CN103150428A - 一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法。本发明的目的是提供一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法，解决地下洞室、勘探孔洞地质信息量大、多重地质分段建模繁琐、人机交互式建模效率低等问题。本发明的技术方案是步骤如下：1、对象分类及属性定义A，再为已分类的地质对象定义属性字段，然后都输出到对象分类及属性定义配置E中；2、几何参数输入B，对具体的地下洞室、勘探孔洞进行基线参数定义B1和截面参数定义B2；3、多重地质分段数据输入C，根据E，按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分类的地质体进行有产状地质界面分段C1和无产状地质界面分段C2；4、参数化自动建模D。本发明适用于水利水电、交通等工程实践。

Description

一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法

技术领域

本发明涉及工程地质和地学信息处理技术领域，尤其是一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法。适用于水利水电、交通（地铁、隧道）、矿山、军事等工程实践。

背景技术

随着工程地质学与信息技术的发展，在工程地质勘察信息化设计方面已逐渐形成了初步的理论与方法体系，并对工程勘察提出了的一体化设计的需求,使地质分析从二维分析跨越到三维空间分析，这些改变使地质分析可以更直观、更清晰、更方便，所采用的技术方法和手段也更高级，更多元化。

在工程地质勘查中，地下洞室和勘探孔洞都是非常重要的地质对象，地下洞室由不同功能的洞室（地下厂房、施工支洞、交通洞等）组成，勘探孔洞可以获取详细的岩土层分布状况。在各大工程项目中，地下洞室和勘探孔洞数量繁多，从横交错，所处的地质条件错综复杂，目前各专业软件中都没有较好的模块来解决地下洞室和勘探孔洞智能建模的问题，传统的设计，依赖工程师的手动建模，工作量大，且容易出现模型之间空间关系错误、地质体属性无法正常表达等问题，效率较低，近些年，国内也有人通过NURBS技术，构建三维地质或岩级模型和地下洞室、勘探孔洞模型，通过两模型之间的布尔运算，来赋予模型以地质体属性，这种方法为了赋予模型属性还需额外建模及运算，自动化程度很低，耗时易出错，为此，有必要在过往积累的经验和测量的数据基础上，提出一种智能快速的地下洞室、勘探孔洞建模方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法，旨在解决地下洞室、勘探孔洞地质信息量大、多重地质分段建模繁琐、人机交互式建模效率低等问题，试图提高生成地质模型的速度，满足模型精度需求，为工程前期勘察设计和施工期掘进支护实时提供反映最新地质情况的三维数字化的基础资料。

本发明所采用的技术方案是：一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法，其特征在于包括以下步骤：

1、对象分类及属性定义A，对本方法所涉及的地质对象进行分类，类别包括地质体、勘探孔洞和地下洞室，再为已分类的地质对象定义属性字段，包括基本属性、地质体属性、几何体属性和CAD图形属性，然后都输出到对象分类及属性定义配置E中；

2、几何参数输入B，根据对象分类及属性定义配置E，对具体的地下洞室、勘探孔洞进行基线参数定义B1和截面参数定义B2，并将所述的定义数据输入地质数据库或数据文件F中；

3、多重地质分段数据输入C，根据对象分类及属性定义配置E，按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分类的地质体进行有产状地质界面分段C1和无产状地质界面分段C2，并将所述分段的地质体属性数据和地质界面的位置数据输入地质数据库或数据文件F中；

4、参数化自动建模D，根据步骤1对象分类及属性定义A输出的对象分类及属性定义配置E，以及步骤2和步骤3输入的几何参数和多重地质分段数据，按用户建模要求进入无地质分段建模D1、有产状地质界面分段建模D2和无产状地质界面分段建模D3中的一种，对分段的模型赋予模型属性D4，生成勘探孔洞或地下洞室的地质三维模型。

