CN101906771A - 辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，包括：1)采集疏浚工程勘测土质数据；2)将采集的土质数据建立土质数据库；3)基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，以及绘制疏浚工程三维土质图例标准，并存入数据库；4)耦合数据库数据和三维模型数据，实现疏浚工程土质的三维实时分析；5)导出分析成果。本发明所用装置简单、方法使用方便、采集数据快速准确、效率高、运行成本低，有助于提高疏浚工程勘测与设计效率，降低劳动强度，并能辅助提高挖泥船疏浚施工质量，适用于各种河道、码头、航道、港池等的各种土质条件下的疏浚工程。

Description

辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法

技术领域

本发明涉及一种土质分析方法。特别是涉及一种能够适用于各种土质条件下的疏浚工程的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法。

背景技术

疏浚工程大都在海底或河床作业，水下土质条件难以查明，且是动态变化的，给疏浚工程勘测、设计与施工带来了很大的困难。在疏浚工程勘测、设计与施工等各个阶段，需要获得各种土质信息，以便对施工设备和施工方法的选择提供直接有效的参考数据。但这些通过测量、勘探等手段获得的直接信息，往往都是一些离散不连续的局部数据，且数据量非常大，很难直接利用这些数据分析出它们水下的分布规律。传统的疏浚土质资料的处理和分析方法一般采用二维、静态的方式，例如原始勘探数据先通过手工方式填写然后再录入到数据库中，测量得到的浅剖面图需要大量繁琐的手工描绘工作，前期的勘测数据难以得到较好的维护，导致工作效率低，难以获得优化的施工方案。若将先进的计算机设备和技术引入到疏浚工程勘测、设计与分析中，采用PDA和无线网络传输数据，形成数据库，建立疏浚土三维数字模型，并结合挖泥船施工辅助决策系统进行一系列土质分析，可以达到控制工程施工成本、提高效益、提高疏浚工程施工水平与效率的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有装置简单、使用方便、运行成本低的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法。

本发明所采用的技术方案是：一种辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，包括如下步骤：

1)采集疏浚工程勘测土质数据；

2)将采集的土质数据建立土质数据库；

3)基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，以及绘制疏浚工程三维土质图例标准，并存入数据库；

4)耦合数据库数据和三维模型数据，实现疏浚工程土质的三维实时分析；

5)导出分析成果。

步骤1所述的土质数据包括有：水深测量数据、浅剖探测数据、钻孔勘探数据和室内试验数据。

步骤2所述的建立土质数据库，是根据疏浚规范和野外勘探特点，通过掌上电脑与无线网络方式快速、便捷地采集各种勘测数据，并在接收端服务器自动形成标准格式的疏浚工程土质数据库，包括有关联土质数据库、综合土质数据库和数据管理与查询数据库。

步骤3所述的基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，是针对不同勘测施工阶段的不同采用相对应的三维土质多尺度建模方法，建立满足实际工程精度要求的疏浚土质三维数字模型，所述的疏浚土质三维数字模型包括有水下地形建模、土级分类建模、土质分类建模和模型可靠性分析。

所述的三维土质多尺度建模方法，包括有直接拉伸建模法，点线混合建模法，网络线拟合建模法，边界线封闭建模法，以及基于坡比、超宽、超深、航道中心线数据的航道断面与航道曲面参数化建模方法。

步骤3所述的绘制疏浚工程三维土质图例标准是遵循两个规则：一是将一大类土质用一类相近的色系表示，用不同的深浅来区分；二是同时将二维图例与相应的颜色耦合，形成符合传统、直观且统一的三维图例标准，所述的土质包括有淤泥类、粘土类、粉砂类和砾石类。

步骤4所述的疏浚工程土质的三维实时分析，包括有：三维任意剖切分析、回淤分析、浚前/浚中/竣工疏浚工程量高精度计算、扫浅平面图分析和施工实时查询分析。

本发明的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，所用装置简单、方法使用方便、采集数据快速准确、效率高、运行成本低，有助于提高疏浚工程勘测与设计效率，降低劳动强度，并能辅助提高挖泥船疏浚施工质量，适用于各种河道、码头、航道、港池等的各种土质条件下的疏浚工程。

