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三维地质建模及其在地下空间开发中的应用
2009年11月24日    评论:    分享:

    来源:国土资源信息化

    作者:金江军,潘懋 ,屈红刚,王占刚,明镜

    摘要:开发地下空间是许多城市谋求发展的重要途径,也是当前城市建设的重要组成部分信息化是地下空间开发利用的必然要求,三维地质建模系统具有直观、高效、便利等特点,在城市地下空间开发利用领域有着广阔的应用前景本文首先阐述了三维地质建模系统的理论方法,给出了三维地质建模流程,介绍了两种三维地质建模方法;然后分析了三维地质建模系统在地下空间选址、地下工程建设、地下空间管理中的应用。
 
    关键词:地下空间   地下工程   三维地质建模   城市规划
 
    0   前言
 
    随着我国城市人口的不断膨胀、城区用地规模的不断扩大、地面交通流量的大幅增加,不少城市面临人口拥挤、土地紧张、交通拥堵、房价飞涨等影响城市可持续发展的难题。由于城市土地资源有限而且不可再生,城市地下空间的开发利用倍受人们关注[1]。地铁等城市地下空间的开发利用不仅可以缓解城市人口增长带来的城市交通压力,保护城市的历史文化景观,而目可以带动沿线经济活动的繁荣。
 
    地下空间信息是城市规划建设的基础,尤其当地下工程越来越多,位置要求越来越精确,地下空间信息是否完备准确,对于规划、设计、施工都至关重要;而相对于地上资料,当前地下资料在系统性、可靠性、现势性方面都相对较差。因此,发展地下空间信息化并施行信息化管理是城市建设的迫切需要[2]。三维地质建模系统具有直观、高效、便利等特点,在城市地下空间开发利用领域有着广阔的应用前景。
 
    1   理论方法
 
    三维地质建模流程如图l所示。原始数据包括钻井数据、地层数据、土工试验数据、水试样数据、原位测试数据、地下管线数据、地下构筑物数据、地下水数据等[3],其输入方法有键盘录入、数据库导入、文件导入等。对于空间离散数据,只要按照要求的文件格式进行输人即可对于剖面数据,则要进行剖面自动生成和交互编辑,最终生成剖面上多边形的拓扑关系,以供三维数据生成使用如果存在已数字化的剖面数据文件,可进行转入、处理,并生成相应的多边形拓扑关系或直接使用输入数据中已经存在的拓扑信息[4]。
 
    用空间离散点数据和剖面数据生成三维矢量数据,并存储到相应的数据结构中,是三维地质建模生成的第一步因为这种基于表面的数据模型不能表达体的内部特性,需要采用栅格或四面体等基于体的几维数据模型或混合数据模型来表达体内的非均质性[5]。数据转化主要是将基于面表达的体对象通过插值算法和约束四面体剖分算法转化为八叉树或四面体网格。向八叉树的转换主要采用克里金插值、分形插值等方法,向四面体网格的数据模型转换时把已经生成的表面数据作为面约束用于四面体剖分。
 
    可视化是以真实感图形方式来直观的向用户反馈数据生成的结果,并提供一定的实时交互功能,如场景的旋转、光照、缩放、平移、选择等基本操作。用户在三维场景中可以选择某个对象,然后查看该对象的相关属性或修改其显示特性(如颜色、纹理设置),可以从多个角度观察对象。专业分析功能包括任意剖面切割、三维缓冲区分析、挖方计算等,可以集成各种专业模型来满足特定需求。
 
    三维地质建模方法有两种:表面建模和内部建模。前者利用地质剖面(包括平行剖面和交叉剖面)或离散点数据来自动或半自动生成符合实际情况的三维地学模型的表面数据,来表达三维空间中复杂的地学现象(如断层、褶皱等);后者先利用物探、钻探、推算等手段获得一组地质体表面上的采样点数据,利用趋势面拟合或空间内插的方法获得地质体表面,再根据三维地质体特征,采用属性插值、地质解译、评估分析、统计预测等方法建立三维地学模型,恢复出蕴藏在三维地质体内部的各种属性信息[6]。
 
