公路地質(zhì)BIM建模原理與應(yīng)用初探

趙飛

摘要：傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察是以點(diǎn)和線勘察為主。為了建立地質(zhì)模型，則需對無勘察數(shù)據(jù)的區(qū)域進(jìn)行插值。通過多種插值方法的對比分析，發(fā)現(xiàn)克里金法插值效果與實際地質(zhì)趨勢最接近。但因?qū)嶋H地質(zhì)條件復(fù)雜，并不能完全依賴插值解決，應(yīng)通過不同的剖面繪制地質(zhì)分界線來補(bǔ)充勘察數(shù)據(jù)，剖面間用插值連接，生成三維地質(zhì)模型。地質(zhì)模型的應(yīng)用價值很多，如直觀反映地質(zhì)信息、計算工程量、結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化構(gòu)筑物設(shè)計等。

Abstract： Traditional geological survey mainly focuses on dot and line. In order to establish geological model， interpolation is necessary in the areas lacking data. By analyzing and comparing various interpolation methods， Kriging interpolation method matches perfectly with the actual geological condition. However， the actual geological condition tends to be complicated， so only interpolation is not enough. In order to gain 3D geological model， the geological data needs to be supplemented by geological profile and the interpolation connects separate profiles. The values of the 3D geological model are numerous， for example， it reflects geological information directly， calculates engineering load， analyzes structure and updates the design of structures and so on.

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);地質(zhì)勘察;三維地質(zhì)模型;克里金插值法

Key words： BIM technology;geological survey;3D geological model;Kriging interpolation method

中圖分類號：U412.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0173-03

0 ?引言

BIM（建筑信息模型）提出始于上世紀(jì)七十年代[1]，其基礎(chǔ)是工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)，利用數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)筑物所具有的真實信息[2]。近年來，BIM技術(shù)作為交通領(lǐng)域的一項重要技術(shù)手段已在相關(guān)工程中逐步展開，大多數(shù)設(shè)計院都開始利用BIM模型進(jìn)行展示匯報，部分開始進(jìn)行三維設(shè)計，三維分析和三維出圖等。

在公路的地質(zhì)勘察中，相比傳統(tǒng)的二維勘察存在信息傳遞不暢，地質(zhì)意圖表達(dá)不明確，資源調(diào)配不均勻，成果展示不直觀等問題。目前，基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模國內(nèi)外均未有完善的地質(zhì)建模軟件，其發(fā)展還處于初期階段，而且地質(zhì)數(shù)據(jù)多元化，建模要求不同，復(fù)雜地質(zhì)體（斷層、透鏡體、背斜、向斜、溶洞等）形狀多樣，并且不規(guī)則，建模難度較大[3]。但BIM技術(shù)讓地質(zhì)條件真實的數(shù)字化展現(xiàn)，地質(zhì)模型不僅僅是一個三維圖形，更重要的是具有地質(zhì)信息，讓地質(zhì)體具有了生命[4]。因此，研究三維地質(zhì)建模的原理及BIM技術(shù)在公路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用是十分必要的，也是地質(zhì)數(shù)據(jù)信息化的重難點(diǎn)。

1 ?建模理論原理

地質(zhì)體及地質(zhì)信息的表達(dá)即為三維地質(zhì)模型，地質(zhì)信息的來源是通過地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)勘探、試驗、物探等勘察手段，獲取的各種地質(zhì)信息匯總。利用軟件將地質(zhì)體的空間及地質(zhì)信息三維的表達(dá)即為三維地質(zhì)建模。

截至目前，關(guān)于三維地質(zhì)建模理論方法的研究已經(jīng)有七十年的歷程，地質(zhì)信息模型的空間數(shù)據(jù)格式也有二十種左右。有資料顯示，當(dāng)前采用最多的是依據(jù)鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)，輔助地質(zhì)調(diào)查資料建立三維地質(zhì)模型。其中最關(guān)鍵的內(nèi)容是利用點(diǎn)、線的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)面，但點(diǎn)和線是不能直接生成面，需要科學(xué)的空間插值[5]。

空間數(shù)據(jù)插值即為對一組已知的空間數(shù)據(jù)，根據(jù)某種函數(shù)關(guān)系式推求區(qū)域范圍內(nèi)其他任意位置的數(shù)據(jù)值，主要目標(biāo)是對不足或缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行估計。目前常見的空間插值算法有距離倒數(shù)加權(quán)插值算法、趨勢面插值法、泰森多邊形插值、移動平均法、三角網(wǎng)線性插值法及克里金插值法等，幾種插值算法的優(yōu)劣見表1[6]。

根據(jù)表1可知，克里金算法適用范圍最廣，最適合應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)模型的建立。克里金算法的命名來至南非金礦工程師丹尼·克里格（Danie G. Krige），以紀(jì)念其使用回歸方法對空間場進(jìn)行預(yù)測的開創(chuàng)性研究[7]。克里金法（Kriging）是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機(jī)過程/隨機(jī)場進(jìn)行空間建模和預(yù)測（插值）的回歸算法。在特定的隨機(jī)過程中，其能夠給出最優(yōu)線性無偏估計，因此在地統(tǒng)計學(xué)中也被稱為空間最優(yōu)無偏估計器（spatial BLUP）。

