CN110211231B - 一种三维地质灾害信息模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维地质灾害信息模型建模方法，所述方法包括：收集并整理地质灾害信息模型相关数据，并对相关数据进行数字化处理；构建三维地质灾害模型；基于数字化处理后的数据，构建地质灾害信息数据库；将三维地质灾害模型与地质灾害信息数据库进行关联，建立三维地质灾害信息模型；其中，构建三维地质灾害模型包括：构建三维地形环境模型；对钻孔数据进行处理；基于处理后的钻孔数据，构建三维地质灾害模型；本方法真实地反映地质灾害三维空间位置及形态，并实现对大量地质灾害多源数据的集成、分析，提高地质灾害模型的应用效率和水平。

Description

一种三维地质灾害信息模型建模方法

技术领域

本发明涉及地质灾害信息化管理领域，具体地，涉及一种三维地质灾害信息模型建模方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展，人类工程活动的不断增强，地质灾害对交通基础设施的影响越来越大，已引起管理部门的高度重视。尤其对我国西部山区来说，交通改建项目越来越多，项目的建设，必然会对周围生态环境和地质环境产生一定的影响，加之西部山区地质构造复杂、岩土体差异明显，山高谷深，暴雨频率高、强度大，极易引发大规模崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害，从而对交通基础设施及沿线居民构成极大的威胁。

在我国，几乎所有的山区公路都不同程度地受到各类地质灾害的危害，给公路交通造成的经济损失十分惊人。据不完全统计，近十年来我国公路基础设施每年因地质灾害造成的直接经济损失达数10亿元，间接经济损失同样也很大。而且，因公路工程建设活动引发的地质灾害造成的人员伤亡和经济损失还有不断上升的趋势。因此，在公路建设快速发展的形势下，加强地质灾害的研究，做好地质灾害的防范和治理工作，保障公路畅通和行车安全已经越来越紧迫。

地质灾害是造成公路损坏、影响公路建设和运营的主要危险源，建立地质灾害信息模型表示和共享灾害信息是地质灾害防治的前提。传统的数据库系统只能对属性数据进行管理，而灾害相关信息通常是包含空间特征的数据，且越来越多的应用模型是基于空间特征上建立的，因此仅用传统数据库系统已不满足需要。近年来，随着信息技术的不断发展，地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)以其对空间数据的存储、查询、分析和处理功能，目前已广泛应用于各个领域。因此，利用地理信息系统技术，对复杂的地质灾害空间数据进行采集、存储、分类、查询检索，以及建立应用模型将大大提高工作效率与效益。

目前，基于GIS的地质灾害建模多为二维模型，或者直接将地质灾害体抽象为点，在几何建模、分析功能和交互功能方面难以满足使用人员的要求；在少量的关于三维不良地质体的研究中，重点集中于三维地质体的构建，地质灾害信息的存储及利用研究还停留在较浅层次，如铁路选线应用等。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种建立三维地质灾害信息模型的方法，真实地反映地质灾害三维空间位置及形态，并实现对大量地质灾害多源数据的集成、分析，提高地质灾害模型的应用效率和水平。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种三维地质灾害信息模型建模方法，所述方法包括：

收集并整理地质灾害信息模型相关数据，并对相关数据进行数字化处理；

构建三维地质灾害模型；

基于数字化处理后的数据，构建地质灾害信息数据库；

将三维地质灾害模型与地质灾害信息数据库进行关联，建立三维地质灾害信息模型；

其中，构建三维地质灾害模型包括：构建三维地形环境模型；对钻孔数据进行处理；基于处理后的钻孔数据，构建三维地质灾害模型。

地质灾害信息模型是以地质灾害的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的灾害模型，通过三维可视化技术显示地质灾害所具有的真实信息。

进一步的，构建三维地质灾害模型包括：

构建地质灾害体表面：对获取的地质影像数据进行三维可视化分析以及影像动态分析处理，提取地质灾害体的表面范围、形状等信息；将提取的地质灾害体的正射影像圈定，将圈定的范围转换成点的坐标数据，基于转换的坐标数据生成地质灾害体的边界线、地质灾害体表面，将生成的边界线、表面叠加到建立的三维地形环境模型中；

钻孔插值：根据已有钻孔数据，在已有钻孔间插入虚拟钻孔，再结合ArcGIS地统计方法中的克里金法(Kriging)进行钻孔数据的插值处理

地质灾害体建模：通过对钻孔数据进行分层提取，构建出地质灾害所在区域的地层TIN模型和地质灾害体的表面和底面TIN模型，并确定每一层的不良地质范围，填充层间的岩层属性。

进一步的，构建三维地形环境模型包括：对地形图进行矢量化处理，将含有高程信息的等高线文件和高程点文件作为构建数字高程模型的数据源存放在数据库中，创建三维地形环境模型。

