三維地質(zhì)建模與數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

張建龍，朱煥春，葛隆發(fā)，閆 賓，王 玨，程亞男

［1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.加華地學(xué)（武漢）數(shù)字技術(shù)有限公司，湖北省武漢市 430077；3.武漢中和工程技術(shù)有限公司，湖北省武漢市 430080］

0 引言

在三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)上，20世紀(jì)80年代后期至90年代，隨著C語言的發(fā)展和石油行業(yè)出于儲(chǔ)量計(jì)算的需求，尋求針對地質(zhì)體的三維計(jì)算機(jī)化工作模式成為必然，要求不僅像三維結(jié)構(gòu)一樣模擬地質(zhì)體三維空間幾何形態(tài)，還能儲(chǔ)存和處理地質(zhì)體包含的各種信息，包括地質(zhì)體普遍的地質(zhì)屬性（如層序關(guān)系）以及石油行業(yè)關(guān)心的特定屬性（如地震波速、開采過程中實(shí)測地震動(dòng)等），以降低地質(zhì)信息的不確定性并提高儲(chǔ)量計(jì)算準(zhǔn)確性。20世紀(jì)90年代中后期，先后誕生了Petrel、FCM、IRMS、GoCAD、Vulcan、MAPTEK、Datamine、Surpac、MVS等軟件系統(tǒng)[1-6]。BIM（Building Information Modeling）的概念最早于2002年由Autodesk公司負(fù)責(zé)Revit開發(fā)的Dave Lemont提出，當(dāng)時(shí)Autodesk剛剛開始著眼于將Revit打造成參數(shù)化、信息化建模工具，更好地提升Autodesk軟件家族的溝通效率、工作效率并降低出錯(cuò)幾率。BIM的出現(xiàn)，迎合并促進(jìn)了工程建設(shè)與管理邁向智慧時(shí)代。

我國在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域起步較晚，20世紀(jì)90年代初期，國內(nèi)水利、水電、建筑等行業(yè)大量采用成熟的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維平臺(tái)如Autodesk產(chǎn)品，作為地質(zhì)建模和相應(yīng)計(jì)算分析的工具。21世紀(jì)初，基于離散數(shù)據(jù)光滑插值（DSI）技術(shù)的GoCAD被引入礦山、水利行業(yè)時(shí)，許多研究和應(yīng)用機(jī)構(gòu)在GoCAD基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，以適應(yīng)行業(yè)的需要[7-8]。國內(nèi)技術(shù)人員協(xié)同開展研究，掌握了DSI插值技術(shù)，不僅在三維地質(zhì)建模環(huán)節(jié)打破了國外的技術(shù)壟斷，同時(shí)針對我國地質(zhì)體工程的現(xiàn)實(shí)需要，通過豐富巖土工程分析和設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品適應(yīng)性的本土化設(shè)計(jì)。本土化軟件中，以CnGIM為例，2015年CnGIM V2.0誕生，2017年CnGIM V3.0研發(fā)完成，這兩個(gè)版本的軟件分別在插值生成幾何對象、勘察工作等諸多流程管理的關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。隨著2014年7月1日《關(guān)于推薦建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》的發(fā)布，世界先進(jìn)的三維地質(zhì)建模技術(shù)迅速進(jìn)入中國的住建領(lǐng)域和土木水利領(lǐng)域。

不同于三維地質(zhì)建模的高速發(fā)展，現(xiàn)在世界上沒有形成公認(rèn)的在各個(gè)領(lǐng)域通用的三維地質(zhì)建模標(biāo)準(zhǔn)。在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)是IFC（Industry Foundation Classes）。作為BIM的數(shù)字表現(xiàn)形式和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，IFC標(biāo)準(zhǔn)是由非營利性國際組織Building Smart 提出，并由IAI（International Alliance of Interoperability）組織制定數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，是國際上建筑領(lǐng)域?qū)嵤┳顝V的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代的地質(zhì)三維技術(shù)開發(fā)規(guī)劃過程中，明確要求不僅需要描述地質(zhì)體空間形態(tài)并正確表達(dá)地質(zhì)特性，而且還需要根據(jù)行業(yè)需求，兼容行業(yè)信息、技術(shù)方法、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模基礎(chǔ)上的工程分析和設(shè)計(jì)。國內(nèi)在2010年后開始發(fā)布三維建模有關(guān)的技術(shù)規(guī)范，許多行業(yè)紛紛推出自己領(lǐng)域的規(guī)范規(guī)程以約束和改進(jìn)本行業(yè)的勘察、設(shè)計(jì)工作。由于追求與自身行業(yè)的勘察規(guī)范相對應(yīng)，不同行業(yè)的三維建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中存在比較大的差異。

