水利水电工程勘测三维可视化信息平台简介及其应用实例

徐　俊,冯明权,韩　旭,马丹璇,李　林

[长江岩土工程总公司(武汉),武汉　430010]

摘　要：“水利水电工程勘测三维可视化信息平台”包括“野外地质信息采集系统”“三维可视化地表扫描系统”“工程地质信息数据库管理系统”“三维地质建模技术及可视化系统”四个子系统,平台提出了“水利水电工程勘测一体化”解决方案,实现了水利水电工程勘测全生命周期的信息化,是水利水电工程勘测BIM技术必不可少的组成部分。

关键词：水利水电工程勘测三维可视化信息平台；野外地质信息采集系统；三维可视化地表扫描系统；工程地质信息数据库管理系统；三维地质建模技术及可视化系统；水利水电工程勘测BIM技术

基金项目：水利部技术示范项目“水利工程勘测设计三维协同技术示范应用”(SF-201717)；长江设计公司自主创新项目“水电工程全过程三维勘测设计技术研究与开发(一期)”(CX2015Z24)。

作者简介：徐俊,女,1981年7月出生,高级工程师,现主要从事三维地质建模及模型应用研究,26953625@qq.com。

1　引言

近十几年来,我国大型水利水电工程数量之多、规模之大、速度之快,举世瞩目。这些工程大都处于高山峡谷,工程地质条件复杂、勘测周期长、勘测信息量大。多年以来,大量的勘测信息一直都是基于人工管理和二维表达,往往不能充分表示地质体的空间变化规律,无法直接、完整、准确地展示地质条件,越来越不能满足工程设计的需求；并且勘测信息都是以文字、图表、图纸等格式保存,存在数据管理分散、共享效率低、更新速度慢等问题。因此借助于计算机科学可视化技术,直接从三维空间的角度、以数字化的形式去理解、表达和再现地质体与地质环境,进而辅助工程设计、施工与决策的“水利水电工程勘测一体化”解决方案,以实现水利水电工程勘测信息数据采集、数据储存、数据管理、数据利用无纸化、可视化,对提高我国水利水电工程信息化水平意义重大。

2　水利水电工程勘测BIM技术应用现状

水利水电工程勘测信息量巨大,而且来源很多,如平洞信息、钻孔信息、坑槽信息、地质测绘信息、地面露头信息及土工试验信息等,如何对大量的信息进行统一、有效地管理及利用,从数据采集开始,到数据储存、数据管理、数据处理、数据备份、数据传输、数据查询检索、统计计算、报告报表生成、勘察图件生成、地质三维模型的建立、三维空间分析和工程勘测的综合分析评价等工作,形成一套完整以三维为分析背景的信息化技术体系,是BIM技术在水利水电工程勘测中的应用核心。目前现有的工程勘测项目中野外地质信息采集仍采用传统方法,数据的采集主要依靠手工来完成,且野外数据信息都以纸介质形式记录,这给数据管理和数据共享带来了很大的困难,在某种程度上制约了数据资源效益的充分发挥。国内将三维激光扫描技术应用于大比例尺地形测量和三维建模的案例很多,但多为研究性应用,且多数还停留在纯手工处理阶段,并未实现完整的系统解决方案。目前国内外对数据库的研究领域大多集中在矿山、油田以及海洋地质及专项数据库管理系统,如基于MapGIS平台研制通用的地质灾害数据库管理系统；然而针对水利水电工程地质资料丰富、地质状况复杂的情况,没有太多专业的地质数据库应用于工程中。水利水电工程地质信息管理大部分还是基于传统的CAD二维模型的建构,表现形式单一,可视化表现不够形象立体。三维地质建模方面,目前国内外出现了GOCAD、Civil 3D、Geo Mo3D和理正地质GIS等三维地质建模软件,已经开发出的这些三维地质建模软件基本上都是用于油藏、矿山领域的,针对水利水电工程勘测领域而建立的地质三维建模软件并不多,对地质模型可视化分析针对性不强,难以满足专业功能需求。国内有单位自主开发三维岩土工程勘察信息系统,但无法实现与建筑结构等专业数据互通共享,难以进行各专业协同工作[1]。

3　水利水电工程勘测三维可视化信息平台建设

地质工作的工作流程是一个从数据收集到数据管理、再到数据应用的过程,“水利水电工程勘测三维可视化信息平台”以水利水电工程地质勘测的理论和技术方法为基础,以信息技术为支撑和工具,对水利水电工程地质勘测全流程进行改造和优化,包括时空数据的收集与采集、多源异构数据的管理与处理、行业知识点的储存与管理、数据与信息的传输与共享以及数据的多主题应用等。其主要目标是使数据、信息和知识等资源能够得到充分共享和利用,从而全面提升水利水电工程勘测的信息化水平,提高工作效率和质量,并可以为下一步工程设计和工程施工提供全面的地质数据支持和三维空间分析与设计、施工布置方面的技术支持。