进一步的，本方法还包括：将获取的影像图与三维地形环境模型进行叠加。

进一步的，对钻孔数据进行处理，包括：

对用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据进行逐一编号，并分别获取地面钻孔点以及滑移面和滑床分界点的坐标，统计整理形成用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据。

进一步的，将钻孔的位置坐标、地层层序、地层厚度、岩性、孔口高程以及孔深进行统计整理，形成用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据。

进一步的，地质灾害数据库包括空间数据库和属性数据库两部分，空间数据库包括基础地理信息、地形信息、工程地质信息、水文气象信息、地质灾害空间几何信息，属性数据库包括和空间位置无直接关系的补充信息。

进一步的，空间数据库和属性数据库中的多源数据分别储存、相互独立，通过统一编码来实现属性数据库和空间数据库的连接，用于ArcGIS对数据库信息的访问和管理。

进一步的，将地质灾害数据存储到地质灾害数据库时添加具有唯一标识的编码实现属性数据与三维空间数据的统一。

进一步的，基于ArcGIS的三维建模功能，通过对钻孔数据进行分层提取，运用Delaunay算法构建出地质灾害所在区域的地层TIN模型和地质灾害体的表面和底面TIN模型。

本方法提出地质灾害信息模型的概念，该概念的提出启发于建筑信息模型(BIM)的思想，地质灾害信息模型由地质灾害三维模型融合与其相关的多源、多维数据形成，这些数据都必须是数字形式的信息。

本方法中所述三维地质灾害信息模型建模方法构建的三维地质灾害模型不仅包括三维可视化模型模块，还包括数据库模块。

本方法中所述三维复杂模型模块是基于钻孔数据进行地质灾害实体模型和灾害所在区域地质模型的建模，关键在于采用插入虚拟钻孔和克里金法相结合的方法对钻孔数据进行插值处理，从而使建立的三维模型更贴合实际。

本方法中所述数据库模块用于在GeoDatabase地理数据库基础上编辑地理数据类型、添加删除图层、在图层上添加属性要素和数值以及存取地理数据；同时在SQL Server数据库中修改、添加、删除地质灾害属性信息。GIS技术结合SQL Server数据库能将多源信息集成到数据库中，实现地质灾害信息统一存储、规范化管理。

本方法中建立的地质灾害信息模型能够用于对三维地质灾害模型进行可视化处理，在三维模型上添加自定义标注，查询三维模型的参数信息，以及修改三维对象的属性，实现地质灾害模型的直观展示和信息共享。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明所述三维地质灾害信息模型建模方法构建的三维地质灾害模型和灾害区域地质模型是基于插值后的钻孔数据构建而成，能够更真实地反映地质灾害在空间中的赋存状态；三维模型连接数据库，能够实现地质灾害信息的编辑和查询。本发明中所有关于三维模型的界面中，均可以通过三维模型中的每个对象来查询到三维模型中的所有具体信息，避免了三维模型中只有视觉直观却无文字说明的缺点，在直观上不失细致。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明所述三维地质灾害信息模型建模方法流程示意图；

图2为本发明实施例中三维地表模型示意图；

图3所构建形成地质灾害数据库框架示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本方法提出的三维地质灾害信息模型构建方法包括下列步骤：

(1)创建三维几何模型；

根据项目需求和特点，梳理地质灾害相关的空间信息和属性信息，建立地质灾害三维模型。具体流程为：

1)三维地形环境模型构建；

在对地形图矢量化后，建立含有高程信息的等高线文件和高程点文件作为构建数字高程模型的数据源，存放在数据库中，利用ArcGIS的3DAnalyst模块创建三维地形模型。然后将获取的影像图与地形模型进行叠加，从而使地形模型表面拥有了真实的地物，更加接近现实环境。

2)钻孔数据处理；

用于地质灾害体建模的钻孔数据应逐一进行编号，并分别获取地面钻孔点以及滑移面和滑床分界点的坐标，最后将钻孔的位置坐标、地层层序、地层厚度、岩性、孔口高程以及孔深等信息进行统计整理，形成用于地质灾害建模的钻孔数据。在整理钻孔地理位置坐标时，注意区分直孔和斜孔的情况。

3)基于钻孔数据的三维地质灾害模型构建；

①构建地质灾害体表面；

对获取的地质影像数据进行三维可视化分析以及影像动态分析处理，提取地质灾害体的表面范围、形状大小等信息。将解译得到的地质灾害的正射影像圈定，再把圈定的范围转成点的坐标数据，以Excel的数据格式保存。在ArcScene中将三维坐标点转化成线要素，再由线要素生成面要素，叠加到建立的三维地形环境模型中，实现地质灾害体的表面表达。