總之，由于當(dāng)前使用的三維地質(zhì)建模軟件眾多，所采用的數(shù)據(jù)模型都不同，難以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的集成管理和交換共享。國內(nèi)外在地質(zhì)三維建模和數(shù)字化領(lǐng)域尚沒有建立起統(tǒng)一的交互共享標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)對地質(zhì)三維數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析論述。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)各行業(yè)提出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在三維地質(zhì)建模和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)方面，國內(nèi)各行業(yè)提出的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容見表1。從該表可以看出，三維地質(zhì)建模是一個(gè)行業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域，為適應(yīng)各自行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)在勘察設(shè)計(jì)階段劃分、勘查手段、信息管理方式、成果利用方式等方面均存在比較大的差異。以水利水電為例，2019年頒布的《水利水電工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》（T/CWHIDA 0006—2019）[9]對水利水電工程的技術(shù)資料電子化提出較高的要求，傳統(tǒng)的以平面CAD圖形進(jìn)行地質(zhì)資料管理的方式面臨巨大挑戰(zhàn)。同樣地，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2018年發(fā)布的《城市軌道交通工程BIM應(yīng)用指南》[10]，在交通工程領(lǐng)域也對BIM的具體應(yīng)用提出了要求。因此，在進(jìn)入具體的行業(yè)時(shí)，三維地質(zhì)建模的任務(wù)首先需要契合行業(yè)的要求，從而呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。水利水電行業(yè)領(lǐng)域頒布了《水電工程三維地質(zhì)建模技術(shù)規(guī)程》（NB/T 35099—2017）[11]，巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)牽頭正在組織編寫三維地質(zhì)建模的相關(guān)規(guī)范，而石油礦產(chǎn)、冶金、測繪與規(guī)劃領(lǐng)域也都有與三維地質(zhì)建模有關(guān)的規(guī)范出臺(tái)。其中，測繪與規(guī)劃領(lǐng)域、國土資源領(lǐng)域側(cè)重地表的三維建模，水利水電、石油及天然氣開采領(lǐng)域則更側(cè)重三維地質(zhì)建模。

表1 三維地質(zhì)建模領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及文件Table 1 Relevant standards， specifications and documents in the field of 3D geological modeling

續(xù)表

1.2 國外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

國外特別是歐美國家在計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)和圖形學(xué)領(lǐng)域明顯領(lǐng)先于國內(nèi)，在數(shù)據(jù)格式、交付管理等領(lǐng)域握有重要的話語權(quán)。

開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）是成員分布最為廣泛（536個(gè)）、頒布規(guī)范數(shù)量最多的國際組織。其成員來自60多個(gè)國家的研究所、高校、公司，歐洲、北美地區(qū)的成員數(shù)量均超過180家，國內(nèi)成員單位有10幾家（含港澳臺(tái)地區(qū)）。OGC成立的主要目的是制定與空間信息、基于位置服務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括接口、編碼等的技術(shù)文檔，如WMS、WFS、WCS、WMTS、KML、SFS、CityGML、SLD等。

CityGML、KML、COLLADA是3種用于虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)的格式，三者均是基于XML編碼。KML和COLLADA為谷歌支持，更偏向于地理信息系統(tǒng)（GIS）領(lǐng)域，分別側(cè)重管理位置信息和對象材質(zhì)信息。由于在數(shù)字工業(yè)領(lǐng)域的較早應(yīng)用，COLLADA是一種被廣泛使用的格式，是面向交互式 3D 應(yīng)用程序的基于 XML 的數(shù)字資產(chǎn)交換方案，或者說是一種用基于XML定義數(shù)字內(nèi)容的格式，主流的三維軟件和渲染引擎都支持這種格式，其使3D 創(chuàng)作應(yīng)用程序可以自由地交換數(shù)字資產(chǎn)而不損失信息，使多種DCC和3D處理軟件包可以組合成強(qiáng)大的工具鏈管道。COLLADA模型中不僅定義了幾何體，也定義了材質(zhì)，甚至還可以定義光源，是目前成果提交最常見的終端格式。

IDM（Information Delivery Manual）信息交付手冊，是建筑工程與信息技術(shù)結(jié)合促進(jìn)AEC（Architecture/Engineering/Construction）項(xiàng)目中不同專業(yè)間協(xié)同工作的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)[12]。如果說IFC標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)全生命周期不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享與交換奠定了基礎(chǔ)，那么IDM就是為了滿足在執(zhí)行IFC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，當(dāng)存在無法保證數(shù)據(jù)的完備與協(xié)調(diào)性時(shí)，采用何種方式進(jìn)行信息的溝通。可以將其理解為一本翻譯用的詞典，在處理異構(gòu)數(shù)據(jù)融合時(shí)有其必要性和實(shí)用性。其核心任務(wù)是為了滿足協(xié)同設(shè)計(jì)工作模式下的視圖共享與提取。IDM的架構(gòu)、部件以及研究現(xiàn)狀仍沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但為了滿足勘察設(shè)計(jì)階段的流程與數(shù)據(jù)定義需求，手冊給出了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖，明確了每一個(gè)流程的活動(dòng)內(nèi)容，并用表格對流程中涉及的信息交付內(nèi)容、所包含的對象及屬性進(jìn)行了描述。

2 地質(zhì)模型三維數(shù)字化交互標(biāo)準(zhǔn)