“水利水电工程勘测三维可视化信息平台”为“水利水电工程勘测一体化”提出了解决方案(图1),实现了水利水电工程勘测全生命周期的信息化,是水利水电工程勘测BIM技术必不可少的组成部分。其研究内容包括以下四方面：一是开发“野外地质信息采集系统”,以先进的信息技术为依托,能够快速采集野外地质数据,快速形成工程地质勘测电子档案卡,提高技术人员采集数据的工作效率；二是引进并开发“三维可视化地表扫描系统”,引进先进的激光扫描仪,针对水利水电工程特点进行三维地形的相关研究和技术开发,包括利用三维激光点云和数字影像信息进行二维数字地形图、三维地形图的制作,形成满足地质、设计专业需求的DTM；三是建立全功能“工程地质信息数据库管理系统”,使地质信息数据数字化、标准化,实现测量、地质、勘探、物探、试验等数据储存、数据管理、数据处理、数据查询等,并基于此进行三维地质建模；四是开发“三维地质建模技术及可视化系统”,建立三维动态可视化地质模型,实现所有地质及工程信息的集成,并与大型有限元软件接口,实现对施工过程及工程运营过程的动态模拟,优化设计,指导施工。

野外地质信息采集系统、三维可视化地表扫描系统是整个系统的基础,工程地质信息数据库管理系统是核心,三维地质建模技术及可视化系统及数值分析是目标,它们之间的关系如图2所示。

3.1　野外地质信息采集系统研究

地质数据的来源是多种多样的,野外来源现场主要包括岩石露头、探槽、浅井、钻孔、坑道乃至山脉、高原、平原、田野、草原、沙漠和海洋,室内来源现场则主要包括各种物理、力学测试场所和化学分析实验室,野外现场和室内现场是地质数据采集最主要和最直接的源泉,它的特点是原始、真实、准确、现实,而且能提供全方位、多角度的原始数据,这些数据源统称为野外地质信息源。点运动成线,线运动成面,面运动成体,任何一个地质体均可用点、线、面来描述,因此野外地质信息源可分为三大类：点状信息源、线状信息源以及面状信息源。

野外数据采集系统是实现野外地质勘察信息化的一个重要组成部分,是计算机在地质领域重要应用之一。传统的野外地质数据的采集方式是使用野外地质记录簿,由于记录内容随意、记录格式不规范及野外的使用不方便等缺点,难以满足地学定量化和地质信息化的要求。野外数据采集系统的研究,将笔记本、GPS、数码相机等有机地结合,进行实地观测,采集重要的地质点元、线元、面元的信息及重要的地质现象的特性信息、图像信息和坐标信息,并将其存储在硬件中,在地质勘察工作中真正实现无纸信息化。某种意义上,这是野外地质勘察手段的一次全面革新。

长江岩土工程总公司(武汉)基于移动端开发了野外地质信息采集系统,该系统主要安装在平板电脑或大屏幕手机,具有如下主要功能：

(1)智能数字地质罗盘功能。开发了智能数字地质罗盘,具有水平仪、指南针功能,测定地质体产状,并可自动获取。

(2)GPS坐标定位功能。实现了坐标的准确定位和坐标数据自动采集,实现经纬度(WGS84)与北京坐标、西安坐标系统的转换。通过自定义坐标转换参数,实现了与世界大多数国家坐标系统转换。

(3)嵌入式照相功能。开发了嵌入式照相模块,实现了文字数据采集与图像采集的无缝衔接。并根据设备状态实现了图片自动旋转、图片的任意裁剪。对于钻孔岩芯的照相,自动根据钻孔编号编排岩芯照片文件名。

(4)地质信息采集功能。快速采集地质体信息,包括地质点数据、断层点数据、水文点数据、钻孔数据、节理裂隙数据及坑槽数据采集,还可以进行地层剖面实测等内容。

3.2　三维可视化地表扫描系统研究

三维可视化地表扫描系统开发,目的是实现三维可视化地表扫描外业数据采集和内业数据处理最优化,简化数据处理流程,提高数据处理效率和生产效率；使地形图标准化；提供现实地理环境的三维全景图,可以通过键盘、鼠标等控制设备,进行虚拟的站内漫游(不包括室内部分)。功能实现速度切换、视角大小切换、导航地图、全屏显示、距离测量、面积测量、截取当前屏幕的效果图(BMP格式)可打印、自由浏览、定速巡航浏览。