    2   应用
 
    目前,三维地质建模已经在油气资源勘探和开采、矿产资源评价和开发等领域得到了广泛应用,出现了Lynx、Vulcan、Datamine、Minecom、Medysystem、Surpac、GOCAD、Geoquest、Micromine、Gemcom、MineMap等软件。但在地下空间开发领域的应用还刚起步,如上海正在建设地下空间信息基础平台,北京正在建设三维岩土工程信息系统。2004年初以来,国土资源部相继与上海、北京、杭州、南京、天津、广州市政府签署了关于合作开展城市地质调查项日的协议书,其中一项重要内容就是建立城市地质信息管理与服务系统,利用三维地质建模系统建立三维城市地质模型,为地下空间开发、地质环境保护等服务。在这5个城市试点成功后,国土资源部计划把城市地质信息管理与服务系统推广到国内100个城市)下面结合有关工程项目介绍三维地质建模系统在地下空间选址、地下工程建设、地下空间管理中的应用。
 
    (1)在地下空间选址中的应用
 
    开展地质调查,摸清地质情况,是合理进行地下空间开发利用的前提。城市地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、地下街道、人民防空工程等的选线以及地下车库、地下商场、地下仓库等的选址必须了解当地的地质状况,以明确怎么样的地质条件适合开发什么样的地下空间,开发什么样的地下空间需要满足怎么样的地质条件。
 
    众所周知,地下空间是一种立体的空间。传统地质图件多是二维的纸质图,在这种平面图上,工程技术人员难以直观地了解当地的地质状况。另外,地下空间开发利用涉及许多信息,既包括基岩埋深、地层厚度、地层岩性、地下水位等地质信息,又包括地表建筑物桩基、地表交通布局、人口分布、居民区/商业区/工业区布局等其他信息。工程技术人员要查看多幅平面纸质图件后在脑海里进行综合考虑,是有很大难度的。即便把现有相关纸质图件数字化,再利用二维GIS对这些图件进行叠加分析,得到的结果也是不太直观的,而且这中间丢失了许多信息。
 
    利用三维地质建模系统生成城市三维地质模型,并在上表面叠加城市遥感影像,就可以使岩土工程师非常直观地了解城市每个地方的地质情况。利用三维地质建模系统提供的“切剖面”功能,岩土工程师在城市三维地质模型上表面随意划一条线,就可以知道该线下部的地质信息,如图2所示。这在城市地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、地下街道、人民防空工程等线型地下空间选址中特别有用。利用三维地质建模系统提供的“地下漫游”功能,岩土工程师在城市三维地质模型里随意设定一条漫游路径,就可以查看沿途的地质信息。这在地下车库、地下商场、地下仓库等点型地下空间选址中特别有用。
 
    如果三维地质建模系统集成r地下空间选址专业模型,计算机就可以根据现有数据资料自动进行地下空间选址评价,并划分出诸如“适宜开发区、较适宜开发区、不适宜开发区”,决策者可以再根据区位、工程量、工期、资金等其他因素进行定夺。此外,还可以利用三维地质建模系统对多个地下空间选址方案进行比较,根据设定的评价标准给每个方案打分,从而选出比较合理的地下空间选址方案。
 
    (2)在地下工程建设中的应用
 
    在地下工程建设中,让施工人员掌握与地下工程有关的地质信息是非常重要的。如果盲目施工的话,会给工程建设带来很多隐患,甚至出现工程事故。例如,掌握地下工程及其附近地区的地下水分布信息,可以避免突水事故,避免因突水而延误工期;地下工程建设往往要进行疏干排水,掌握地下工程及其附近地区的隐伏岩溶洞分布信息,可以避免岩溶塌陷灾害:又如,在地铁施工中,刨断电缆、光缆、输水管道等事件时有发生如果把地下网管模型集成到三维地质模型中,施工人员就可以清楚地知道地下网管的精确位置,避免上述事故的发生。
 
    利用三维地质建模系统建立三维地质模型,工程技术人员就可以直接在计算机屏幕上进行城市地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、地下街道、人民防空工程等的模拟开挖。系统会自动给出工程土方量,管理人员就能够根据工期以此安排多少台挖掘机、多少辆运土车、多少施工人员等。
 
    地下空间范围通常很大,如果要求实际工程打钻间隔比较密,就需要打很多钻,这样的L程建设成本就会很高。地质现象是空间展布的,而且有一定的规律性。利用三维地质建模系统的“插值”功能,可以实现“虚拟打钻”,即工程技术人员在计算机屏幕上就可以在三维地质模型的任意位置“打钻”。与传统物理打钻法相比,“虚拟打钻法”几乎不需要成本,而且效率很高。
 
    (3)在地下空间管理中的应用
 
    总的来说,地下空间管理包括对地层信息的管理、对地下工程的管理以及对地下流体(如地下水、地热资源)的管理。
 
    地层信息管理主要是对基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、地球物理、地球化学等信息的管理,特别是与地下空间开发利用有关的信息,如地表建筑、地层岩性、基岩埋深、地下水位、断裂构造、地震剖面、土壤化学性质等数据类型主要是空间数据和属性数据,可以采用现有商业化的数据库管理系统进行管理,如SQL2000或Oracle 9i。
 