2.1 地質(zhì)建模主要管理對象及其分類

三維地質(zhì)建模管理的對象與其任務(wù)和特點(diǎn)相適應(yīng)。盡管不同行業(yè)存在差異，但本質(zhì)上三維地質(zhì)建模可分為三大主體功能模塊，分別為數(shù)據(jù)庫管理、三維建模與數(shù)據(jù)處理、分析與成果輸出。主要管理的是各類的地質(zhì)體，包括點(diǎn)、線、面、體等常見的幾何形態(tài)表征的地質(zhì)現(xiàn)象[1-2，13-15]，也包括這些地質(zhì)體的規(guī)模、地質(zhì)年代、工程特征等信息[9，11，16]。

地理信息科學(xué)領(lǐng)域常籠統(tǒng)地將空間對象和非空間對象加以獨(dú)立區(qū)分，即概括為擁有空間幾何數(shù)據(jù)的幾何對象、無空間特性的屬性對象兩大類。在地質(zhì)勘察、勘探領(lǐng)域，如石油采礦，幾何對象又可以細(xì)分為幾何模型、構(gòu)造模型、相模型、儲(chǔ)層模型等，而屬性對象又可以細(xì)分為儲(chǔ)層屬性、相屬性、時(shí)間屬性、工程特征屬性等。與地理信息系統(tǒng)（GIS）類似，除了幾何對象之外，三維地質(zhì)建模也需要對對象的屬性數(shù)據(jù)加以管理，即同樣包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，或者概括為“形態(tài)”+“特征”的組合。其中的數(shù)據(jù)來源于勘察資料的采集、內(nèi)業(yè)整理等。在借助數(shù)字化手段將勘察資料轉(zhuǎn)化成包括地質(zhì)邊界、巖土力學(xué)特性的“含屬性地質(zhì)三維模型”的過程中，需要大量的描述性、統(tǒng)計(jì)性屬性數(shù)據(jù)。為特定問題開展的分析評價(jià)、工程設(shè)計(jì)以及不同專業(yè)之間協(xié)作所生產(chǎn)的數(shù)據(jù)、圖件等，同樣也是數(shù)據(jù)來源。

表2列舉了按照幾何特征進(jìn)行的常見空間實(shí)體集的一種劃分方式，對應(yīng)對象分類中的幾何數(shù)據(jù)，重點(diǎn)描述的是對象完整的空間特征和部分的空間關(guān)系特征。實(shí)際工作中，為了區(qū)別或者強(qiáng)調(diào)管理對象的集合特征，多以集合的方式進(jìn)行管理。

表2 空間幾何對象（空間實(shí)體）對象分類Table 2 Classification of space geometric objects （space entity）

當(dāng)前，三維地質(zhì)建模亦從僅著眼于地質(zhì)體模型合理性檢驗(yàn)過渡到“建模為基礎(chǔ)、工程分析和輔助設(shè)計(jì)為目的”的綜合應(yīng)用，相應(yīng)地整合了部分?jǐn)?shù)值分析或理論計(jì)算功能用于開展特殊地質(zhì)體的分析和評價(jià)，以更好地滿足地質(zhì)體工程問題勘測、設(shè)計(jì)和運(yùn)行安全管理的需要。但其建模的流程，仍然更近似于GIS應(yīng)用領(lǐng)域的習(xí)慣，即習(xí)慣于將建模對象劃分為幾何對象、屬性對象兩大類進(jìn)行管理。表3列舉了地質(zhì)建模和數(shù)值模擬在分析對象、分析目標(biāo)、核心任務(wù)等方面的差異。

表3 地質(zhì)建模與數(shù)值模擬的對比Table 3 Comparison between geological modeling and numerical simulation

除了幾何對象之外，非空間信息也是重要的管理對象之一。以水利水電工程為例，鑒于其涉及面廣泛、工程規(guī)模大，其勘察設(shè)計(jì)是各行業(yè)中最為復(fù)雜的一類。為此，水利水電工程領(lǐng)域在非空間信息管理時(shí)常需要考慮這類信息隨著時(shí)間推移、勘察設(shè)計(jì)階段變更而產(chǎn)生的變化。非空間幾何對象，或者習(xí)慣上稱為屬性對象，包括空間幾何對象的各類特征，以及描述、分類、標(biāo)定這些特征的語義對象（見圖1），還包括幾何對象建模時(shí)所需要的約束條件或者約束對象，描述當(dāng)前狀態(tài)且與時(shí)間相關(guān)的條件對象。最為重要的是，非空間幾何對象還囊括各類方法對象，包括幾何分析中的插值、擬合、離散等方法。嚴(yán)格來說，方法對象并不是空間幾何對象的固有特征，不屬于常規(guī)的屬性對象的范疇，但在實(shí)際工作中，方法對象往往需要與對象特征相匹配，具有與屬性對象類似的對象特點(diǎn)和甄別特征。

圖1 語義對象描述時(shí)的簡單分類Figure 1 Simple classification of semantic objects for description

