地質(zhì)模型建模和可視化分析的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,結(jié)合巖土工程基坑開挖施工的實(shí)際情況,提出了基坑開挖體的三維地質(zhì)模型的建模方法,并對(duì)巖土工程基坑開挖體的三維地質(zhì)建模的可視化分析方法進(jìn)行了研究。

建立三維的土層模型是開展巖土工程數(shù)字化基礎(chǔ)工作之一.文章介紹運(yùn)用柵格法在基于鉆孔數(shù)據(jù)情況下構(gòu)建土層三維模型.該方法能夠在建模中簡(jiǎn)單通過柵格層之間的運(yùn)算關(guān)系處理土層之間拓?fù)潢P(guān)系,能夠大大減少拓?fù)潢P(guān)系處理的計(jì)算量.在此以杭州地震小區(qū)劃項(xiàng)目中江北區(qū)三維建模工作為例,驗(yàn)證了該方法能有效滿足工程需要.

三維地質(zhì)模型主要通過剖面構(gòu)造·自動(dòng)建模方法要求這些剖面基本平行,并且相鄰剖面地質(zhì)體的差別不能過大·本文針對(duì)剖面數(shù)據(jù)較少且不平行的情形,設(shè)計(jì)了人機(jī)交互的三維地質(zhì)模型構(gòu)造方法,利用普通多面體柵格化算法和由marchingcubes算法得到的光柵矢量化,實(shí)現(xiàn)了光柵和矢量模型的相互轉(zhuǎn)換·在保證模型間拓?fù)湔_的基礎(chǔ)上,提高了地質(zhì)模型的編輯效率,并在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)·

由于地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、賦存環(huán)境的隱蔽性和工程作用多變性的特點(diǎn),給地質(zhì)信息描述和工程分析造成了許多困難。本文主要就三維巖土工程模型構(gòu)造方法進(jìn)行分析探討,從自然地質(zhì)對(duì)象和人工對(duì)象建模兩種方法進(jìn)行描述,對(duì)于復(fù)雜地層中基坑開挖分析建立在三維可視化具有一定幫助。

巖體工程本身可靠性、材料參數(shù)選擇與分類、工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、災(zāi)變問題、工程邊坡與地下工程穩(wěn)定性、工程管理和數(shù)值計(jì)算等領(lǐng)域均大量涉及到模糊分析理論的應(yīng)用,通過應(yīng)用為工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐服務(wù),在嘗試與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中不斷推進(jìn)模糊分析理論的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)的日益顯著以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市空間也變得越來越擁擠。為了解決城市空間的問題，擴(kuò)大人們活動(dòng)的空間，充分利用地下空間，實(shí)施巖土工程開發(fā)是一個(gè)有效的解決方法。工程地質(zhì)是巖土工程開發(fā)過程中的難點(diǎn)，科學(xué)合理地分析工程地質(zhì)是提高地下空間巖土工程開發(fā)質(zhì)量的有效途徑。本文將立足于地下空間巖土工程開發(fā)的實(shí)際，分析地下空間巖土開發(fā)過程中的工程地質(zhì)問題，進(jìn)而闡述地下空間巖土開發(fā)工程地質(zhì)勘測(cè)的新思路，希望能給施工單位帶來一定的啟示。

計(jì)算機(jī)技術(shù)在勘察領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,近年來隨著信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息科學(xué)、三維巖土工程建模和三維工程分析技術(shù)的發(fā)展,興起的三維巖土工程勘察信息技術(shù),更是受到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。它能夠?qū)Ω鞣N原始數(shù)據(jù)、圖像、圖件、文字報(bào)告進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)管理,并在此基礎(chǔ)上生成二維地質(zhì)剖面圖、三維地質(zhì)模型等,提高了數(shù)據(jù)可視化程度,直觀形象地表達(dá)了構(gòu)筑物及區(qū)域地質(zhì)單元的空間展布規(guī)律,實(shí)現(xiàn)工程智能決策,以充分挖掘工程信息的價(jià)值。本系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)利用導(dǎo)入鉆孔進(jìn)行三維建模并且手動(dòng)調(diào)整尖滅比例設(shè)置；利用層面的下沉方式對(duì)地層進(jìn)行解譯,解譯過程支持人機(jī)交互控制層面,通過對(duì)建模參數(shù)設(shè)置控制模型的精度、范圍及插值效果,最終自動(dòng)生成地質(zhì)體,實(shí)現(xiàn)三維分析應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)與剖面圖轉(zhuǎn)cad圖。

三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立對(duì)于工程設(shè)計(jì)和決策具有十分重要的意義。由于其幾何形態(tài)的復(fù)雜性,這也是三維地學(xué)信息可視化的一個(gè)難點(diǎn)。在詳細(xì)介紹了在建模過程中經(jīng)常需要解決的主要技術(shù)難點(diǎn),包括tin不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線性八叉樹碼、三維圖形消隱技術(shù)和交互切割技術(shù)。最后結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例,建立了某礦的地形表面模型、主要巖層模型和礦體模型,并在工程設(shè)計(jì)、支護(hù)方案決策、采掘計(jì)劃編制中得到了很好的應(yīng)用。

地層面的建立是三維地質(zhì)建模的核心,合理的插值方法對(duì)地層面的構(gòu)建具有重要的影響。本文應(yīng)用離散光滑插值方法來構(gòu)建地層面,并建立了三維地質(zhì)模型。通過一個(gè)工程建模實(shí)例,詳細(xì)地闡述了基于dsi插值的三維地質(zhì)模型構(gòu)建的關(guān)鍵問題。利用專家知識(shí)系統(tǒng)并基于cad開發(fā)前處理程序?qū)υ嫉刭|(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。