三維建模技術在地質災害勘查中的應用

馮 馳，談德富，方 權

（1.重慶市地勘局107 地質隊地質環境勘查院，重慶 401120；2.重慶一零七市政建設工程有限公司，重慶 401120）

在地質勘查工作中，需建立健全完善的地質體三維可視化以及分析系統，通過對地質體信息進行三維仿真分析，可詳細展現出地質勘查成果，為地質信息分析提供便利。隨著計算機技術、硬件的快速發展，在地質體三維建模以及可視化分析過程中，可聯合應用三維仿真技術、計算機圖形學、數字地質以及計算機軟件等創建三維地質模型，為地質構造以及礦產資源分布形式分析提供參考。因此，亟需對地質災害勘查中三維建模技術的應用方式進行深入研究[1]。

1 三維地質建模技術概述

三維地質模型是由信息分析、數據分析作為基礎的學科類型，通過創建地質結構模型，將各項信息以及解釋結果進行有效結合。在地質勘查中，通過應用三維地質建模技術，能夠對各項勘查作業產生輔助作用，可為地質結構分析提供參考。在地質勘查中，利用勘查技術獲得大量勘查數據，在據此創建地質結構三維模型，便于勘查人員全面了解勘查區域地質實際情況，有利于對各項數據信息進行搜集和整理分析。與以往的地質勘查工作模式相比，通過將三維建模技術應用于地質勘查工作中，能夠有效提高勘查效率，同時降低地質勘查所需成本。

2 BlM+GlS技術在地質災害勘查中的應用

2.1 GIS 技術的應用要點

（1）數據采集與儲存。在地質工程勘查中，數據采集和存儲為十分重要的環節，在數據存儲中，一般只需對基本的原始數據進行采集和存儲，對于派生數據無需存儲，能夠有效減少數據冗余度。在地質災害勘查中，可利用GIS 技術對地質災害勘查區域地質地形條件進行全面掃描，進而對地質災害區域地面地質條件進行實地勘查，光燦采集地形地貌數據、巖土性質、環境降雨情況等，在勘查過程中可搜集大量數據信息、文字、照片等資料，對于各類勘查數據進行整理、篩選以及輸入，再利用GIS 軟件對所輸入的數據進行存儲和管理，通過多次重復收集數據，并對勘查數據進行更新以及修正處理，即可創建完善的數據庫系統。

（2）數據空間查詢與分析。在對地質災害高發區域進行數據采集以及分析處理時，首先需進行實地勘查，做好相應的防范措施，再利用GIS 技術，采集勘查區域的各項信息數據，對地質災害影響因素進行分析，并創建綜合數據庫。

（3）數據輸出與建模。在GIS 技術中，具有數據編輯功能、數據選取功能以及數據處理功能，通過利用可視化操作形式，以及數據庫數據信息，即可繪制地質災害體二維圖像以及三維圖像。GIS 技術具有專題圖制作功能、地圖編輯功能以及打印輸出功能等，對于輸出結果，可應用于BIM 三維模型創建中，對地質災害體進行可視化模擬分析。

2.2 BIM 技術特性

（1）可視性。BIM 技術具有可視化特征，對于地質勘查所得數據資料，可以三維形式展現出出來。通過利用BIM 技術創建地質結構三維模型，便于對地質災害體進行全面細致的分析，進而全面了解地質災害實際情況以及各類影響因素。

（2）模擬性。BIM技術具有模擬性特征，在地質災害勘查和建模分析中，可進行模擬分析，對地質災害發生過程進行可視化模擬。

（3）優化性。利用BIM技術，可對地質災害三維模型進行優化處理。

（4）可出圖性。在利用BIM 技術對地質災害進行模擬分析后，可將所創建的模型導出形成層圖紙，便于后續分析和使用。

2.3 BIM 與GIS 相結合

在地質勘查中聯合應用GIS 技術與BIM 技術創建地質結構三維模型，首先利用GIS 技術采集勘查區域各項數據，并進行存儲、管理、運算、分析以及描述，然后再利用BIM 技術創建地質災害體模型。最后，利用3DSMax 軟件、Lumion 軟件等，對虛擬數據進行動態模擬以及渲染處理。