語義對象，即廣義的屬性對象，涵蓋了知識(shí)、邏輯、數(shù)據(jù)等所有與開展分析有關(guān)的內(nèi)容，以及對象固有特征的描述。對于語義的研究，最早出現(xiàn)在安全監(jiān)測領(lǐng)域的專家系統(tǒng)構(gòu)建中，如安全監(jiān)控“四庫一機(jī)”理論。GIS領(lǐng)域描述非位置信息的 “屬性信息”是空間對象信息語義描述的基礎(chǔ)。在安全監(jiān)測上升為智能監(jiān)控，并逐漸發(fā)展成為“智慧+”的過程中，逐步淡化了知識(shí)的概念，改為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)支持的“數(shù)據(jù)港池”，提出了數(shù)據(jù)挖掘的概念。在行業(yè)發(fā)展的過程中，研究人員和使用人員都認(rèn)識(shí)到，對于三維地質(zhì)模型中信息的檢索、挖掘和重用，只考慮其形狀、位置特征是不夠的，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)信息的補(bǔ)充。這主要包括三方面的原因：

（1）用戶僅僅通過有限的勘察點(diǎn)難以完整直觀地獲悉對象的全貌，必須增加推測信息。

（2）地質(zhì)信息的表達(dá)方式中有較多的定性信息，難以直接用于設(shè)計(jì)，定性的語句需要轉(zhuǎn)化為更為直觀的定量表達(dá)。

（3）地質(zhì)體的不確定性、離散型，導(dǎo)致其缺少可重復(fù)使用的知識(shí)，針對當(dāng)前對象建立適用的語義描述，可以保證知識(shí)的重用。闡述地質(zhì)條件特征的很多語言不同于形狀特征描述，把幾何數(shù)據(jù)特點(diǎn)（如點(diǎn)坐標(biāo)、邊長度、面形態(tài)等）轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟沃R(shí)表示較為容易，也可比較方便地使檢索、重用在統(tǒng)一框架內(nèi)運(yùn)行，不僅讓用戶通過特征、功能、設(shè)計(jì)原理、類別等信息有效地表達(dá)查詢意圖，而且使用戶能夠快速方便地重用已有資源進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

而描述地質(zhì)條件的語言轉(zhuǎn)換為知識(shí)則比較困難，并且，每個(gè)對象除了在空間上的分布特征之外，還要考慮其時(shí)間特征而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量劇增。

BIM領(lǐng)域?qū)⑷S模型語義檢索列為研究的七大學(xué)術(shù)難題之一，要解決“用戶如何進(jìn)行檢索”和“檢索結(jié)果如何重用”這兩個(gè)關(guān)鍵問題。而面對四維的地質(zhì)模型，相應(yīng)的工作難度可想而知。為了應(yīng)對這種數(shù)據(jù)量劇增的情況，三維地質(zhì)建模過程中普遍采用數(shù)據(jù)抽稀的方式，將相同類別的點(diǎn)加以處理，形成閉合的面、體以精簡數(shù)據(jù)的規(guī)模。因此，語義的描述主要針對單個(gè)的地質(zhì)點(diǎn)、相對獨(dú)立的構(gòu)造線或者分割線、大量的面和體。

同屬性的標(biāo)注類似，語義的標(biāo)注因?yàn)槿S對象檢索的難度較大而通常都采用在剖面或者平面上進(jìn)行。與工程安全監(jiān)控相關(guān)的地質(zhì)模型中的語義庫，包括巖土體物理力學(xué)參數(shù)及定性的類別劃分（如軟巖及其類別）、工程性質(zhì)（如抗壓強(qiáng)度及風(fēng)化特征）、空間延伸特性及交匯特征（如產(chǎn)狀與起伏）等，屬于典型的多尺度數(shù)據(jù)，需要按比率尺度、有序尺度、間隔尺度以及名義尺度等不同方式進(jìn)行表示以避免自我矛盾，完成定類、定序、定比、定距乃至宏觀的定性等。

2.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)中的幾何對象表達(dá)與數(shù)據(jù)交互

在傳統(tǒng)流程中，異構(gòu)數(shù)據(jù)管理軟件之間的一對一交互，已成為BIM領(lǐng)域多專業(yè)協(xié)同工作最常用的方法。鑒于數(shù)據(jù)接口多、數(shù)據(jù)格式不同、效率低等問題，信息損失時(shí)有發(fā)生。根本性原因可以歸納為兩點(diǎn)：一是由于專業(yè)領(lǐng)域的差異，不能很好地解析其他專業(yè)領(lǐng)域的幾何實(shí)體的內(nèi)涵；二是對于相同的幾何、屬性和關(guān)系，軟件有不同的表達(dá)方式，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)的不一致。

下面，分析現(xiàn)階段國際上最權(quán)威的三維建模領(lǐng)域的數(shù)值交互標(biāo)準(zhǔn)IFC的幾何對象表達(dá)和數(shù)據(jù)共享交互問題。要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互，支持標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式是衡量和決定一個(gè)軟件的數(shù)據(jù)交互能力的關(guān)鍵。IFC標(biāo)準(zhǔn)中對幾何對象的表達(dá)進(jìn)行了較為詳細(xì)的約定，在建筑領(lǐng)域更有著多年BIM應(yīng)用的實(shí)踐檢驗(yàn)，且標(biāo)準(zhǔn)開放。

