CN110349262A - 一种基于bim的隧道超前地质预报三维建模方法及系统 - Google Patents

一种基于bim的隧道超前地质预报三维建模方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法及系统。该方法包括构建超前地质预报数据关系库，超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数；访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据；利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。

Description

一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法及系统
技术领域
本公开属于地质预报三维建模领域，尤其涉及一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
现在市场公认的主流BIM通用图形软件为Autodesk公司的Revit，Bentley公司的Microstation，Dassault公司的Catia等，其软件集成或者扩展了一系列的适用于结构、建筑、道路、铁路、轨道交通、勘察等专业的建模工具，但是，发明人发现，超前地质预报基于BIM技术进行建模需要依托的算法专业性强，计算难度大，插值拟合算法封闭性高，实现难度大，目前尚无利用BIM通用图形平台软件进行隧道超前地质预报的方法和功能实现。
诸如GOCAD属于专业地质建模软件，通用性和适用性存在着以下问题：
①BIM技术的一大特色就是专业协同，GOCAD无法与通用BIM软件平台进行整合应用，格式转换支持差，不能实现模型几何信息和属性信息的无损传递，是由于其建模内核采用的是Grid方格网建模，与BIM技术通用的Mesh三角网建模(IFC数据标准)有着较大的图形内核差异，格式转换存在先天缺陷，数据交互性差，同时其图形生成采用的离散平滑内插方法(DSI)内核，插值拟合偏差较大，适用于宏观构造三维地质建模，对于精细探查超前地质预报体建模应用效果差；
②目前没有针对超前地质预报的专业数据库，数据交互性差，BIM技术的另一大特色就是数据交互和动态管理。通过超前地质预报数据的数据库存储，实现数据的动态管理，对于数据变更和修改能进行交互；由于超前地质预报结果属于一种多解性的预测结果，往往数据需要进行修正和调整，需要对结果数据进行动态管理，同样在模型中需要进行数据的交互实现。
③超前地质预报建模过程需要调用插值拟合计算所需的矩阵线性运算库，GOCAD不具备可移植性，无法在一个平台下实现与其他专业的数据建模支撑，以保证运算的效率和用户响应。
超前地质预报结果的BIM技术实现主要技术条件：
1)超前地质预报建模涉及NURBS结构，TIN和BREP结构几种混合数据结构，在BIM技术通用软件中，实现插值拟合的需要的基础数学运算库，实现矩阵线性运算和基于通用BIM图形拓扑结构的插值拟合算法，能进行标准的基于通用三角网的通用IFC(IndustryFoundation Class)格式转换标准。
2)BIM软件的通用性需要满足主流格式的要求，格式转换或与其他BIM软件能保持几何信息和属性信息的无损传递和结合，能实现隧道设计、勘察、地质多源异构数据的同一个平台的交互和使用；
3)超前地质预报插值拟合的三维图形拓扑结构建立需要基础的图形引擎支撑，能实现可交互性，而不是建模后不再进行修正和修改。BIM技术基于专业协同和数据动态管理能实现数据的交互和专业间的动态传递，需要对数据的动态及可交互性是即时响应的。
发明人还发现，目前主流的三维图形造型内核为ACIS和Parasolid两种，超前地质预报解译结果与BIM软件的格式转换和接入主要为对三维造型进行几何层面的数据转换，超前地质预报解译算法专业性强，保密性高，算法封装度完整，计算量大，目前主流的专业软件的运算库基于Matlab等大型数学运算库，价格较高，而这些数学运算库现阶段无法在BIM软件中集成应用，需要重新编写程序实现。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提供一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法及系统，其实现了基于BIM技术的超前地质预报建模，可三维展示，也能进行人工干预编辑操作。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开的第一方面提供一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法。
一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，包括：
构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数；
访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据；
利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
本公开的第二个方面提供一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统。
一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，包括：
数据关系库构建模块，其用于构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数；
数据关系库访问模块，其用于访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据；
超前地质预报体三维模型构建模块，其用于利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
本公开的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
本公开的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
本公开的有益效果是：
(1)本公开将超前地质预报与隧道模型、区域三维地质BIM模型相结合，辅助指导隧道施工开挖，能有效探明隧道施工中可能遇到的地质问题，为隧道施工提供更好的技术保障。
(2)本公开可以应用于其他地球物理勘探成果的应用，为三维地质体BIM技术应用提供解决思路。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例的一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法流程图。
图2是本公开实施例的一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
图1给出本实施例的一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法流程图。
如图1所示，本实施例的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，包括：
S101：构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数。
其中，每个测点对应一个唯一ID。
在具体实施中，所述第一数据存储表中还存储有相应测点所属工点名称和测点名称。
本实施例通过将第一数据存储表和第二数据存储表关联存储，能够方便多次超前地质预报数据的工程管理。
S102：访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据。
其中，本实施例利用API接口访问超前地质预报数据关系库。
具体地，在BIM软件Microstation中利用通用API进行编程开发，连接数据库，通过指定项目和测点名称，读入数据作为建模原始数据。
S103：利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