    随着地下工程的建成,如何管理就提到议事日程上来了。在一个城市中,地下工程往往有许多类型,如地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、地下街道、人民防空工程、地下管网、地下车库、地下商场、地下仓库等。每种类型的长度、数量都很可观,而且归属不同的部门。例如,上海现有4000多栋高层建筑,与之相应的有相近数量的地下构筑物;上海的轨道交通到2010年将建成11条线,总长度达到510km左右;上海市政管线长度已超过40000km.其中自来水管道16382km、燃气管道10156km、雨水管道1575km、污水管道1391km、合流管道1210km、通信管道5000km。面对如此众多的地下构筑物、地下工程和地下市政设施,用传统手工方式进行管理肯定是不行的,必须采用计算机方式来管理。另外,每一个地下构筑物、地下工程和地下市政设施也是极其复杂的。例如,地铁就涉及路基、轨道、电力、照明、信号、排水、通风、通信等设施或设备,要管理的东西很多。
 
    如果建立地下空间数据库以及基于三维地质建模系统的地下空间信息管理平台,把三维地质模型和地下空间设施模型集成在一起,就可以对某个城市所有的地下空间信息进行统一管理。管理人员可以非常方便地对某类或某个地下空间信息进行查询,计算机还可以自动进行统计,如全市地铁线路及站台分布位置,某设备的空间位置及具体属性(这在故障检修时特别有用)。
 
    城市居民生产、生活离不开地下水,地下水占总城市供水量的比例已从1980年的14.0%增长到2000年的19.8%,其中华北、西北城市利用地下水比例分别高达72%和66%。过量开采地下水是我国城市发生地面沉降和地裂缝的主要原因。目前,全国已有50多个城市由于不合理开采地下水而发生地面沉降,大同等城市地面不均匀沉降加剧了地裂缝灾害。地面沉降和地裂缝会影响地下空间开发利用,有的甚至酿成事故,如上海4号线跨塌事件。另外,地下水分布与地下空间开发建设存在密切关系例如,地下空间开发建设要考虑有关地区的地下水位,要尽量避免干扰地下水径流。北京、西安等一些城市有着丰富的地热资源。地热可以作为清洁能源给城市地下空间供暖。因此,地下流体信息管理是地下空间信息管理的重要组成部分。
 
    3   结论
 
    但维地质建模的基本思路是通过设计合理的数据生成算法,自动或半自动生成符合实际情况的三维地学模型的表面数据,来表达三维空间中复杂的地学现象,然后将生成的数据存储到相应的洒满维数据结构中。再根据对象的表面数据,进一步利用各种插值算法或四面体剖分等算法生成以体元表达的实体三维数据,实现向其它数据模型的转化。在模型生成的基础上,实现三维模型的可视化,空间分析及专业应用。
 
    三维地质建模系统在地下空间选址、地下工程建设、地下空间管理等领域具有广阔的应用前景。利用三维地质建模系统生成城市三维地质模型,并在上表面叠加城市遥感影像,就可以为地下空间选址提供地质信息支持。如果三维地质建模系统集成了地下空间选址专业模型,还可以实现地下空间选址自动化。利用三维地质建模系统可以实现地下工程模拟开挖,有利于工程管理。采用“虚拟打钻”
 
    不仅可以节省成本,还可以提高工作效率利用三维地质建模系统,可以实现地层信息、地下工程信息以及对地下流体信息的高效管理。
 
    参考文献
 
    [1]童林旭.中国城市地下空间的发展道路[J].地下空间与工程学报,2005, l(1):l--6.
 
    [2]张芳,朱合华,吴江斌.城市地下空间信息化研究综述[J].地下空间与工程学报,2006,2(1):5--9.
 
    [3]朱合华,郑国平,张芳.城市地下空间信息系统及其关键技术研究[J].地下空间,2004,24(21):589--595.
 
    [4]潘炜,刘大安,钟辉亚,等.三维地质建模以及在边坡工程中的应用.岩石力学与工程学报,2004,23 (4):597--602.
 
    [5]未良峰,吴信才,刘修国.3DGIS支持下的城市三维地质信息系统研究.岩土力学,2004,25(6):882—886
 
    [6]张渭军,王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究.大地构造与成矿学,2006,30(1):108--113

标签:建模三维地质空间开发
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