城市地质三维平台解决方案

项目背景

     城市化进程使得资源等供需矛盾日益突出,不合理的人类工程活动,严重破坏了地质环境自然演化规律,诱发大量的地面沉降、地面塌陷、地裂缝等地质灾害。科学合理的城市发展规划和决策、城市土地综合利用、地质灾害防治、地质环境保护等需求日益成为现代化城市发展的重点。2003 年以来,我国基础性、公益性的区域地质调查工作转入以城市为主体的发展阶段,在当前的数字城市工程中,一个重要的方面就是城市地质三维系统平台的建设。

平台内容与目标

      城市地质三维平台,系地质三维建模、分析和辅助设计软件,其内容是构建含属性地质三维模型、并在模型基础上开展岩土力学分析和岩土工程设计,其中的分析内容包括地灾评估、超期预警、洞室围岩稳定性、地应力查询等方面。设计内容包括岩土工程开挖轮廓形态(边坡、基坑等)设计和地下工程支护设计等,设计过程嵌入变形和稳定分析,满足设计成果的安全性要求显然,地质体形态和特性非常宽泛,除基本特征以外,分析方法和技术标准也各不相同。研发的主要目标将集中在岩土体工程勘察、分析、设计的一体化, 其中的分析包括地质分析和岩土力学分析两个方面。

平台的具体研发目标包括三个方面:

1)强大和便捷的建模功能:即模拟地质体形态。其中的强大指能够实现任意资料来源和形式、任意复杂地质体的可靠建模,而便捷性是在保证可靠性前提基础上体现效率,即根据地质体类型和行业性勘察工作特点简化操作,快速获得预期结果;

2)强大的数据处理能力:针对地质体特性。系统需要具备描述地质体特性的空间变化性的能力,与之相应地,要求系统能够适应工程实践中数据采集手段的多样性,并能够处理可能存在的庞大数据。针对的实际用途包括物探资料的地质解译和建模、土建工程静探等数据的土层划分与建模、岩体质量分级与岩土体力学参数取值等往往通过数值型数据处理实现的用途;

3)岩土工程分析与辅助设计能力:如果说前两个方面的目标侧重地质体固有的基本特征,那么,这一开发目标体现了市场定位和工程用途,即在创建三维地质模型以后实现岩土工程分析和岩土工程设计。

方案技术路线

3.1平台与协同应用系统构架

平台及其与其他专业设计平台协同工作时构成的整个系统构架包括三大部分:针对勘专业平台、其他专业计算机辅助设计平台(如 Civil3D、 Catia 等)、以及满足一定数据交互标准的服务器数据库。在整个系统中,数据交互服务器起到中转作用,进入该服务器的图形等数据满足指定的标准以后,实现专业平台之间数据的交互。此时并不需要指定某个专业平台为“主平台”,彼此之间没有主次之分,只有功能的区别。

 
 3.2平台功能模块:

从工程应用的角度,平台包含三大功能模块,即数据库、建模与数据处理、应用与成果输出。其中的数据库对应于日常工作中勘察资料的采集、保存、业内整理,建模与数据处理是引入三维工作模式以后的一个中转平台,其作用是勘察资料转化成包括地质边界和岩土力学特性的“含属性地质三维模型”,而应用与成果输出对应于日常工作特定问题的分析评价和工程设计,以及不同专业之间协作所需要的数据交互。

     地灾评估作为城市地质三维系统的重要内容,为满足国土资源行业需求,开发地灾评估应用功能。系统的地灾评估采用两种工作方式,其一是利用现场测绘获得的基本资料和现场判断,在地质三维模型表示出人工判断结果,侧重于展示、数据管理、和信息查询;其二是在创建地质三维模型以后,直接利用地质模型包含的信息、采用相关规范的地灾评价方法和划分标准,自动评估地表不同部位的地灾风险程度。平台的建模和数据处理功能具有通用性,平台建模和数据处理功能设计时进行“一般化” 处理,从建模需要的角度把地质体分成若干类型分别设计建模流程,在流程内可以灵活地引入不同勘察数据、乃至人工推测,兼容不同行业特点和需求,实现其通用性。虽然平台数据库可以独立运行,但本质上是系统的一个有机部分,不仅为建模和分析提供资料,更重要地,数据库实现了对地质体属性的定义,同时还体现了行业标准和规定。因此,脱离数据库的模型可能失去一些地质属性和行业标准的约束,直接影响到应用过程的效率和效果。为此,建议用户务必按照系统设计的流程要求开展工作,保持模型和数据库之间的联系。

3.2.1地质钻孔数据

通过精准定位系统,使用GNSS定位技术GNSS核心算法实现厘米级的精准坐标定位,通过地质勘探信息化平台采集的数据直接对接地质三维平台。地质勘探信息化平台包含钻孔定位系统、数据采集系统、数据管理维护系统、项目管理系统、远程会商系统、专家咨询系统。

3.2.2地质灾害检测数据

地质灾害监测数据导入是通过在地质灾害高发地铺设光纤传感器监测深部位移、表面位移、土地湿度、土压力等参数。通过地质灾害监测平台将监测采集的数据直接对接到地质三维平台中。

3.2.3地质三维建模功能

平台能够在屏幕里有地质数据的区域绘制多边形,系统自动在多边形区域内对地质数据进行地层建模

3.2.4剥层分析功能

平台系统能够根据该偏移量将不同地层进行分开,直观反映地层情况。

3.2.5地质剪切功能

平台能够在生成的地质模型上绘制直线并选择剪切方向,系统将对地质模型进行正向或反向剪切,可直观看到地层剖面。

3.2.6显示地层图例功能

3.2.7其它功能

1)布置已有钻井和测量数据的分析;

2)支持 2D 和 3D 克里金差值算法来进行参数评估;

3)能给分析地质层剖面图;

4)能够使用有限差分法和有限元法在网格生成器中建模;

5)支持高级网格化模型;

6)全面支持 Python 语言的所有函数;

7)支持高等级动画,交互式 3D 栅栏图;

8)支持以及对土壤和地下水污染物,以及矿体的多重数据分析、复杂计算和体积容量分析;

9)能给生成三维断裂地块;

10)支持隧道切口;

11)支持高级地质文理绘制;

12)支持矿井沙坑建模;

13)支持对矿体覆盖层的可视化和建模;

城市地质产品应用

平台亮点

从技术角度,该平台的开发:

1)强化了地质基础数据的管理、利用水平,嵌入了数据采集技术和分析处理功能,为城市地质三维模型提供强大的基础数据支持;

2)强大和便捷的建模功能,实现城市地质三维可视化:能够实现任意资料来源和形式、任意复杂地质体的可靠建模,而便捷性是在保证可靠性前提基础上体现效率,即根据地质体类型和行业性勘察工作特点简化操作,快速获得预期结果;

3)在属性地质三维模型基础上的岩土工程分析与辅助设计能力。平台标志性特征是强化数据处理能力以创建含属性地质三维模型,兼顾不同行业规范和分析标准,奠定岩土工程分析设计的基础。在基础数据、建模技术、和数据处理三个关键环节的开发奠定了平台应用于工程分析和设计的基础,研发团队开发一系列专业应用功能,如地应力查询、地灾评估、勘探布置、场平设计、岩体质量分级与力学参数取值、隧洞围岩潜在问题类型评价等。该平台应用于城市地质三维系统建设,是集信息输入、数据库管理和城市三维地质空间数据可视化分析于一体的智能化、专业化的综合管理平台,很好地满足了当前城市地质三维系统建设的需求。