在具体实施中，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面的过程，包括：
S1031：所有反射系数相等的测点均位于同一等值面上；
具体地，根据反射系数来确定等值面值。
S1032：根据设定栅格密度值，构建栅格体与等值面的交点矩阵；
具体地，根据栅格密度分解建模空间，把每个栅格作为一个八叉树(8个顶点)的数据结构，建立edgetable表记录12条边；
根据已知数据内插获得各个顶点的反射系数值，比较每个顶点的值和等值面值，进而判断等值面和哪一条边相交；
对于每个边而言，存在各个交点的位置pi及其方向向量ni；
构建矢量[ni.x,ni.y,ni.z,dot(pi,ni)]追加到基础QR矩阵；
其中，建立一个4*4的基础零矩阵作为QR矩阵分解的基础矩阵；
ni.x,ni.y,ni.z分别表示交点分别在x轴、y轴和z轴上的方向向量，dot(pi,ni)表示交点的位置pi及其方向向量ni；
S1033：通过交点矩阵分解，获得各个等值面的质心和各个顶点的点集；
具体地，基于QR矩阵分解计算，得到3*3的上三角矩阵A，和长度为3向量B，；
通过SVD分解(也就是奇异值分解)A，TA，，求解线性方程：
A，TA，x＝(A，Tb，-A，Tb，c)，计算出所有三角面。
S1034：利用BIM软件Microstation的API创建等值三角网，对一定阈值范围内的等值三角网进行连通，拟合出等势面。
具体地，获得所有三角面点集，通过API读入至BIM软件中，利用BIM软件指定生成面所在图层及指定生成面的颜色，在Microstation中绘制出等值面。
其中，由用户设定拟合插值的空间网格密度，密度越大生成精度越高，同时耗时也越长。
本实施例将超前地质预报与隧道模型、区域三维地质BIM模型相结合，辅助指导隧道施工开挖，能有效探明隧道施工中可能遇到的地质问题，为隧道施工提供更好的技术保障。
本实施例可以应用于其他地球物理勘探成果的应用，为三维地质体BIM技术应用提供解决思路。
实施例2
图2给出了本实施例的一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统结构示意图。
如图2所示，本实施例的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，包括：
(1)数据关系库构建模块，其用于构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数。
其中，每个测点对应一个唯一ID。
在具体实施中，所述第一数据存储表中还存储有相应测点所属工点名称和测点名称。
本实施例通过将第一数据存储表和第二数据存储表关联存储，能够方便多次超前地质预报数据的工程管理。
(2)数据关系库访问模块，其用于访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据。
在具体实施中，利用API接口访问超前地质预报数据关系库。
(3)超前地质预报体三维模型构建模块，其用于利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
具体地，在所述超前地质预报体三维模型构建模块中，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面的过程，包括：
(3.1)所有反射系数相等的测点均位于同一等值面上；
(3.2)根据设定栅格密度值，构建栅格体与等值面的交点矩阵；
(3.3)通过交点矩阵分解，获得各个等值面的质心和各个顶点的点集；
(3.4)利用BIM软件Microstation的API创建等值三角网，对一定阈值范围内的等值三角网进行连通，拟合出等势面。
本实施例将超前地质预报与隧道模型、区域三维地质BIM模型相结合，辅助指导隧道施工开挖，能有效探明隧道施工中可能遇到的地质问题，为隧道施工提供更好的技术保障。
本实施例可以应用于其他地球物理勘探成果的应用，为三维地质体BIM技术应用提供解决思路。
实施例3
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1所示的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
实施例4
本实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图1所示的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，其特征在于，包括：
构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数；
访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据；
利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
2.如权利要求1所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，其特征在于，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面的过程，包括：
所有反射系数相等的测点均位于同一等值面上；
根据设定栅格密度值，构建栅格体与等值面的交点矩阵；
通过交点矩阵分解，获得各个等值面的质心和各个顶点的点集；
利用BIM软件Microstation的API创建等值三角网，对一定阈值范围内的等值三角网进行连通，拟合出等势面。
3.如权利要求1所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，其特征在于，每个测点对应一个唯一ID。
4.如权利要求1所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法，其特征在于，利用API接口访问超前地质预报数据关系库。
5.一种基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，其特征在于，包括：
数据关系库构建模块，其用于构建超前地质预报数据关系库，所述超前地质预报数据关系库以测点ID为主键关联第一数据存储表和第二数据存储表；第一数据存储表中存储有测点ID、测点起始位置空间坐标及测点所属项目名称；第二数据存储表存储有测点ID、测点空间坐标和测点反射系数；
数据关系库访问模块，其用于访问超前地质预报数据关系库，读取指定项目名称中指定测点ID相关联的测点起始位置空间坐标、测点空间坐标和测点反射系数作为建模原始数据；
超前地质预报体三维模型构建模块，其用于利用BIM软件调取建模原始数据，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面，根据预设反射系数基准值作为地质预报临界值，确定出地质预报临界面，进而构建出超前地质预报体三维模型。
6.如权利要求5所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，其特征在于，在所述超前地质预报体三维模型构建模块中，根据设定栅格密度值及反射系数等值进行插值拟合等势面的过程，包括：
所有反射系数相等的测点均位于同一等值面上；
根据设定栅格密度值，构建栅格体与等值面的交点矩阵；
通过交点矩阵分解，获得各个等值面的质心和各个顶点的点集；
利用BIM软件Microstation的API创建等值三角网，对一定阈值范围内的等值三角网进行连通，拟合出等势面。
7.如权利要求5所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，其特征在于，每个测点对应一个唯一ID。
8.如权利要求5所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模系统，其特征在于，利用API接口访问超前地质预报数据关系库。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的基于BIM的隧道超前地质预报三维建模方法中的步骤。
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