所述基线参数定义B1的数据包括基线各段的起点坐标、终点坐标、基线段类型、圆弧类型和圆弧半径，其中基线段类型有直坡线洞段、竖井洞段、斜井洞段和螺旋线洞段、倒角线洞段五种，勘探孔洞和地下洞室的基线是由一个或多个组合的基线段组成。

所述截面参数定义B2的数据包括截面类型和截面形状参数，其中截面类型包括矩形、城门形、圆形和四心圆形，都统一采用最复杂的四心圆形的四个形状参数描述，勘探孔洞和地下洞室的每个基线段的起点和终点都要进行截面参数定义B2。

所述地质界面的位置数据是指勘探孔洞或地下洞室中地质界面上任意一点的位置数据，包括勘探孔洞或不同基线段类型地下洞室描述适用的深度、桩号、斜距和高程，以及用于洞截面相对位置描述的横向偏距和纵向偏距。

所述地质体包括地层、岩性层、构造带、风化带、卸荷带、岩脉、矿体和洞室围岩；勘探孔洞包括钻孔、平洞、探井、探坑和探槽；地下洞室包括地下厂房、交通隧洞、引水隧洞和矿井巷道。

所述基本属性包括类型编码、类型名称、从属关系和对象编号；地质体属性包括地层代号、地质时代、岩性名称、风化程度、卸荷程度、紧密程度、岩体结构、岩体质量、围岩类别、元素富集程度、岩溶程度、围岩破坏类型、施工方法和支护类型；几何体属性包括基线参数和截面参数；CAD图形属性包括图层、颜色、线型、线宽、填充、透明度和渲染样式。

所述有产状地质界面分段C1需输入地质界面在勘探孔洞或地下洞室内的一个或多个采集点的位置数据，以及采集点处地质界面的产状数据；无产状地质界面分段C2需输入人为判定的地质界面的位置数据。

所述无地质分段建模D1是依据勘探孔洞或地下洞室的基线参数定义和截面参数定义数据，通过勘探孔洞或地下洞室的分段截面沿分段基线扫掠生成CAD实体模型；有产状地质界面分段建模D2和无产状地质界面分段建模D3都属于地质分段建模过程，都需要利用地质界面模型进行布尔剪切运算，两者的区别在于前者按地质界面实际空间方位进行剪切处理，后者按简化的垂直地质界面进行剪切处理。

所述赋予模型属性D4是要为每一个分段模型赋予基本属性、扩展属性和链接属性，其中扩展属性包括地质体属性、几何体属性和CAD图形属性；链接属性是为基本属性和扩展属性再附加一个定制的数据查询链接，以便根据选定的基本属性和扩展属性从地质数据库或数据文件F中检索特定对象的详细数据。

本发明的有益效果是：本发明是基于数据驱动的，利用多次布尔运算建模，无需经过复杂的数据处理工作，即可构建地下洞室、勘探孔洞模型。本发明在工程勘察领域中的应用前景非常大，经过对工程勘察项目需求的长期积累，定义了多种地下洞室、勘探孔洞形态参数，直接利用对象分类及属性定义的配置文件、数据库或数据文件中的地质信息建模，这样即实现了实际工程项目中的地质对象定义、数据保存，又提高了后续建模的智能性，整个工作流便于校核和检查，成果质量便于控制，满足了工程各种实际需要，使三维模型不仅仅用来表达勘查结果，更可以对勘察资料进行分析和校核，如果出现地质属性分布不合理等现象，可以及时发现、及时纠正，对勘察工作起到指导和辅助决策的作用。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明地下洞室基线分类示意图。

图3是本发明地下洞室截面定义示意图。

图4是本发明地下洞室弧形洞段切割示意图。

图5是本发明引水隧洞建模结果示意图。

图6是本发明地下洞室建模属性查询示意图。

图7、图8、图9分别是地质体（地层）、地下洞室、勘探孔洞的效果图。

具体实施方式

下面结合图1流程图，以锦屏二级水电站辅助洞（为引水隧洞，属于地下洞室类）建模为例，具体实施步骤如下：

1、对象分类及属性定义A：

将对象进行分类，为分类的对象定义个性化的属性字段，然后都输出到对象分类及属性定义配置E中。

对象分类包括地质体，如地层、岩性层、风化带、卸荷带、岩体结构、围岩分类；勘探孔洞，如钻孔、平洞、探井、探坑、探槽；地下洞室，如地下厂房、交通隧洞、引水隧洞、矿井巷道。