②插入虚拟钻孔；

根据已有钻孔数据大致推断出地层的变化，结合获取的地质体剖面图，在相邻两个钻孔或多个钻孔之间，插入“虚拟钻孔”，得到虚拟钻孔的属性数据，与已有真实钻孔数据合并存储。

③地质灾害体建模；

为构建不同地层的TIN模型，在建模之前需对钻孔数据进行分层处理。即在ArcScene中利用“按属性选择”功能，将不同地层、地质灾害体表面(H)和底面(L)的钻孔点筛选出来，然后将点要素分别保存成为独立的图层。对每一个独立的图层，分别运用ArcGIS地统计方法中的克里金法(Kriging)进行钻孔数据的插值处理。最后，使用3D分析工具中的“创建TIN”工具，逐层生成地质灾害所在区域的地层TIN模型和地质灾害体的表面和底面TIN模型，填充层间的岩层属性，从而实现区域地质三维模型及地质灾害体的实体表达，并将其添加到三维地形环境中。

(2)构建地质灾害数据库，实现信息入库，即将基础地理信息、地质灾害体空间几何信息、工程地质信息、水文气象信息等导入数据库；

地质灾害数据库系统采用SQL Server数据库同时搭配GeoDatabase(空间地理数据库)，包括空间数据库和属性数据库两部分，空间数据库包括基础地理信息、地形信息、工程地质信息、水文气象信息、地质灾害空间几何信息，属性数据库包括和空间位置无直接关系的补充信息。。空间数据库和属性数据库中的多源数据分别储存、相互独立，通过统一编码来实现灾害属性数据库和图形数据库的连接，用于ArcGIS对数据库信息的访问和管理。

(3)三维地质灾害模型的动态可视化，即将数据库系统和三维几何模型连接，实现三维模型的信息化和协同变化；

SQL Server完成属性数据的录入之后，为便于对地质灾害信息进行查询和检索，地质灾害在入库时添加具有唯一标识的编码(UnifiedCode)实现属性数据与三维图元数据的统一。

现以某高速公路沿线地质灾害信息模型为实例，参考附图进行详细说明，对其他交通行业地质灾害信息模型的构建同样具有指导作用。图1为本发明所述三维地质灾害信息模型建模方法流程示意图，包括以下步骤：

步骤1：收集与整理地质灾害信息模型相关的数据，并进行数字化处理。

步骤2：基于ArcGIS建立三维地质灾害模型及灾害区域三维地质模型，

步骤3：根据搜集到的相关资料，构建地质灾害信息数据库；

步骤4：实现三维地质灾害模型与数据库的连接，完成地质灾害信息模型的构建。

在步骤1中收集地质灾害相关的资料进行分类整理，资料包括但不限于：地质灾害自身数据(基本特征及其派生出来的其他基础数据)、环境相关数据(地形数据、断裂、地层岩性分布数据、降雨量等)、基础地理数据、对公路交通基础设施的影响相关数据等。

地质灾害相关的资料大部分以纸质的形式存在，只有小部分具有电子介质的形式，管理比较混乱，格式也不统一，无法满足三维建模的数据需求。因此，需要对原始地质数据资料进行筛选并分类数字化处理得到用于三维建模所需的数据。

在步骤2中，地表模型是建立三维地质灾害实体模型及灾害区域地质模型的重要组成部分。作为边界约束条件，地表模型可以直观、清楚地表达地质灾害实体及其它实体的空间位置关系。为了达到最好的实际效果，地表模型必须满足精度要求。在具体的实施例中，构建地表模型包括：

①对纸质的地形图进行矢量化，建立含有高程信息的等高线文件和高程点文件

②利用线文件或点文件创建三维地形模型

③将获取的影像图与地形模型进行叠加

图2为本发明实施例中三维地表模型示意图。

在步骤2中基于钻孔数据构建三维地质灾害模型之前需对钻孔数据进行处理，得到的钻孔数据文件包括钻孔编号、钻孔类型、钻孔的位置坐标、钻孔深度、地层层序、地层厚度、岩性等，并通过插入虚拟钻孔，结合地统计方法中的克里金法(Kriging)对筛选出来的各层钻孔数据进行插值处理，从而生成地层模型和地质灾害体表面和地面模型。

在步骤3中，所构建形成地质灾害数据库框架如图3所示。空间数据库包括基础地理信息数据文件(研究区域行政区划、乡镇、交通路线)、地形信息数据文件(DEM、坡度、坡向、起伏度)、工程地质信息数据文件(地层岩性、区域断裂)、水文气象信息数据文件(降水量、地下水资源)、地质灾害信息数据文件(地质灾害点、滑坡、崩塌、泥石流)。属性数据库包括地质灾害历史情况表、地质灾害类型表、不同类型地质灾害基本信息表及不同类型地质灾害特征表、地质灾害防治建议表等。

