城市地下管廊地質模型的三維化建立

劉保東

摘要：城市地下管廊所處的地質空間對于管廊全過程建設有重要的影響作用，尤其是在地質勘查階段，因此管廊地質數據模型的研究十分必要。為了有效地展示綜合管廊地質空間的現場狀況和工程信息，本文以南寧市地下綜合管廊建設項目為例，通過分析管廊地層狀況，進行了三維多層DEM建模和地質劃分，研究出了地下管廊地質模型的三維化建立，為管廊建設前期的勘察目的提供了科學參考依據。

Abstract： The geological space where the urban underground pipe gallery is located has an important influence on the whole process of the pipe gallery construction， especially in the geological exploration stage. Therefore， the study of the geological data model of the pipe gallery is very necessary. In order to effectively display the on-site condition and engineering information of the integrated geological space of the pipe gallery， this paper takes the Nanning underground comprehensive pipe gallery construction project as an example. Through the analysis of the condition of the pipe gallery stratum， the three-dimensional multi-layer DEM modeling and geological division are carried out. The three-dimensional establishment of the underground pipe gallery geological model provides a scientific reference for the exploration purpose of the pipe gallery construction.

關鍵詞：地下管廊;地質模型;三維多層DEM建模

Key words： underground pipe gallery;geological model;three-dimensional multi-layer DEM modeling

中圖分類號：TU990.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0252-03

0 ?引言

城市地下管廊所處的地質空間對于管廊全過程建設有重要的影響作用，尤其是在地質勘查階段，因此管廊地質數據的研究十分必要[1]。目前，大多數工程以二維數據形式來表達勘查得到的數據，而地下管廊建設極其復雜，這種形式對專業水平要求高，不利于查詢管廊工程信息[2]。相比之下，作為可視化高的三維地質模型，能有效地展示地質空間的現場狀況和工程信息[3]，因此，地質模型的三維可視化成為地下管廊建設需要攻關的一項技術，通過三維可視化手段，可將空間信息管理、空間分析和預測、實體內容分析等工具結合起來，應用于地質分析，達到管廊建設前期的勘察目的[4]。

本文以廣西省南寧市地下綜合管廊建設項目為例，根據該項目的綜合管廊建設管理系統的要求，研究了主要包含地質數據的城市地下管廊的三維模型。

1 ?地層特點分析

在眾多的復雜地質類型中，地層是最為重要的一種。本項目地下管廊所處地質環境復雜。主要特點是地層之間的聯系復雜且存在交叉，并且是一個被地層面分割的空間實體。據饒嘉誼等[5]的研究發現，地層一般是毫無規律且不能用數學表達式表達的曲面。本文采用和數字高程模型相似的方法來代表底層的界面。

2 ?三維多層DEM建模

本項目模型建立的數學基礎：平面坐標系采用國家2000坐標系;地圖投影以高斯——克呂格投影為主（按3度分帶;中央子午線為108度）;高程基準采用1985年國家高程基準。

一般來說，以巖（土）性為僅有的劃分依據是三維地層模型的基礎。本文的數據基本來源于各個觀測點的觀測數據，數據包括各點的X，Y坐標、巖性以及高程值等等[6]。本文經過對資料的分析，選用了多層DEM建模的基本操作思路。首先對各個巖層和土層按照DEM的思路進行插值或者擬合，得到每個巖層的DEM。同時，獲得的DEM模型都能和基本的參照系中的X、Y、Z一一對應。最后，對整個項目的地層進行交叉劃分成三維地層模型，主要依據為巖層或者土層的屬性。

3 ?地層劃分

在對地層進行三維建模時，最復雜的問題在于考慮到巖土各地層之間的復雜交叉、巖土分布的不均勻性、不連續性等特質之后如何對項目地層進行劃分。

本文是建立在項目當地適用的地質理論之上，采用相應觀測點的觀測數據、地震資料等相結合，以此判定項目地層的分布[7]。本文基于多層DEM模型建立了一個全面的三維地層模型。

地層劃分步驟如圖2所示。

4 ?三維地層的建模

據資料顯示，地層相關信息往往是通過地形圖、鉆孔柱狀圖等等來展示的。深入研究項目地層的地形圖等資料，就可對項目本身的地層分布有一個大概的了解。而在平面上繪制剖面不直觀，因此，需要進行地層數據三維可視化的建設工作。

三維建模過程首先是要得到內部數據，這是關鍵一步。內部數據的主要獲取方式是鉆孔數據。但這不是簡單的鉆孔數據，而是經過一系列加密、分層的操作后得到頂點數據。接下來對地層進行細化、映射等操作，即可得到每個地層的DEM模型值。然后，裁剪交叉地層，對裁剪后的地層構建各層間體元，以此得到所需完整數據。此時的數據仍然不能直接讀取，還需要經過三維透視轉換等操作才能直接讀取，從而直觀地為地質觀察者提供信息。

整個建模流程如圖3所示。

5 ?三維地質建模展示

本項目基于BIM技術開發的綜合管廊建設管理系統內嵌有三維地質建模展示子系統，該系統針對地質數據的模型三維化開發了如下功能：

建模功能：引入實際鉆孔數據進行地質建模。

地層剖切功能：主要用來顯示使用一個特定的平面剖切來建立的三維地層模型時的剖面圖。這個功能能隨時調出剖面圖。

地層模型的信息查詢功能：展示系統里最基本的功能就是模型數據的展示。通過鼠標點選感興趣的區域進行查看，得到選擇的物體后，可以查看巖性、巖層說明、深度厚度等，甚至鉆孔的真實圖片。

6 ?總結

地質數據作為城市地下綜合管廊建設過程重要信息，其三維模型能有效地展示地下管廊地質空間的現場狀況和工程信息。通過三維可視化手段，可將空間信息管理、空間分析和預測、實體內容分析等工具結合起來，應用于地質分析，達到管廊建設前期的勘察目的，實現城市地下綜合管廊地質環境的可視化。

參考文獻：

[1]黃迪.基于BIM的三維地質建模集成化研究[D].蘭州大學，2019.

[2]宋利.城市地下綜合管廊的發展現狀及改進[J].建材與裝飾，2017（06）：104-105.

[3]李青元，張洛宜，曹代勇，等.三維地質建模的用途、現狀、問題、趨勢與建議[J].地質與勘探，2016，52（4）：759-767.

[4]魏永勇.多層DEM建模及其在地層可視化中的應用研究[J].工礦自動化，2011，37（01）：9-13.

[5]饒嘉誼，楊遠豐.基于BIM的三維地質模型與樁長校核應用[J].土木建筑工程信息技術，2017，9（03）：38-42.

[6]明鏡.三維地質建模技術研究[J].地理與地理信息科學，2011，27（04）：14-18，56.

[7]張芳.場框架下的城市地下空間三維數據模型及相關算法研究[D].上海：同濟大學，2006.