属性定义包括对象的基本属性，如类型编码、类型名称、从属关系、对象编号；地质体属性，如地层单元、岩性、风化程度、卸荷程度、紧密程度、岩体结构、岩体质量、围岩类别、元素富集程度、岩溶程度、围岩破坏类型、施工方法、支护类型；几何体属性，如基线参数、截面参数；CAD图形属性，如图层、颜色、线型、线宽、填充、透明度、渲染样式。

2、几何参数输入B：

根据对象分类及属性定义配置E，将具体地下洞室的基线参数B1和截面参数B2输入地质数据库或数据文件F中。

在为具体的地下洞室输入基线参数B1和截面参数B2时，将任意数量的基线按照不同类型和顺序首尾连接，且每一基线段都用统一的参数进行描述，然后为每个基线段的起点和终点定义相同或不同的截面类型，也用统一的参数进行描述。

基线参数定义B1：

地下洞室的基线定义，如图2所示，本文定义了五种地下洞室基线段基本类型，分别是直坡线洞段、斜井洞段、竖井洞段、螺旋线洞段和倒角线洞段，复杂的地下洞室基线由一个和多个连续的基线段组成。结构相对简单的前三种洞室基线段通过起终点坐标即可表达完整，后两种洞室基线段除了给出基线段起终点坐标，还需要定义其弧线的方向和大小，本例用顺优弧、顺劣弧、逆优弧、逆劣弧来进行数学描述。判识的依据：大于半圆的弧叫做“优弧”，与优弧相对的是“劣弧”，即小于半圆的弧。基线段从起点到终点的圆弧具有指向性，本例用顺、逆来描述，表示为顺时针方向和逆时针方向。基线段为顺时针且大于半圆的弧，那么称之为顺优弧，其他依次类推。

如是勘探孔洞，钻孔基线定义为只有一个直坡线洞段的特例，钻孔以外的其他勘探孔洞基线定义为有一个或多个连续直坡线洞段的特例。勘探孔洞基线定义都可通过基线各线段的起终点坐标表达完整。

截面参数定义B2：

地下洞室的截面定义：如图3所示，本例定义了统一参数b1、b2、h1、h2表达四种洞室截面：矩形截面两个参数b1、h1，城门形截面三个参数b1、h1、h2，圆形截面一个参数b1，四心圆形截面四个参数b1、b2、h1、h2。在定义截面参数时，要注意参数之间的逻辑关系，矩形、城门形、圆形都看作是四心圆形的特例，即矩形截面b2默认等于b1、h2默认等于0；城门形截面b2默认等于b1；圆形截面b2、h1默认等于b1、h2默认等于b1/2。

如是勘探孔洞，其截面参数定义与地下洞室相同，钻孔的截面始终为圆形，其他勘探孔洞的截面为矩形。

通过洞室基线参数定义B1和截面参数定义B2，完成地下洞室的几何描述。

3、多重地质分段数据输入C：

根据对象分类及属性定义配置E，按照地下洞室揭露的不同分类地质体进行有产状地质界面分段C1和无产状地质界面分段C2，并将所述分段的地质体属性数据和地质界面的位置数据输入地质数据库或数据文件F中。

所述地质界面的位置数据是指地下洞室中地质界面上任意一点的位置数据，包括用不同基线段类型描述的深度、桩号、斜距和高程，以及用于洞截面相对位置描述的横向偏距和纵向偏距。

