CnGIM_ma三維建模軟件在工程勘察中的應用研究

朱信波 劉培培 趙明華

摘要：水電工程勘察中，傳統的二維數據分析方法效率低、局限性強，不能滿足現今社會發展要求。為應用三維地質模型技術實現地質信息從二維空間到三維空間的變革，解決傳統二維數據分析方法的不足，以具體水電站工程可研階段勘察為例，基于CnGIM_ma建模軟件，以地質剖面、物探剖面、鉆孔、平硐數據為基礎，開展了三維地質模型建立及應用研究。結果表明：利用三維地質模型技術可以提高原始數據處理的效率及準確性，快速、及時地呈現地質信息并進行綜合分析評價，為三維設計提供技術支撐，具有重要的實際應用價值。

關鍵詞：CnGIM_ma; 三維模型; 工程勘察; 水電工程

中圖法分類號：P208 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.012

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0074 - 05

0 引 言

水電工程地質勘察工作具有研究范圍廣、涉及學科領域多、勘察工作量大且周期長、采用的方法和手段需要有針對性等特點。因此，勘察技術方法的選擇與勘察工作效率和成果質量的關系十分密切。

2004年以前，中國水電工程勘察以傳統的二維數據分析為主，工程投入大量人力、物力進行原始數據的統計及圖紙繪制工作，錯誤率高、效率低。2004年以后，隨著計算機技術高速發展，中國水電工程逐步向三維協同設計轉型，這為工程地質勘察工作提出了更高的要求。隨著中國工程建設的發展，工程勘察信息交流的速度越來越快，迫切需要一種方便的手段作為勘察信息處理與運用的高效率載體，而三維地質建模技術能較好地滿足上述需求[1-3]。

三維地質建模技術是地理信息系統的分支之一，是主要反映地下信息的一種技術手段。發達國家從 20 世紀 70 年代開始發展三維地質建模軟件，在 90 年代有穩定的產品問世，并不斷發展、成熟[4]。目前，國內外比較流行的三維地質模型軟件有GoCAD[5]，CATIA[6]，Earth Vision[7-9]等。而國產三維地質建模軟件經過近 20 a的研究、探索與產業化，在最近總體達到可用的水平，能夠滿足大多數用戶的日常工作需求，如MapGIS[10]，3DMine[11]，CnGIM_ma等。

基于CnGIM_ma建模軟件，以原始數據信息為基礎，構建數據庫并建立了三維地質模型。利用三維地質模型技術快速、及時地呈現地質信息成果，并對地質信息進行綜合分析評價，提高了數據處理效率及準確性，為工程三維設計提供了技術支撐。

1 CnGIM_ma軟件功能及操作流程

1.1 系統簡介

CnGIM_ma是加華地學（武漢）數字技術有限公司開發的一款面向勘察、巖土專業的大型平臺型軟件，服務于地質三維建模、分析和巖土工程輔助設計。

軟件在Windows操作系統下運行，支持Windows 2000，Windows XP，Windows Vista，Windows 7，Windows 8，Windows 10 等版本。運行環境需要NET framework V4.0 及以上版本的支持。

一般臺式電腦和筆記本電腦都可以滿足該程序的安裝和運行要求。建議的配置為：處理器Intel 或 AMD 雙核以上，主頻2.4G Hz以上;內存4 GB 以上;硬盤存儲空間256 GB 以上;顯卡建議為ATI RadeonTM 或 GeForce GTX590。

軟件系統包含前端數據采集與數據庫、建模與數據處理、應用與成果輸出三大功能模塊。

數據庫對應于日常工作中勘察資料的采集、保存、業內整理，支持離線、服務器、云服務器等多種數據管理方式，是實現工程前后協同工作的紐帶。建模與數據處理是引入三維工作模式后的一個中轉平臺，其作用是將勘察資料轉化成包括地質邊界和巖土力學特性的“含屬性地質三維模型”。應用與成果輸出對應于日常工作特定問題的分析評價和工程設計，以及不同專業之間協作所需要的數據交互。

1.2 操作流程

（1） 創建數據庫。步驟：啟動數據庫程序→連接數據庫→創建工程→創建工程階段、部位→模板配置→數據錄入或導入→數據檢查→數據處理和輸出。具體操作流程如圖2所示。

（2） 創建三維地質模型。步驟：通過數據庫導入地質信息→測試解譯→利用封裝模塊進行地質界面建模→通過輔助剖面、虛擬鉆孔對模型進行調整→地質體填充→對地質體進行分析→數據處理和輸出。三維地質模型建模模塊如圖3所示。

2 水電工程三維地質模型建立與成果應用

2.1 模型建立

以具體水電工程可研階段勘察為例，通過1.2節操作流程將離散數據分門別類依次輸入數據庫內，包括地形圖、地質圖、鉆孔、平硐、地質剖面、地震數據、等深圖、物探數據、化探數據、工程勘察數據、水文監測數據及各類原位試驗數據等，創建該水電工程可研階段數據庫（圖4）。