IFC4標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用Express語言描述建筑工程信息，包含600多個(gè)實(shí)體定義，300多個(gè)類型定義[17]。整體的信息描述分為4個(gè)層次，資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)印ＹY源層里多是基礎(chǔ)信息定義，例如材料、幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系等；核心層定義模型的整體框架，如對象之間的關(guān)系、對象的位置和幾何形狀；共享層定義可交換、可設(shè)計(jì)的信息，如墻、梁、柱、門、窗等；領(lǐng)域?qū)佣x各協(xié)作專業(yè)領(lǐng)域自己的個(gè)性化信息，如暖通領(lǐng)域的鍋爐和風(fēng)扇、電器領(lǐng)域的開關(guān)和繼電保護(hù)等。IFC信息獲取和交換有兩種手段，即通過標(biāo)準(zhǔn)格式的文件交換信息，或是通過標(biāo)準(zhǔn)格式的程序接口訪問信息。在IFC文件中，任何一個(gè)實(shí)體（如Ifc Beam）都是利用Express語言，通過屬性描述來表達(dá)自身信息。IFC實(shí)體的屬性是通過繼承關(guān)系獲得的，最頂層是Ifc Root，如構(gòu)件Ifc Beam在IFC4版本中總共有33個(gè)屬性，而自身只有Prede fi ned Type這一個(gè)屬性，其余的32個(gè)屬性都是繼承了從Ifc Root開始到Ifc Building Element包含的屬性。Ifc Root中的屬性主要包括如下3個(gè)：IfcObjectDe fi nition 對象的定義；IfcRelationship 對象之間關(guān)系；IfcPropertyDe fi nition 對象屬性。

圖2 IFC4標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)Figure 2 The framework of standard system of IFC4

IFC開源的庫或軟件基于多樣的開發(fā)環(huán)境。如BIM Surfer基于C語言開發(fā)，BIMserver基于C#開發(fā)，IfcOpenShell、FreeCAD基于OpenCascade技術(shù)（C++庫為基礎(chǔ)）開發(fā)，IfcPlusPlus是一個(gè)開源的C++類。xBIM工具包用于數(shù)據(jù)操作的核心庫都是用C#編寫的，幾何引擎核心用C++編寫，是一個(gè)支持完整IFC2×3和IFC4數(shù)據(jù)模型的.NET開源軟件開發(fā)工具包。這當(dāng)中，IfcOpenShell作為一個(gè)開源的IFC幾何引擎，包含有基于PythonOCC代碼開發(fā)的項(xiàng)目。

AutoDesk家族軟件中的 Revit、Navisworks、AutoCAD Architecture、AutoCAD MEP、Civil 3D 可 以 讀 取 IFC， 而AutoCAD不能直接讀取。

在工程地質(zhì)領(lǐng)域，國內(nèi)現(xiàn)有的通用三維地質(zhì)數(shù)據(jù)交換格式為Geo3DML。這種格式將三維地質(zhì)模型定義為“地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)現(xiàn)象之間的關(guān)系在三維空間中的表達(dá)”，規(guī)定三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)與模型中空間幾何數(shù)據(jù)、屬性描述相關(guān)。IFC標(biāo)準(zhǔn)下的模型數(shù)據(jù)量大，預(yù)處理時(shí)間長，主要被用于針對全平臺(tái)的項(xiàng)目集成管理。Geo3DML對地質(zhì)領(lǐng)域的描述較為全面，但是在實(shí)際巖土、地質(zhì)工程項(xiàng)目中的應(yīng)用還不夠廣泛，一個(gè)重要的問題是缺少市場占有率較高的軟件的支持。將Geo3DML和IFC格式進(jìn)行相關(guān)映射以達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的，是現(xiàn)有地質(zhì)領(lǐng)域平臺(tái)的一大挑戰(zhàn)，也是解決問題的較好途徑。

IFC可通過以下兩個(gè)方面工作實(shí)現(xiàn)在地質(zhì)領(lǐng)域的拓展：

（1）擴(kuò)展地質(zhì)領(lǐng)域的實(shí)體和相關(guān)定義，針對地質(zhì)領(lǐng)域的信息特點(diǎn)和實(shí)際需求，在IFC模型基礎(chǔ)上增加地質(zhì)領(lǐng)域相對應(yīng)的屬性實(shí)體、類別實(shí)體、枚舉類型、屬性集、數(shù)量級和資源類型定義。

（2）建立層級關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系。依據(jù)面向?qū)ο笤瓌t新增實(shí)體并建立關(guān)系，并與原IFC結(jié)構(gòu)的層級標(biāo)準(zhǔn)融合。在此基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)領(lǐng)域的從屬關(guān)系，以及新增實(shí)體和原IFC實(shí)體的映射定義。

3 國內(nèi)外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 國外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

三維地質(zhì)模型允許人們可以更加有效率地制定施工計(jì)劃，并為可預(yù)見的危險(xiǎn)做好準(zhǔn)備。然而，在迄今為止的許多施工項(xiàng)目中，由于過時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制、不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及缺乏本地更新分析，該任務(wù)沒有得到有效執(zhí)行。因此，必須使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立可靠的三維模型，以協(xié)調(diào)所有可用的地質(zhì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括鉆孔、地質(zhì)測繪和巖石屬性數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)通過工程數(shù)字平臺(tái)導(dǎo)入或可視化模型，以便包括任何新的本地地質(zhì)信息，以更新原始模型。這種三維地質(zhì)建模技術(shù)的特點(diǎn)是清晰、精確和信息豐富。

