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三维工程勘察虚拟现实可视化系统解决方案
2010年10月8日    评论:    分享:

    来源:北京超维创想信息技术有限公司

    背景介绍

    在工程勘察过程中产生的各类数据内容繁多,关系复杂,如何从庞杂的原始勘察资料中高效便捷地获取信息、真实准确地认识勘察场区地质特征,是目前工程勘察后期工作的重点和难点,而地理信息系统与科学可视化技术的结合——三维GIS技术的快速发展使得对勘察数据的综合分析、深层应用和三维展现成为可能,因此,三维工程勘察信息技术成为近几年来工程勘察行业的前沿和热点课题。基于此,我公司基于北京大学科研实力进行技术创新,研发完成了三维工程勘察信息系统Creatar ProjectExplorer 2.0,以更接近现实世界的方式表达、分析岩土工程信息为目标,弥补传统勘察视角的缺陷,以提高勘察设计单位在科研、技术方面的创新能力,增强企业在国内外市场的核心竞争力。

    系统概述

    本系统是基于GSIS 2.0真三维地学建模系统平台在工程勘察领域进行的扩展。GSIS 2.0是我公司具有自主知识产权的软件平台,它包括二维剖面图、平面图、柱状图、数据库管理系统、三维数字地形、三维可视化、三维地质体边界建模与地质体内部属性建模等模块,具有面向地学、模块完备的特征,同时具有良好的可扩展性和灵活性。

    三维工程勘察信息系统主要根据已知的岩土工程数据(如地层;地下水;地质构造及与这些岩土工程条件相关的物理、力学数据)、地理数据(如地形地貌信息等)、建构筑物数据(如建筑基础——天然地基、桩基、复杂地基;隧道及地下建筑;基坑等)以及工程分析数据在区域范围或单一的建构筑物范围内,实现多维数据的高效管理、钻孔柱状图和地质剖面图的制作、三维地质建模和三维海量多源数据的一体化表达以及三维空间几何及力学分析等功能,以满足勘察设计企业在工程勘察、岩土工程、规划场地评价、环境地质和水文地质、地质灾害评估以及工程分析计算前后处理等多方面的需要。

    系统总体架构

    根据工程勘察流程的需求,三维工程勘察信息系统包含了两个子系统,分别为二维工程辅助建模子系统和三维工程建模子系统,系统架构如下图所示。

三维工程勘察虚拟现实可视化系统解决方案

    其中,二维工程辅助建模子系统主要利用钻孔、物探等勘察数据绘制工程地质剖面,处理各种平面设计图,并为三维建模子系统提供拓扑面数据来源。三维工程建模子系统则主要以二维辅助建模子系统提供的数据为基础,构建地质体三维边界及内部属性模型,以及工程体构筑物建模,并提供三维可视化、空间分析等功能。

三维工程勘察虚拟现实可视化系统解决方案

    系统使用流程

    系统的使用流程如图2所示。首先基于钻孔数据,结合地形建立工程地质剖面,然后通过地质体三维边界建模形成地层、地质构造、地下水等三维可视化数据,然后基于工程设计平面图进行工程体构筑物建模形成基坑、隧道、地下建筑等三维数据,这两类数据可耦合一体化显示,进而可通过地质体内部属性建模形成地质体内部属性数据,通过其可考察地质体内部属性的不均一性,最后可以运用各种空间分析操作生成工程分析所需的数值面、数值体等数据,将其导出为ANSYS、FLAC3D等数值模拟软件所使用数据,数值分析结果可重新导入系统进行三维显示。

     模块功能介绍

    A.  二维工程辅助建模子系统

    该子系统主要完成利用钻孔等工程数据生成工程地质剖面,并实现对其存储、管理、编辑、可视化、质量检查等功能,输出符合三维建模要求的剖面数据。其具有的功能主要包括:

    (1)数据采集和管理功能

    具有钻孔空间和属性数据的查询、编辑功能,并且支持自定义属性列表(如图3)。

导入Excel和Access数据
导入Excel和Access数据

导入CAD数据

    B. 三维工程建模子系统

    三维工程建模子系统主要包括四个模块,分别为地质体三维边界建模模块、地质体内部属性建模模块、工程体构筑物建模模块和地学三维可视化模块

    (1)地质体三维结构建模模块主要功能

    支持封闭性检查、去除重复点、拓扑关系检查等检查工具;

    支持对地质体模型进行交、并、差等空间布尔操作;

    提供对地质体进行光滑处理的功能,实现了距离反比、BUTTERFLY等多种自适应光滑算法

三维结构模型
三维结构模型

奥运公园重点区三维结构模型
奥运公园重点区三维结构模型

     (2)地质体内部属性建模模块主要功能

    提供四面体插值、Kriging插值、距离反比插值、最近邻插值等多种属性插值方法;

    采用虚拟八叉树逻辑结构对地质体内部属性数进行有效管理;

    支持三维等值线、等值面、数值体的自动化提取以及基于体绘制技术的多样化显示,并支持属性数据的交互式查询;

    支持与ANSYS、FLAC3D等常用工程数值模拟软件的数据转换功能

三维属性模型
三维属性模型

    (3)工程体构筑物建模模块主要功能

    对二维数据进行平移、复制、缩放、旋转以及三维坐标配准等数据校准功能;

    支持基于法向拉伸、比例拉伸、轨迹线拉伸、轮廓线连接、特殊结构连接等多种建模方式,支持较规则模型的参数化构建;

    支持三维模型沿轨迹线复制、矩阵复制等方式,快速建立模型群

工程体构筑物模型
工程体构筑物模型

开挖的隧道模型
开挖的隧道模型

压缩模量模型
压缩模量模型

    (4)地学三维可视化模块主要功能

    支持地表DEM数据、遥感影像数据、地质图、地质体三维边界、地质体内部属性以及工程体等数据的集成显示;

    支持各种地学数据的显示参数进行个性化设置,如绘制场景灯光、材质、模型大小、颜色、宽度、透明度等,可对模型进行平移、缩放、任意放向拉伸、旋转等交互操作;

    支持对模型数据沿任意方向剖切的功能;

    支持地质体三维动态推进显示;

    支持三维模型的隧道、洞室开挖模拟及漫游功能;

    支持三维模型绘制场景的配置管理、可视化交互操作以及三维空间分析操作

点推进示意图
点推进示意图

属性模型栅栏图
属性模型栅栏图

     关键技术应用

    1) 三维地质结构模型构建

    (1)多元数据和多方法集成的高精度三维模型构建策略

            基于交叉折剖面的模型构建

            基于离散点的模型构建

            基于三维体布尔操作的模型构建

            基于平切面设计图的模型构建

    (2)三维地质模型精细化及动态更新

    (3)三维地质模型的评价与质量控制
                                              
    (4)三维地质模型的光滑处理

    2) 三维地质属性模型构建

    (1)基于混合体元模型的多精度属性模型构建

    (2)面向地学应用的插值方法

    3) 海量三维地质结构模型的运行

    (1)基于水平分块、垂向多分辨率(LOD模型)的海量三维结构模型操作

    (2)基于动态内存交换和多线程的海量结构模型操作

    4) 海量三维地质属性模型的运行

    (1)基于虚拟八叉树结构的真三维模型

    (2)面向海量体属性数据的LOD模型

    (3)内外存交换策略及多线程并行处理

           支持数据量>20G

     5) 多元数据一体化耦合显示

    (1)基于多场景管理与数据流的三维可视化引擎 
                                                        
    (2)基于切片和硬件加速的多元数据的耦合显示

    (3)基于辅助面与辅助线的空间定位与信息查询

多元数据一体化显示示意图
多元数据一体化显示示意图

    部分工程案例

        北京市奥运场区三维立体地质模型演示系统
        北京市勘察设计研究院三维岩土工程信系统
        镇江市示范区三维地质建模

标签:工程勘察
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