通过三维激光扫描设备选型及现场测试比较,选定RIEGL VZ-1000激光扫描仪作为三维可视化地表扫描系统仪器设备,该系统主要功能如下：

(1)真正实现无接触式测量。测量精度高、全数字化、测量方式灵活等特点,能够真正实现无接触式测量。解决了高陡斜坡、高山峡谷人不能去立尺的测量难题。

(2)快速形成地形图,且极大减轻了外业作业人员的劳动强度。

(3)地形图检查方便快捷。地形点云图与影像图叠加,较为真实地展示现场的地形地物情况,为地形图的检查提供真实的场景。甚至可以使地质、设计专家不到现场便可以看到现场的地形地质情况。

(4)为三维地质建模快速提供数据。三维可视化地表扫描快速生成三维点云数据,采用长江勘测规划设计研究院三维协同设计软件CATIA生成三维地形模型。

(5)利用三维激光扫描仪和高精度GPS系统,除可快速进行地形测量及地形图绘制、数字地形建模外,还可应用于地质勘察的平洞编录、施工地质基坑、边坡编录、岩体结构面快速统计及自然灾害调查、地质灾害监测等方面。

3.3　工程地质信息数据库管理系统研究

依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)及相关规程规范,确定数据库信息源由测量、物探、勘探、地质、施工地质、取样、试验和长期观测八大部分组成,完成了工程地质数据库管理系统的研发,系统由数据管理子系统及专题数据提取子系统组成。数据管理子系统为地质报告编辑、图件编绘、三维模型构建和地质体开挖分析、稳定性分析提供数据,提供数据编辑、多源信息集成、工程相关文档资料管理、用户管理等功能；专题数据提取子系统通过提取数据库中的相关数据进行试验数据统计分析和二维地质图件辅助编绘。

工程地质信息数据库管理系统主要功能如下：

(1)建立了基于广域网的工程地质信息数据库,实现工程地质数据的录入、批量导入、查询、删除、试验数据的分析统计、钻孔数据综合查询、成果表的导出等功能,并实现了数据上传、资料上传下载和历史钻孔文件导入等数据文件管理的功能。

(2)利用开发的独立于AutoCAD、支持DWG文件格式的绘图控件,实现快速绘制钻孔柱状图、工程地质平面图以及生成工程地质剖面框架图。

(3)实现了节理裂隙快速统计分析,可生成等密图、玫瑰花图、直方图及相应的统计数据,图形输出格式多样,且利用开发的绘图控件直接输出为DWG图形。

(4)基于管理人员开发了文档管理模块,对图件、地质报告、图片及文档进行管理,可浏览PDF类型的报告,浏览DWG格式的图形。具有照片浏览与编辑打印等功能,快速生成文件归档清单。

3.4　三维地质建模及可视化系统研究

近年来三维地质建模及可视化技术已成为国内外的研究热点。长江岩土工程总公司(武汉)基于CATIA软件研发了三维地质建模及可视化系统,其主要功能如下：

(1)基于CATIA搭建了三维地质建模平台—水利水电三维地质建模平台,大大简化入门及建模的难度。

(2)实现了地质的参数化建模及快速重构。地质数据库与CATIA地质建模平台的对接,成功实现地质数据库直接向CATIA导入地形点云数据、地质点数据、钻孔数据,而且能够实现对钻孔数据进行分层、快速生成三维钻孔等功能,极大提高了建模的效率。

(3)掌握了长线路大数据量航片的快速渲染技术。CATIA建模平台对地形进行渲染的传统方法,是通过输入航片的尺寸及中心点坐标来实现。通过二次开发,成功实现了将航片按坐标进行快速压缩、自动拼接功能,然后再进行渲染。这样不仅可以提高渲染的速度和效率,而且还可以保证渲染的精确性。

(4)掌握了复杂地形地质条件的建模技术。掌握了长线路复杂地形地质条件(包括断层、褶皱、溶洞等)的建模技术,使模型可准确地反映出工程区地形地貌、地层岩性及地质构造。

(5)实现了地质模型的材质和图片渲染功能,为了区分不同的地层岩性的结构形态,增加地质模型的视觉仿真效果,通过各种材料不同的图案或纹理,可以更加方便地查看各地层的属性和分布。

(6)地质体属性查询。地质体属性插件可快速查询地质体编码属性、物理力学性质等属性特征及地质体典型照片,实现了所有地质及工程信息的集成,有利于提高三维协同设计效率。

(7)实现了由三维到二维的参数化输出生成地质剖面图。

(8)CATIA软件与FLAC3D数值分析软件的无缝衔接：通过二次开发,实现了CATIA三维设计软件与FLAC3D数值分析软件的对接。

4　工程应用

4.1　三维地质建模

重庆市藻渡水库工程位于綦江区藻渡河上,坝址位置在河口上游约1.2km处,距重庆市区约80km。藻渡水库是一座以防洪、城乡供水、灌溉为主,兼顾改善生态环境和发电等综合利用为一体的大型水利工程。藻渡水库正常蓄水位为375.00m,总库容约2.0亿m3,调节库容1.35亿m3,防洪库容4975万m3,为Ⅱ等大(2)型工程。