為了管理地質(zhì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，巖土和地質(zhì)環(huán)境專家協(xié)會(huì)提出了一個(gè)不同的數(shù)據(jù)模型框架，即AGS框架（Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists， 2017）。該框架以獨(dú)特且簡單的代碼促進(jìn)巖土工程中的數(shù)據(jù)傳輸，從而減少數(shù)據(jù)交換時(shí)間。此外，該框架不是固定的，可以根據(jù)具體情況和建設(shè)項(xiàng)目需求進(jìn)行調(diào)整，只要它們符合AGS文件格式。在建立AGS格式之后，該格式現(xiàn)已為英國有關(guān)行業(yè)所有部門所接受并在發(fā)達(dá)國家中被廣泛接受。下面介紹AGS提出的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)[18]。

3.1.1 AGS的數(shù)據(jù)庫

一般而言，使用的文件應(yīng)包含基本數(shù)據(jù)，如勘探孔記錄和相關(guān)英國標(biāo)準(zhǔn)和其他公認(rèn)文件要求報(bào)告的測試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常包含在事實(shí)報(bào)告中。任何計(jì)算或解釋的數(shù)據(jù)應(yīng)由接收方導(dǎo)出，而不是在數(shù)據(jù)文件中傳輸。

3.1.2 AGS匹配的文件格式

AGS的文件格式旨在提供盡可能廣泛的可接受性，鑒于此，AGS使用了美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（ASCII）文件傳輸數(shù)據(jù)。用戶只需要規(guī)則創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件。制定這些規(guī)則是為了通過最簡單的現(xiàn)有程序（尤其是電子表格）以及更全面的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用AGS格式。可以利用AGS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的文件格式有“**PROJ”“**HOLE”“**?HDPH”“**GEOL”“**SAMP” “**CLSS”“**CNMT”“**ISPT”“**?ICCT”“**FILE”“**DICT”“**ABBR”“**CODE”等，廣泛的可接受性是AGS的一個(gè)大優(yōu)勢。

3.1.3 數(shù)據(jù)字典

為了提供最大的靈活性，并允許非專家更容易識(shí)別文件格式，采用了數(shù)據(jù)字典方法。數(shù)據(jù)字典可以與廣泛的現(xiàn)有程序兼容，并有助于構(gòu)建未來的軟件。構(gòu)成數(shù)據(jù)字典的組和字段在用戶手冊中給出。

3.1.4 Groups and Fields

為了以一致和邏輯的方式構(gòu)造數(shù)據(jù)，已將其劃分為數(shù)據(jù)組，其中定義了一系列字段。選擇的數(shù)據(jù)組與獲得的特定數(shù)據(jù)元素相關(guān)，如項(xiàng)目信息、勘探孔細(xì)節(jié)和地層細(xì)節(jié)。對于性質(zhì)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，有必要定義兩個(gè)或多個(gè)鏈接數(shù)據(jù)組。

每個(gè)數(shù)據(jù)組內(nèi)的字段標(biāo)識(shí)特定項(xiàng)目，如地層描述、樣本深度等。這些項(xiàng)目已定義為具有關(guān)鍵或公共狀態(tài)。關(guān)鍵字段是明確定義數(shù)據(jù)所必需的。公共數(shù)據(jù)字段包含關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。列出的數(shù)據(jù)字段和數(shù)據(jù)組非常廣泛，應(yīng)涵蓋大多數(shù)需求。但是，如果需要傳輸AGS格式未涵蓋的特定數(shù)據(jù)，則為創(chuàng)建其他字段和組提供了規(guī)則。AGS格式依賴于嚴(yán)格遵守“規(guī)則”，并且應(yīng)將創(chuàng)建其他字段或組視為最后手段。還必須認(rèn)識(shí)到，存在一個(gè)組的層次結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)組依賴于其他組來保持?jǐn)?shù)據(jù)的唯一性。

3.1.5 數(shù)據(jù)單位

AGS用戶手冊給出了每個(gè)數(shù)據(jù)字段使用的默認(rèn)單位的詳細(xì)信息。這些是每個(gè)數(shù)據(jù)字典定義的首選單位，應(yīng)盡可能使用。它們可以是適當(dāng)?shù)膰H單位制單位，也可以是與特定數(shù)據(jù)項(xiàng)相關(guān)的特定英國標(biāo)準(zhǔn)定義的單位。根據(jù)規(guī)則，“數(shù)據(jù)單位”字段包含在數(shù)據(jù)集中。建議盡可能使用這些數(shù)據(jù)單元，以避免潛在的混淆。人們認(rèn)識(shí)到，在既不使用國際單位制單位也不使用英國標(biāo)準(zhǔn)單位的情況下，將出現(xiàn)這種情況。規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸文件中聲明非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)單位。