空间数据库和属性数据库中的多源数据分别储存、相互独立，通过统一编码来实现灾害属性数据库和图形数据库的连接，用于ArcGIS对数据库信息的访问和管理。数据库框架如图3所示。

在步骤4中，在ArcGIS中添加数据库连接，通过ODBC接口调用SQL Server中的属性表，在ArcGIS中形成其内部属性数据库，再通过连接和关联方式将空间数据库中的三维地质灾害模型与地质灾害属性表进行关联，实现图形数据库和属性数据库的无缝连接，进行各种信息的互动查询，最终实现公路地质灾害信息模型的建立。

最后，对建立的地质灾害信息模型相关的信息进行编辑和查询。利用表窗口和属性窗口两种方式对要素的属性信息进行添加、修改或删除。在表窗口中可以为单个要素添加或修改属性值，也可以利用VB脚本语言或Python语言编写语句进行批量赋值。其次，选择要编辑的对象，在属性窗口中输入相应的属性值，可实现对该对象属性信息的修改，在此过程中，当选中多个要素时，可实现批量赋值。信息查询包括浏览图形数据、鼠标点击实现图形和数据的双向查询和按属性选择查询三种方式。其中，浏览图形数据通过选择需要浏览的图层文件，打开属性表，即可显示该图层所有空间图元的信息；鼠标点击查询通过点击识别按钮之后，将鼠标放到相应对象上，单击即可显示该对象的属性信息，在属性表中点击某一记录，该记录及其对应的空间图元都会高亮显示，可以看出属性信息与图元的对应关系；按属性选择查询通过ArcGIS的查询工具进行查询，表达式符合标准的SQL表达式，主要是WHERE子句，可以通过各种的限制条件来筛选所需的图元，筛选出的记录所对应的图元高亮显示，查询结果的属性表可独立显示，并可根据所选要素创建新的图层。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，所述方法包括：

收集并整理地质灾害信息模型相关数据，并对相关数据进行数字化处理；

构建三维地质灾害模型；

基于数字化处理后的数据，构建地质灾害信息数据库；

将三维地质灾害模型与地质灾害信息数据库进行关联，建立三维地质灾害信息模型；

其中，构建三维地质灾害模型包括：构建三维地形环境模型；对钻孔数据进行处理；基于处理后的钻孔数据，构建三维地质灾害模型；

构建三维地质灾害模型包括：

构建地质灾害体表面：对获取的地质影像数据进行三维可视化分析以及影像动态分析处理，提取地质灾害体的表面范围、形状信息；将提取的地质灾害体的正射影像圈定，将圈定的范围转换成点的坐标数据，基于转换的坐标数据生成地质灾害体的边界线和地质灾害体表面，将生成的地质灾害体边界线和地质灾害体表面叠加到建立的三维地形环境模型中；

钻孔插值：根据已有钻孔数据，在已有钻孔间插入虚拟钻孔，再结合ArcGIS地统计方法中的克里金法进行钻孔数据的插值处理；

地质灾害体建模：通过对钻孔数据进行分层提取，构建出地质灾害所在区域的地层TIN模型和地质灾害体的表面和底面TIN模型，并确定每一层的不良地质范围，填充层间的岩层属性。

2.根据权利要求1所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，构建三维地形环境模型包括：对地形图进行矢量化处理，将含有高程值信息的等高线文件和高程点文件作为构建数字高程模型的数据源存放在数据库中，创建三维地形环境模型。

3.根据权利要求2所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，本方法还包括：将获取的影像图与三维地形环境模型进行叠加。

4.根据权利要求1所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，对钻孔数据进行处理，包括：

对用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据进行逐一进行编号，并分别获取地面钻孔点以及滑移面和滑床分界点的坐标，统计整理形成用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据。

5.根据权利要求4所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，将钻孔的位置坐标、地层层序、地层厚度、岩性、孔口高程以及孔深进行统计整理，形成用于三维地质灾害模型建模的钻孔数据。

6.根据权利要求1所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，地质灾害数据库包括空间数据库和属性数据库两部分，空间数据库包括基础地理信息、地形信息、工程地质信息、水文气象信息、地质灾害空间信息，属性数据库包括和空间位置无直接关系的补充信息。

7.根据权利要求6所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，空间数据库和属性数据库中的多源数据分别储存、相互独立，通过统一编码来实现属性数据库和空间数据库的连接，用于ArcGIS对数据库信息的访问和管理。

8.根据权利要求6所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，将地质灾害数据存储到地质灾害数据库时添加具有唯一标识的编码实现属性数据与三维空间数据的统一。

9.根据权利要求1所述的三维地质灾害信息模型建模方法，其特征在于，基于ArcGIS的三维建模功能，通过对钻孔数据进行分层提取，运用Delaunay算法构建出地质灾害所在区域的地层TIN模型和地质灾害体的表面和底面TIN模型。

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