在三維坐標(biāo)系中，假設(shè)已知點(diǎn)（x0，y0，z0），插值目標(biāo)點(diǎn)（x*，y*）已知，z*值為需計算預(yù)估值，按公式（1）表示，其中λi為權(quán)重系數(shù)，Z（xi）為預(yù)估點(diǎn)附近的已知樣本，Z*（x）為預(yù)估z*值，把預(yù)估值問題轉(zhuǎn)化為求解權(quán)重系數(shù)，需滿足兩個穩(wěn)定條件式（2）和（3）。

通過以上克里金插值法，并用方差控制插值精度，可預(yù)估出三維地質(zhì)面構(gòu)建需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，解決地質(zhì)數(shù)據(jù)不足的問題[3]。

2 ?建模方法及應(yīng)用

2.1 實現(xiàn)方法

為了建立三維模型，必須先建立三維地面模型，一般采用已有的地形圖建立基礎(chǔ)地面模型，為了提高建模精度，可采用航測測量技術(shù)，生成高精度的地面模型，疊加衛(wèi)星影像或航空影像生成最終的三維地面模型。

如圖1，根據(jù)已有的地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立三維地質(zhì)面，利用面剪切體來生成地質(zhì)體，最終生成三維地質(zhì)模型。

2.2 三維地質(zhì)模型建立

目前，部分地質(zhì)軟件可根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)快速生成三維地質(zhì)模型，不需人為干預(yù)，其現(xiàn)實的基本原理是根據(jù)鉆孔地層分層數(shù)據(jù)，采用相鄰鉆孔數(shù)據(jù)通過插值算法連接實現(xiàn)[8]。該方法僅能適用于地形條件好，巖土體成層性好，地層簡單的工程，如東部沿海、平原、盆地等地帶。對于西部高山峽谷地帶，地層多樣，層面走向變化大，構(gòu)造復(fù)雜，在建立三維地質(zhì)模型時，應(yīng)人為的控制地層分界的走向和趨勢。其適應(yīng)性不夠，特別是不適用于地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。

為了解決自動生成地質(zhì)面的不足，建立三維地質(zhì)模型應(yīng)主要通過不同的剖面繪制地質(zhì)分界線，通過剖面控制地層的走向（如圖2），剖面之間通過克里金（kriging）插值方法連接，生成每層地層的地層面。最后通過地層面切割三維實體生成三維地質(zhì)模型（圖3）。

2.3 模型應(yīng)用

三維地質(zhì)模型不僅僅是一個模型，還含有豐富的地質(zhì)信息，包括地層巖性、地層年代、構(gòu)造信息、巖土體力學(xué)參數(shù)、工程量等多種數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，能體現(xiàn)其多方面的價值。三維地質(zhì)模型具有GIS信息，能與其他專業(yè)共享，與構(gòu)筑物融合，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計，在多方面體現(xiàn)模型的價值，列舉部分應(yīng)用如下。

①直觀反映地質(zhì)信息（如圖4），能讓地質(zhì)表達(dá)不再是一句話，一張二維圖，讓其更直觀立體，讓人站在地質(zhì)體內(nèi)觀察地質(zhì)情況。

②工程算量，傳統(tǒng)的工程量計算都是估算，特別是不規(guī)則體的計算，基本是先把不規(guī)則體近似簡化為規(guī)則的體，再計算其工程量，這是不能準(zhǔn)確的計算工程量，有時還會存在較大的誤差。現(xiàn)在每個地質(zhì)體均有準(zhǔn)確的體積（如圖5），能很準(zhǔn)確的計算出地質(zhì)體的工程量[9]。

③結(jié)構(gòu)分析，將三維模型文件直接存成MODEL文件，導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，模型含有豐富的物理力學(xué)參數(shù)（如圖6），利用參數(shù)進(jìn)行地質(zhì)體穩(wěn)定性、安全性分析，指導(dǎo)設(shè)計。

④施工模擬，將地質(zhì)模型按照施工順序切分成單獨(dú)的地質(zhì)體，可實現(xiàn)隧道開挖模擬，指導(dǎo)隧道的施工。

⑤優(yōu)化構(gòu)筑物設(shè)計，將三維地質(zhì)模型與橋梁、隧道等構(gòu)筑物疊合（如圖7和圖8），能很好的反映橋梁、隧道等構(gòu)筑物的地質(zhì)條件，特別是反映二則的關(guān)系，則可以優(yōu)化隧道支護(hù)設(shè)計及校核橋梁樁基設(shè)計等。

3 ?展望

三維地質(zhì)模型不僅是一個模型，將地質(zhì)數(shù)字化，讓其具有了生命，應(yīng)用價值廣泛，今后還將進(jìn)一步挖掘其在工程建設(shè)和運(yùn)維全生命周期的應(yīng)用。

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