地下洞室的地质分段划分为有产状地质界面分段C1（如岩层分段）和无产状地质界面分段C2（如风化分段），其中有产状地质界面分段需输入地质界面一个或多个采集点的位置数据以及这些采集点上地质界面的产状数据；无产状地质界面分段只需输入地质界面采集点的位置数据。其中，地下洞室的深度、桩号、斜距和高程是为了定义揭露点坐标，而揭露点坐标还与与洞室基线有关，规则如下：直线形和螺旋线洞段仅由桩号和偏距即可决定揭露点位置；斜井洞段由桩号、偏距和斜距决定；竖井和倒角线洞段由桩号、偏距和高程决定。如是勘探孔洞，其揭露点坐标由方位角、倾角、距离孔口或洞口的孔深或洞深来决定。

4、参数化自动建模D：

根据步骤1对象分类及属性定义A输出的对象分类及属性定义配置E，以及步骤2和步骤3输入的几何参数和多重地质分段数据，即地质数据库或数据文件F，按照用户选择的地质分段建模方式进行自动建模，并为分段模型自动赋予模型属性。

1）创建分段模型：

该过程会根据用户分段建模的选择进入无地质分段建模D1、有产状地质界面分段建模D2或无产状地质界面分段建模D3中的一种。

实施例：

Ⅰ.根据基线参数定义，一次性生成地下洞室基线，基线段有先后次序且不相连；

Ⅱ.根据界面参数定义，在基线各段的起点和终点放置截面形状，可选择垂直和竖直两种放置方式；

Ⅲ.沿着基线扫掠截面，生成地下洞室实体模型；

Ⅳ.根据用户选择的地质分段建模方式，对地下洞室实体模型进行布尔运算（切割）；

Ⅴ.重复步骤Ⅰ-Ⅳ，依次对所有地下洞室进行地质分段建模处理。

在上面的步骤Ⅰ中，一次性生成洞室基线操作，需特别说明：当基线段为弧形时，即螺旋线形或倒角线形时，本例定义了四种类型：顺优弧、顺劣弧、逆优弧、逆劣弧，描述了弧形基线段的方向和大小。

在上面的步骤Ⅲ中，扫掠截面生成地下洞室实体模型操作，有两种情况需特别说明：当一段基线两端点的截面类型和参数相同时，扫掠生成的洞室面无渐变；当一段基线两端点的截面类型不同时，或者界面相同而界面参数不同时，扫掠生成的地下洞室模型有渐变效果。

在上面的步骤Ⅳ中，对地下洞室进行地质分段建模操作，有两个问题需特别说明：当切割直坡线洞段、斜井洞段、竖井洞段时，根据洞室基线段方向就能判断洞室模型切割后的前后两部分；当切割螺旋线洞段和倒角线洞段时，要判断洞室模型切割后的前后两部分需特殊处理，如图4所示，主要解决两个问题：①当用一足够大的面切割弧形洞室模型时，可能会切割出多个分段，生成不只一个断面，此时需根据揭露点坐标做排除，保留正确的那一个断面；②提取正确断面与基线交点的切线，结合该切线和断面法线，即可判断洞室模型切割后的前后两部分。地下洞室地质分段建模的效果如图5所示。

2）赋予模型属性：

当完成地下洞室的建模操作后，即可对模型赋予地质属性，以洞室模型为例，结果如图6所示。本发明中属性分类见下表，其中基本属性和扩展属性是通过建立模型和属性的关联，属性依附在模型上面的，而链接属性是通过前两类属性链接展开的，实时读取地质数据库或数据文件F中的相关数据，方便用户在需要时，检查和查询更多有关地下洞室（或勘探孔洞）的属性信息。如表1所示。

表1

Claims (9)

1.一种基于地质信息的地下洞室自动建模方法，其特征在于包括以下步骤：

1.1、对象分类及属性定义（A），对本方法所涉及的地质对象进行分类，类别包括地质体、勘探孔洞和地下洞室，再为已分类的地质对象定义属性字段，包括基本属性、地质体属性、几何体属性和CAD图形属性，然后都输出到对象分类及属性定义配置（E）中；