將數據庫野外勘察數據及工程區地表點云數據導入CnGIM_ma建模軟件，將地表信息設置精確約束，基于離散光滑插值技術（DSI），通過封裝模塊建模工具逐步擬合，建立地表面。依據地質年代由新到老、由上到下的次序，對鉆孔揭露不同地層或巖性界面、地表出露跡線、產狀等數據作為精確約束進行擬合，通過封裝模塊建模工具進行三維地質地層界面的建模，分別建立各自相應的三維曲面地質模型。通過物探剖面、虛擬鉆孔[12]對各界面進行調整，建立地質體，形成三維地質模型（圖5） 。

2.2 成果應用

2.2.1 離散數據整合分析

水電工程勘察周期長，數據信息量大、種類多，具離散性，人工統計工作繁瑣、工作量大、信息容易遺漏。通過數據庫的統計功能可快速、全面、分區域針對性地對所需數據進行統計整合，并通過三維模型直觀展示出來，大大提高數據分析效率和準確度[13]。

通過數據庫界面依次選擇結構面統計圖→工程、工程部位、工程階段→鉆孔、平硐→查詢→全選鉆孔、平硐→節理裂隙→出圖（圖6）。數據庫自動處理形成等密線圖（圖7），選擇優勢組第1組并框選，導出至三維，可在三維界面展示出來（圖8）。通過勘探解譯（圖9），對同組結構面進行分析和屬性比對，將同條斷層歸類并重命名，從而達到將離散數據整合分析的目的。

2.2.2 模型展示與測量計算

圖10為該水電站壩址區CnGIM_ma 三維地質模型的截圖，展示了三維模型在主要建筑物和主要斷層空間關系方面的應用，兩岸斷層與地下廠房、泄洪洞之間的空間關系等可以得到清晰和準確的展示，在施工過程中做到提前預知預報。

圖11為該水電站導流明渠邊坡CnGIM_ma三維地質模型的截圖，展示了三維模型在主要結構面和坡面空間關系方面的應用;其中，斷層切割情況可以得到清晰和準確的展示，同時，利用三維模型可以測算切割深度與方量[14]，為設計方案的布置提供數據支撐。

2.2.3 二維出圖

二維出圖是工程地質勘察生產中關心的主要問題之一，中國對于利用三維地質模型自動生成標準地質剖面圖進行了大量的研究[15]。在CnGIM_ma三維模型上直接切圖，過程非常快捷，一般在數十秒至數分鐘內即可完成，遠低于手工的數日乃至十余日的耗時; 切圖的精度和三維空間的協調性可以得到保證（不需要人工校對相交剖面的地質內容），大大提高了工作效率。圖12～13為CnGIM_ma三維模型切剖面的流程與效果展示。

3 三維模型技術在工程勘察中的應用優勢

通過該系統數據庫的建立與三維地質模型的應用，勘察工作效率和成果質量得到了以下提升。

（1） 數據庫可實現數據的可視化、共享和整合管理，提高了數據分析效率和準確度。

（2） 三維地質模型可直觀還原現場地質情況、模擬地質體幾何形態與空間關系，進行多維度分析。通過對三維地質模型的剝離、選擇、提取等操作，表現三維模型的局部特征，便于觀察和掌握不同層面、不同構造、不同細節地質數據的空間分布及其變化規律，地質學者可以很容易地觀察地質模型內部的地質構造形態及其內部結構，并進行各種測量、計算、統計和分析，實現地質勘察的清晰化、可視化、精密化。

（3） 利用三維地質模型全面解譯和直接生成任意剖面的功能，能夠快速、批量出圖，避免了二維剖面之間的不一致性，提高了勘察精度，并能靈活方便地制作鉆孔柱狀圖、三維模型圖、2D剖面圖，提高了工作效率。

4 結 論

（1） 應用實例表明，利用三維地質模型技術，可以把空間分布的離散、不均勻的地質信息變成連續、可視、形象直觀的三維地質模型，提高數據分析效率和準確性。

（2） 運用三維地質模型的空間屬性參數分析功能，可快速、及時地呈現地質信息，并能夠對地質屬性進行評價分析，結合設計方案實現施工階段地質的提前預知預報。

（3） 三維地質模型的全面解譯和剖面生成功能為快速、精確設計提供了技術支撐。

（4） 通過三維地質模型靈活方便地制作工程用圖，提高了工作效率，具有實際應用價值。

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（編輯：高小雲）

Application of 3D modeling software based on CnGIM_ma

in engineering surveying

ZHU Xinbo，LIU Peipei，ZHAO Minghua

（Changjiang Three Gorges Survey and Research Institue Limited Company， Wuhan 430010， China）

Abstract： In hydropower engineering survey， the traditional two-dimensional data analysis method is difficult to meet the requirements of modern social development for its low efficiency and strong limitations. In order to apply three-dimensional geological model technology to realize the transformation of geological information from two-dimensional space to three-dimensional space and overcome the shortcomings of traditional two-dimensional data analysis methods， taking the engineering investigation of a hydropower station in the feasibility stage as a studying case， by using CnGIM_ma modeling software and based on geological profile， geophysical profile， borehole and adit data of this project， the establishment and application of three-dimensional geological model were carried out. The results showed that 3D geological model technology can improve the efficiency and accuracy of original data processing， quickly and timely present geological information， comprehensively analyze and evaluate geological information， provide technical support for 3D designs and has important practical values.

Key words： CnGIM_ma; Three-dimensional model; engineering surveying; hydropower project