3 工程概況

圖1 危巖體結構特征概化圖

圖2 危巖體岸坡結構圖

在某水庫工程運行管理中，對水庫工程周邊環境進行地質勘查，在水庫內發現危巖體，體積較大，而危巖體結構穩定性對于水庫運行安全的影響較大。根據初步勘查分析發現，該危巖體體積大，在地質勘查中，很難了解結構面空間形態特征、形成機制以及穩定性，對此，為了對危巖體結構穩定性進行分析，需獲其危巖體結構的基本特征數據，傳統的勘查方式無法滿足上述要求。對此，在該水庫工程內部危巖體進行勘查時，采用BMGeoModelerS 進行建模分析，即可詳細了解危巖體結構面特征數據，進而為危巖體穩定性評價分析提供可靠的參考依據。本文根據該危巖體總體潛在順層滑動特征，在分析計算中為指定滑動面，利用GIS 技術獲取危巖體各項數據，據此對危巖體結構穩定性進行評價分析。根據現場勘查，該危巖體處于區域活動斷層附近位置，因此危巖體的形成與該活動斷層密切相關，勘查區域地質構造強烈，危巖體受到4 條斷層切割影響，形態特征比較復雜，如圖1所示。另外，岸坡結構總體為前緩后陡形式，如圖2 所示。

該危巖體分區特征如圖3 所示，通過對圖3 進行分析可見：I 區地層結構平緩，下滑力有限，因此不會造成整體滑移動，屬于該危巖體阻滑段；II 區為該危巖體的推移段，而I 區能夠對其產生阻隔作用，因此可單獨發生滑動；該危巖體潛在最危險底滑面處于燈影組下段地層中，共受12 條層間剪切帶影響，各條層間剪切帶的形狀差異比較大。通過勘查分析發現，τN3-1、τN4-2、τN7-1 剪切帶的性狀比較差，三者相互組合，即可形成連續滑動面，如圖4 所示。

圖3 危巖體分區及邊界特征圖

圖4 危巖體滑移模式概化圖

4 BlM+GlS在危巖體勘查和穩定性分析中的應用

（1）BIM 模型建立。在本次地質勘查中，對于危巖體三維模型，采用BMGeoModeler 平臺進行創建，能夠根據地質體特征進行設計分析。該危巖體結構形式復雜，共有14 條層間剪切帶，通過采用三維建模分析方式，能夠對各條剪切帶與斷層之間的關系進行詳細分析，如圖5所示，據此對危巖體失穩形式進行分析，進而為危巖體穩定性評價分析提供可靠依據。

圖5 危巖體BIM 模型

（2）BIM 模型轉GIS 柵格。BMGeoModeler 平臺具有數據轉換功能，在本次地質勘查分析中，需對各個剪切帶之間的關系以及剪切帶形狀特征進行分析，根據綜合性分析，τN3-1+τN7-1 作為底面剪切滑動的可能性比較大，因此，危巖體潛在底滑面是由τN3-1、τN7-1、覆蓋層底面、側緣F6 邊界、側緣F191 邊界所形成的，可將其轉換為等值線數據，并且導入至GIS 中，即可形成柵格數據。

（3）三維穩定性計算。依據滑坡二維剛體極限平衡理論，在危巖體三維空間的基礎上，可將二維理論模型轉變為危巖體三維模型，安全系數計算方式如公式（1）所示：

在上述公式中，F 為三維安全系數；J、I 分別為滑體范圍內柱體單元的行列數；c 為黏聚力；A 為主體底面積；W 為柱體的質量；θ 為滑面的法線方向角；為內摩擦角。

在根據地質工程勘查獲得地形數據以及滑面柵格數據后，即可利用GIS 的數據提取以及分析功能，為危巖體三維模型創建分析提供所需數據資料。首先，確定危巖體結構潛在滑動主方向，然后在該方向以及滑動方向的垂直方向，將5m×5m 密布網格作為提取柵格數據的網格單元，在該危巖體中，共需劃分165個滑動方向上的列方向，而對于各列方向，還需劃分58 ～236個行方向，因此，共劃分出26424 個網格單元。

5 結語

綜上所述，本文主要對BIM 技術聯合GIS 技術，在地質災害勘查分析中的應用方式進行了詳細探究，選擇某危巖體作為勘查對象，利用BIM 技術對該危巖體地層結構以及構造特征進行計算分析和展示，并創建危巖體三維模型，根據模型分析轉換出關鍵地質數據，據此對危巖體結構穩定性進行計算，對于計算結果，可應用于危巖體穩定性評價分析中。由此可見，在地質災害勘查中，應加強三維建模技術的應用，對地質災害體進行可視化模擬分析，為地質災害評價分析以及防治工作提供可靠依據。