附图说明

图1是本发明的方法构成示意图；

图2是疏浚航道断面说明图。

图3是本发明的耦合疏浚工程二维土质图例的三维土质图例标准效果图；

图4是所建立的某疏浚工程土质三维数字模型图；

图5是基于三维土质模型的三维剖切分析模型图；

图6是基于三维土质模型自动生成(包括标注和图例填充)的二维剖面图；

图7是三维土质模型与施工辅助系统耦合的疏浚土质实时分析图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，是通过PDA和无线网络方式快速、便捷地采集各种勘测数据，并在接收端服务器自动形成标准格式的疏浚工程土质数据库，进而建立满足实际工程精度需要的三维土质模型，基于三维土质模型进行一系列疏浚土指标分析、剖面图自动生成、工程量计算、回淤分析等实时分析，为疏浚工程勘测、设计与挖泥船施工服务。具体包括如下步骤：

1)采集疏浚工程勘测土质数据；2)将采集的土质数据建立土质数据库；3)基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，以及绘制疏浚工程三维土质图例标准，并存入数据库；4)耦合数据库数据和三维模型数据，实现疏浚工程土质的三维实时分析；5)导出分析成果。实施例中所要分析的某港池疏浚工程研究区域为一长方形，长3000m，宽1400m，面积约4.2平方公里，水深为20m左右。该工程土质勘测资料众多，主要包括水深测量、布设166个钻孔勘探、17条浅剖线探测，以及相关的一系列测试试验成果，勘测、设计任务繁重，且施工过程中土质实时分析要求高。

下面按步骤具体说明本发明的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，

1)采集疏浚工程勘测土质数据；

本发明的采集疏浚工程勘测土质数据，主要通过服务器端及移动终端(GPS接收机和PDA)两部分进行，服务器端为数据统计分析中心，主要功能为对现场采集的数据进行整理和分析，以反馈指导设计和施工。服务器端采用B/S结构设计，掌上电脑(PersonalDigital Assistant，PDA)可以通过物理连接或GPRS与服务器端交换各种信息。移动终端为现场勘测人员随身携带，通过GPS进行移动定位，其主要功能是进行勘测数据采集，包括水深测量、钻孔勘探、浅剖探测和室内试验等多种数据，并进行简单的数据处理，以图表形式反馈至服务器端，形成相应的数据库。

2)将采集的土质数据建立土质数据库；

所述的建立土质数据库，是根据疏浚规范和野外勘探特点，通过掌上电脑与无线网络方式快速、便捷地采集各种勘测数据，并在接收端服务器自动形成标准格式的疏浚工程土质数据库，包括有关联土质数据库、综合土质数据库和数据管理与查询数据库。

3)基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，以及绘制疏浚工程三维土质图例标准，并存入数据库；

所述的基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，基于步骤1和步骤2所采集的分析数据，针对不同勘测施工阶段的不同采用相对应的三维土质多尺度建模方法，建立满足实际工程精度要求的疏浚土质三维数字模型，所述的三维土质多尺度建模方法，包括有直接拉伸建模法，点线混合建模法，网络线拟合建模法，边界线封闭建模法，以及基于坡比、超宽、超深、航道中心线数据的航道断面与航道曲面参数化建模方法。并提出了一套耦合二维土质图例的疏浚工程三维土质图例标准，实现土质对象模型和工程参照物对象模型的建立。

所述的疏浚土质三维数字模型包括有水下地形建模、土级分类建模、土质分类建模和模型可靠性分析。

所述的直接拉伸建模法：是用于钻孔数据少，且只有一个剖面情况下，直接以剖面轴线为中心向一边或两边进行三维拉伸，所建立的模型精度较低。

所述的点线混合建模法：该方法适用于钻孔点和剖面线一起成面，尤其是钻孔点与剖面线耦合在一起比较杂乱的情况，所建立的模型精度较高。

所述的网络线拟合建模法：该方法由一组相互垂直或近似垂直方向的网络线拟合成面，所建立的模型精度高。

所述的边界线封闭建模法：该方法每三或四条封闭线形成曲面，一个完整的土层面由很多个这样的曲面组合而成，能与原始数据保持严格一致，所建立的模型精度很高。

所述的基于坡比、超宽、超深、航道中心线数据的航道断面与航道曲面参数化建模方法：航道断面如图2所示，一般为倒梯形，其中包括设计断面和超挖断面。航道断面参数包括四个部分：底面两个控制点的平面坐标、设计挖深值、设计坡度值(即航道开挖边坡的坡比)和超宽、超深值，根据这些参数自动绘制出两条断面线：设计断面线和超挖断面线。进而，结合航道开挖轴线，采用曲面放样技术可快速准确地建立相应的航道曲面。