3.1.6 規(guī)則

AGS的使用規(guī)則一直是許多討論的主題。一個(gè)基本的考慮是，該格式的潛在用戶應(yīng)該能夠使用標(biāo)準(zhǔn)軟件工具生成數(shù)據(jù)文件。電子表格是任務(wù)最基本的工具，允許創(chuàng)建數(shù)據(jù)“表格”和生成ASCII數(shù)據(jù)文件。同樣，根據(jù)規(guī)則生成的數(shù)據(jù)文件可以通過電子表格軟件直接讀取。盡管這些規(guī)則允許用戶僅使用電子表格操作AGS數(shù)據(jù)文件，但預(yù)計(jì)將使用更具體的軟件自動(dòng)讀取和寫入數(shù)據(jù)文件。這些軟件系統(tǒng)的范圍從簡單的數(shù)據(jù)輸入和編輯程序到完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及AGS文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊[19]。

在評估這些規(guī)則時(shí)要記住的另一個(gè)基本點(diǎn)是，生成的數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)為便于計(jì)算機(jī)讀取。數(shù)據(jù)文件不會(huì)替換隨附的打印報(bào)告。然而，該布局確實(shí)允許在需要時(shí)隨時(shí)識(shí)別數(shù)據(jù)項(xiàng)。

AGS的優(yōu)勢在于其廣泛的文件格式接受性，并采用了數(shù)據(jù)字典方法，允許非專家更容易識(shí)別文件格式。數(shù)據(jù)字典可以與廣泛的現(xiàn)有程序兼容，并有助于構(gòu)建未來的軟件。而成體系的使用規(guī)則也讓新的用戶可以快速熟悉AGS的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 國內(nèi)數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段國內(nèi)的數(shù)據(jù)交互技術(shù)主要依靠國際上公認(rèn)的IFC標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，在已有的基于已有商業(yè)軟件（主要是在GOCAD）的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)或者利用GEOCAD、ITASCAD進(jìn)行地質(zhì)體三維可視化建模并將模型導(dǎo)入FLAC3D和ANSYS軟件中進(jìn)行分析的方法。但此類方法不能精確地體現(xiàn)地質(zhì)體的屬性，且不能按照地質(zhì)對象特點(diǎn)進(jìn)行極限分類，而且更不能形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)[20]。

國內(nèi)也出現(xiàn)了諸如TEAM模型等前沿的建模技術(shù)并在城市地質(zhì)勘察和城市地區(qū)的施工中有較多應(yīng)用。化繁為簡，TEAM是指將無人機(jī)傾斜拍攝所取得的正射影像、地形圖、三維模型，利用BIM建立的建筑工程信息庫（城市地區(qū)）和利用GOCAD等三維地質(zhì)模型軟件建立的地質(zhì)模型（主要是城市地下地質(zhì)模型）結(jié)合到一個(gè)引擎并將這些數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)。TEAM在 OSG（Open Scene Graph） 三維渲染引擎（桌面端）和Cesium三維地圖引擎（網(wǎng)頁端）中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換拼接及模型展示。但是該技術(shù)在數(shù)據(jù)交互方面存在較大的局限性。因?yàn)镃esium主要支持3dtiles格式，故無人機(jī)所拍攝的影像數(shù)據(jù)文件格式（.osgb）、BIM數(shù)據(jù)文件格式（.rvt）、三維地質(zhì)數(shù)據(jù)格式（.3dml）及各類工程數(shù)據(jù)（以 .txt 為主）需要利用第三方軟件將文件先轉(zhuǎn)化為3dtiles格式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程相當(dāng)煩瑣[21]。

現(xiàn)階段，無論是國內(nèi)還是國外，建立立足于地質(zhì)建模的基礎(chǔ)服務(wù)并能服務(wù)工程全生命周期的平臺(tái)開發(fā)成為一個(gè)發(fā)展趨勢。下面介紹這一領(lǐng)域的國產(chǎn)頂尖平臺(tái)——CnGIM。

3.2.1 CnGIM基本功能

加華地學(xué)（武漢）數(shù)字技術(shù)有限公司［原Itasca（武漢）咨詢有限公司］開發(fā)的三維地質(zhì)建模與分析軟件CnGIM，已經(jīng)普遍應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的所有行業(yè)，其技術(shù)功能可實(shí)現(xiàn)對進(jìn)口產(chǎn)品的替代。基于地質(zhì)體不規(guī)則建模技術(shù)（DSI算法等），通過三維數(shù)字化和信息化的融合，CnGIM完成了地質(zhì)勘察工作全流程數(shù)字化。CnGIM的功能包括：

（1）能夠快速實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模和模型修改與更新。

（2）實(shí)現(xiàn)在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上的工程地質(zhì)分析，創(chuàng)建含屬性三維地質(zhì)模型。

（3）分析方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能同時(shí)兼容國內(nèi)水電和海外工程實(shí)踐的需要，具備在含屬性三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開發(fā)巖土力學(xué)分析和巖土工程設(shè)計(jì)的能力。

3.2.2 CnGIM數(shù)據(jù)交互格式與端口

CnGIM數(shù)據(jù)交互技術(shù)合理高效。CnGIM軟件提供了多種數(shù)據(jù)接口類型，用于不同格式文檔之間的交互。通過將CnGIM的*.iobj格式文檔加以轉(zhuǎn)化，可實(shí)現(xiàn)與其他軟件之間的交流。除了Itasca系列的數(shù)值計(jì)算部分外，其余的各類接口具有一定的通用性。