1.2、几何参数输入（B），根据对象分类及属性定义配置（E），对具体的地下洞室、勘探孔洞进行基线参数定义（B1）和截面参数定义(B2)，并将所述的定义数据输入地质数据库或数据文件（F）中；

1.3、多重地质分段数据输入（C），根据对象分类及属性定义配置（E），按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分类的地质体进行有产状地质界面分段(C1)和无产状地质界面分段(C2)，并将所述分段的地质体属性数据和地质界面的位置数据输入地质数据库或数据文件（F）中；

1.4、参数化自动建模（D），根据步骤1.1对象分类及属性定义（A）输出的对象分类及属性定义配置（E），以及步骤1.2和步骤1.3输入的几何参数和多重地质分段数据，按用户建模要求进入无地质分段建模(D1)、有产状地质界面分段建模(D2)和无产状地质界面分段建模(D3)中的一种，对分段的模型赋予模型属性（D4），生成勘探孔洞或地下洞室的地质三维模型。

2.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述基线参数定义（B1）的数据包括基线各段的起点坐标、终点坐标、基线段类型、圆弧类型和圆弧半径，其中基线段类型有直坡线洞段、竖井洞段、斜井洞段和螺旋线洞段、倒角线洞段五种，勘探孔洞和地下洞室的基线是由一个或多个组合的基线段组成。

3.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述截面参数定义（B2）的数据包括截面类型和截面形状参数，其中截面类型包括矩形、城门形、圆形和四心圆形，都统一采用最复杂的四心圆形的四个形状参数描述，勘探孔洞和地下洞室的每个基线段的起点和终点都要进行截面参数定义(B2)。

4.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述地质界面的位置数据是指勘探孔洞或地下洞室中地质界面上任意一点的位置数据，包括勘探孔洞或不同基线段类型地下洞室描述适用的深度、桩号、斜距和高程，以及用于洞截面相对位置描述的横向偏距和纵向偏距。

5.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述地质体包括地层、岩性层、构造带、风化带、卸荷带、岩脉、矿体和洞室围岩；勘探孔洞包括钻孔、平洞、探井、探坑和探槽；地下洞室包括地下厂房、交通隧洞、引水隧洞和矿井巷道。

6.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述基本属性包括类型编码、类型名称、从属关系和对象编号；地质体属性包括地层代号、地质时代、岩性名称、风化程度、卸荷程度、紧密程度、岩体结构、岩体质量、围岩类别、元素富集程度、岩溶程度、围岩破坏类型、施工方法和支护类型；几何体属性包括基线参数和截面参数；CAD图形属性包括图层、颜色、线型、线宽、填充、透明度和渲染样式。

7.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述有产状地质界面分段（C1）需输入地质界面在勘探孔洞或地下洞室内的一个或多个采集点的位置数据，以及采集点处地质界面的产状数据；无产状地质界面分段（C2）需输入人为判定的地质界面的位置数据。

8.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述无地质分段建模（D1）是依据勘探孔洞或地下洞室的基线参数定义和截面参数定义数据，通过勘探孔洞或地下洞室的分段截面沿分段基线扫掠生成CAD实体模型；有产状地质界面分段建模（D2）和无产状地质界面分段建模（D3）都属于地质分段建模过程，都需要利用地质界面模型进行布尔剪切运算，两者的区别在于前者按地质界面实际空间方位进行剪切处理，后者按简化的垂直地质界面进行剪切处理。

9.根据权利要求1所述的自动建模方法，其特征在于：所述赋予模型属性（D4）是要为每一个分段模型赋予基本属性、扩展属性和链接属性，其中扩展属性包括地质体属性、几何体属性和CAD图形属性；链接属性是为基本属性和扩展属性再附加一个定制的数据查询链接，以便根据选定的基本属性和扩展属性从地质数据库或数据文件（F）中检索特定对象的详细数据。

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