所述的疏浚工程三维土质图例标准遵循两个规则：一是将一大类土质用一类相近的色系表示，用不同的深浅来区分；二是同时将二维图例与相应的颜色耦合，形成符合传统、直观且统一的三维图例标准，如图3所示，所述的土质包括有淤泥类、粘土类、粉砂类和砾石类。建立如图4所示的土质对象模型和工程参照物对象模型。

4)耦合数据库数据和三维模型数据，实现疏浚工程土质的三维实时分析；

所述的疏浚工程土质的三维实时分析，包括有：三维任意剖切分析、回淤分析、浚前/浚中/竣工疏浚工程量高精度计算、扫浅平面图分析和施工实时查询分析，即挖泥船疏浚土实时分析(与挖泥船辅助决策系统配套)。

所述的三维任意剖切分析如图5所示，带属性信息的二维土质剖面自动生成如图6所示，挖泥船疏浚施工实时分析如图7所示。

其中的浚前/浚中/竣工疏浚工程量高精度计算的具体内容包括：基于所建立的三维土质模型，直接采用Gauss-Legendre求积公式进行运算，先用离散的方法将曲面区域划分为一系列矩形区域，每一区域经过变量代换后应用Gauss-Legendre求积公式求出该小块区域对应的面积和体积，然后经过求和即可得到整个区域的表面面积和总体体积，准确、快速地得到疏浚工程浚前、浚中和竣工不同阶段、不同方案下的工程量。

其中的回淤计算的具体内容包括：本发明基于疏浚工程三维土质统一模型，通过将任意两次水深测量图进行建模，计算比较，然后给出两图中各个回淤或冲刷位置的范围、面积，并分别统计回淤或冲刷工程量、总工程量等，为回淤分析提供可靠的直接数据。

其中的施工实时查询分析，即挖泥船疏浚土实时分析的具体内容包括：根据挖泥船施工辅助系统的GPS定位，如图7所示，基于已建立的三维土质模型实时显示耙头前进方向上一定范围内(横剖面、纵剖面和平切面)的土质状况，包括剖面中各个点的水深、土质分布、挖槽的设计深度到耙头的距离，以及预测的到达时间，并进行不同土质报警分析和土质-施工工艺配套分析。剖面中显示的图形、数据会随着耙头的移动方向动态更新。

5)导出分析成果，所述的分析成果有常用三维图形数据文件、二维CAD数据文件和常用图片文件。

Claims (7)

1.一种辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集疏浚工程勘测土质数据；

2)将采集的土质数据建立土质数据库；

3)基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，以及绘制疏浚工程三维土质图例标准，并存入数据库；

4)耦合数据库数据和三维模型数据，实现疏浚工程土质的三维实时分析；

5)导出分析成果。

2.根据权利要求1所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，步骤1所述的土质数据包括有：水深测量数据、浅剖探测数据、钻孔勘探数据和室内试验数据。

3.根据权利要求1所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，步骤2所述的建立土质数据库，是根据疏浚规范和野外勘探特点，通过掌上电脑与无线网络方式快速、便捷地采集各种勘测数据，并在接收端服务器自动形成标准格式的疏浚工程土质数据库，包括有关联土质数据库、综合土质数据库和数据管理与查询数据库。

4.根据权利要求1所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，步骤3所述的基于土质数据库构建疏浚工程土质三维数字模型，是针对不同勘测施工阶段的不同采用相对应的三维土质多尺度建模方法，建立满足实际工程精度要求的疏浚土质三维数字模型，所述的疏浚土质三维数字模型包括有水下地形建模、土级分类建模、土质分类建模和模型可靠性分析。

5.根据权利要求4所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，所述的三维土质多尺度建模方法，包括有直接拉伸建模法，点线混合建模法，网络线拟合建模法，边界线封闭建模法，以及基于坡比、超宽、超深、航道中心线数据的航道断面与航道曲面参数化建模方法。

6.根据权利要求1所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，步骤3所述的绘制疏浚工程三维土质图例标准是遵循两个规则：一是将一大类土质用一类相近的色系表示，用不同的深浅来区分；二是同时将二维图例与相应的颜色耦合，形成符合传统、直观且统一的三维图例标准，所述的土质包括有淤泥类、粘土类、粉砂类和砾石类。

7.根据权利要求1所述的辅助疏浚工程勘测、设计与施工的三维土质分析方法，其特征在于，步骤4所述的疏浚工程土质的三维实时分析，包括有：三维任意剖切分析、回淤分析、浚前/浚中/竣工疏浚工程量高精度计算、扫浅平面图分析和施工实时查询分析。

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