勘察工作常見的存儲(chǔ)格式中，文本（txt）、圖表（xls）、圖形（dwg）均可以直接或者轉(zhuǎn)換后被CnGIM軟件接受。地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)名為SEM.txt、SEM.dxf，文本文件中按點(diǎn)號(hào)、平面坐標(biāo)、高程存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，DXF文檔采用點(diǎn)存儲(chǔ)上述信息。鉆孔資料命名為SBH.txt、SBH.xls，分別存儲(chǔ)孔號(hào)、坐標(biāo)、孔口高程、鉆進(jìn)深度、覆蓋層厚度等信息，兩個(gè)文件中數(shù)據(jù)可以通過編輯Excel文檔后另存為文本形式保持一致。借助CnGIM軟件的文件菜單，可將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中。地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用“導(dǎo)入—點(diǎn)集”方式導(dǎo)入文本文檔，利用“導(dǎo)入—AutoCAD文檔”導(dǎo)入DXF文件。鉆孔數(shù)據(jù)Excel文檔無法直接導(dǎo)入系統(tǒng)中，可轉(zhuǎn)化為類似的文本形式后，按點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并增加屬性信息以接受鉆孔深度、覆蓋層厚度等信息。導(dǎo)入鉆孔孔口點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，要繪制鉆孔的話，可先采用偏移鉆孔孔口坐標(biāo)（加上深度值運(yùn)行腳本實(shí)現(xiàn)）的方式形成孔底點(diǎn)，然后用線連接孔口、孔底，再根據(jù)線創(chuàng)建鉆孔。

目前 CnGIM 提供與 MicraStation、Catia、AutoCAD、GoCAD等主流建模軟件的數(shù)據(jù)接口和一些常用模型格式（比如VRML、OBJ、3DS）讀寫，另一方面，CnGIM將自己的數(shù)據(jù)格式開放給用戶，使用戶可以導(dǎo)出CnGIM構(gòu)建的模型，經(jīng)過一定的開發(fā)后運(yùn)用于各自領(lǐng)域供分析使用。并且，CnGIM的模塊化和易于擴(kuò)展性還體現(xiàn)在各種建模功能和應(yīng)用分析功能能夠以插件的方式，利用CnGIM開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)和擴(kuò)展。

CnGIM較好地克服了目前BIM標(biāo)準(zhǔn)不能很好適用于三維地質(zhì)建模的棘手問題，其數(shù)據(jù)交互技術(shù)可以以暫行三維地質(zhì)建模技術(shù)規(guī)范的形式在國內(nèi)進(jìn)行推廣。

4 結(jié)論和展望

當(dāng)前三維地質(zhì)模型在水利水電、礦山、交通、油藏開發(fā)、礦產(chǎn)資源勘探等多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三維地質(zhì)模型涉及的研究內(nèi)容很多，包括多源探測數(shù)據(jù)獲取和解釋、空間信息管理、幾何分析和空間預(yù)測、圖形可視化，以及在地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開展的工程分析評價(jià)等。本文主要針對國內(nèi)外三維地質(zhì)建模和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）三維地質(zhì)建模是一個(gè)行業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域，為適應(yīng)各自行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)在勘察設(shè)計(jì)階段劃分、勘查手段、信息管理方式、成果利用方式等方面均存在比較大的差異。國內(nèi)外在地質(zhì)三維建模和數(shù)字化領(lǐng)域尚沒有建立起統(tǒng)一的交互共享標(biāo)準(zhǔn)。

（2）分析了三維地質(zhì)建模的主要管理對象及其分類，明確了數(shù)字化交互標(biāo)準(zhǔn)研究的主要內(nèi)涵，并對國際權(quán)威的數(shù)值交互標(biāo)準(zhǔn)IFC的幾何對象表達(dá)和數(shù)據(jù)共享交互技術(shù)進(jìn)行了分析。由于IFC主要瞄準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，本文簡要分析了IFC在地質(zhì)模型領(lǐng)域的拓展方向。

（3）介紹了國內(nèi)外數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了國外認(rèn)知度較高的三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)——AGS框架。

（4）介紹了國產(chǎn)軟件CnGIM的基本功能，分析了該軟件在數(shù)據(jù)交互技術(shù)方面的優(yōu)勢。

工作展望：

（1）如何賦予三維地質(zhì)模型更多的內(nèi)涵，即提高三維地質(zhì)模型的工程分析功能，是今后重要的發(fā)展方向。例如，水電工程的地質(zhì)模型，如何與三維穩(wěn)定性數(shù)值分析、災(zāi)害過程模擬、巖土工程設(shè)計(jì)等更緊密結(jié)合，使其成為勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等各種工程活動(dòng)的總控平臺(tái)，服務(wù)于工程建設(shè)的全生命周期。

（2）數(shù)字化交互技術(shù)和交互標(biāo)準(zhǔn)，既要突破行業(yè)間、專業(yè)間的界限和技術(shù)障礙問題，更要突破現(xiàn)有三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與拓展的工程分析模塊之間的數(shù)據(jù)交互技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)制定問題。