该项目工程勘测利用“野外地质信息采集系统”移动端采集到藻渡水库下坝址区地质点及钻孔数据(图3),地质点数据包括地质点坐标、产状、描述以及照片等,钻孔数据包括钻孔岩芯描述,岩芯获得率及岩芯照片等。利用“三维可视化地表扫描系统”采集藻渡水库地形点云数据,导入CATIA建立地形模型(图4)。将地质数据导入“工程地质信息数据库管理系统”进行数据的统计、分析存储及管理,再利用数据库的接口程序将地质数据自动导入CATIA软件(图5),通过二次开发软件还可以在CATIA软件内部查询导入地质点的相关信息如坐标、描述及照片等,钻孔数据导入CATIA后采用不同的颜色对不同的地层进行区分,生成三维钻孔。

地质点、钻孔等数据导入完成后,采用曲面建模的方法构建高精度三维地质模型。结合三维地形模型建立地层分界面,地层分界面与三维地形模型进行分割或布尔运算,生成地质模型。三维地质建模是一个动态的过程,随着勘察阶段的不同,勘探精度的不断提高,如何依据最新的勘测资料及时更新先期建立的地质模型,得到工程不同时期或阶段的三维地质模型,是一个三维地质建模的一个技术难题,笔者研究出一套独特地质模型构建方法,成功实现了数据更新—模型局部动态更新—模型整体更新,突破了技术瓶颈,为三维协同设计提供了技术保障。

地质模型建立后,可采用不同的颜色对地质体进行区分,也可以将不同的地层和岩性应用不同的材料加以渲染(图6)。通过各种材料不同的图案或纹理,可以更加直观地看出各地层的属性和分布。另外也可以在材料库模块下,根据需要自行编辑材料,创建新的材料和材料库。可以先通过照相机实地拍摄不同地质体的典型照片,然后再根据照片来编辑相应的材料,并且能够对各种材料的杨氏模量、泊松比、密度、热膨胀和屈服强度等参数进行自定义,赋予各地质体真实的物理属性。

地质模型完成后还可以利用公司自主研发的地质体属性查询插件可查询地质体编码属性及物理力学性质等属性特征及地质体典型照片。通过研究与开发,首次以编码的形式实现了地质属性的表达,熟悉编码的人可以对地层信息一目了然,不熟悉编码的人通过编码属性查询也可以获取地层信息,为非专业人员提供了一种快速识别地质属性的途径。还研究了一种模型快速雕刻技术,创建了雕刻模板,可在地质模型上快速添加文字信息。

4.2　模型应用

4.2.1　二维地质出图

地质剖面快速出图主要分为4步：①确定剖面两端；②运行公司开发的模型剖切软件；③对剖面进行定位以及自定义剖切参数；④自动绘制标准格式地质剖面图(图7)。通过二次开发的剖切软件,可以快速地切割及输出标准化二维地质剖面,提高地质出图效率。CATIA本身带有剖切功能,但输出的剖面只包括线条,需要后期加上图框、图签、钻孔、标尺等,工作量大、较繁琐。通过二次开发的剖切软件,可以快速地切割及输出标准化二维地质剖面,极大提高工程设计效率[2]。

4.2.2　工程开挖计算

以藻渡水库导流洞进口边坡开挖为例(图8),首先根据设计方案建立开挖曲面,对地形模型进行分割计算,再由测量工具计算出开挖的方量。地质模型经导流洞进口边坡开挖曲面分割后,可以清晰直观的查看工程边坡的地质结构,指导工程方案设计。

4.2.3　岩土工程数值分析

通过二次开发,将CATIA地质模型网格数据的格式进行转化后,导入FLAC3D软件可进行岩土工程数值分析计算(图9),如边坡的稳定性分析、洞室的围岩应力分析等,为施工决策提供依据。

5　结语

“水利水电工程勘测三维可视化信息平台”获得发明专利3项、计算机软件著作权4项,平台已成功应用于多个大型水电项目,包括滇中引水工程、尼加拉瓜运河工程、KAROT水电站、孟东水电站等几十个项目,实现了工程地质勘察工作数字化、标准化、流程化,大大地提高了工程地质勘察的效率及质量,促进了水利水电工程勘测技术的进步。

参考文献

[1]李俊卫,黄玮征,王旭峰.BIM技术在工程勘察设计阶段的应用研究[J].建筑经济,2015,36(9)：117-120.

[2]韩旭,徐俊,马丹璇,等.基于CATIA三维地质模型二维出图的研究及应用[J].资源环境与工程,2015,29(5)：743-746.