CN110765677B - 一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，首先通过GPS载波相位差分技术获取三维等高线数据；然后利用CAD软件提取高精度等高线数据；基于非均匀有理B样条生成自由曲面；最后将生成的曲面数据导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，进一步生成三维地质实体模型。本发明解决了现有技术中存在的三维地质建模操作冗杂、低效、低精度、仿真效果不好的问题。

Description

一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法

技术领域

本发明属于水利水电与土木建筑工程中的高边坡建模技术领域，具体涉及一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法。

背景技术

随着我国经济的发展以及西部大开发战略的进一步实施，我国水电资源的开发已转向西部高山峡谷地区。由于丰富的水力资源，西部水电工程的数目越来越多，规模越来越大，随之带来了众多的高边坡问题。

岩石高边坡稳定性问题是我国20世纪70年代以后出现的最具特色的工程地质问题之一，由于我国独特的地形地质条件和作为一个发展中国家所面临的大规模工程建设，所以岩质高边坡稳定性问题成为了当前岩土工程界主要的研究方向之一。

目前国内外的三维地质建模软件在操作程序上仍然比较复杂，不易被基层操作人员掌握和使用，所以在数据的采集与实时更新上存在比较大的问题，同时在建模过程中存在约束条件苛刻、建模数据难以交换共享的不足。基于以上问题使得在多专业三维设计与计算的过程中无法有效的协同，使得工程研究进展缓慢，从而影响到国家建设与社会经济的发展。

在实际的工程中，没有一款通用性的软件适应所有的工程设计与计算，所以亟需一种建立三维地质模型，模型数据格式有多种，适用于各种主流分析软件的方法。

数值模拟技术在高边坡稳定性评价中起到了重要的作用，一方面数值模拟技术本身的发展为高边坡变形与强度稳定性分析提供了强有力的工具，另一方面，各种更适合于岩体计算的数值模拟方法自20世纪年代以来得到极大的发展，但由于高边坡处于复杂的地形环境中，基本是对模型进行概化处理，不能精细化地来建立三维地质模型，进而无法对边坡稳定性进行精确的设计与评价。所以现在急需一种快速、简洁、精确的三维地质模型建立方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，解决了现有技术中存在的三维地质建模操作冗杂、低效、低精度、仿真效果不好的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、通过GPS载波相位差分技术获取三维等高线数据；

步骤2、利用CAD软件提取高精度等高线数据；

步骤3、基于非均匀有理B样条生成自由曲面；

步骤4、将生成的曲面数据导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，进一步生成三维地质实体模型。

本发明的特点还在于，

步骤1具体如下：

利用基准站接收机连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，求载波相位整周期模糊度，再通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标，获取三维等高线。

步骤2具体按照以下步骤实施：

利用CAD软件从步骤1获取的三维等高线中离散、提取出三维高程点数据，将包含有空间X、Y、Z三项坐标数据信息的高程点数据保存在dat文件中。

步骤3具体按照以下步骤实施：

以dat文件中的三维高程点作为控制点P_i，i＝0，1，…，n，阶数为k，由控制点P_i形成的样条曲线通过分段的向量有理多项式函数表示，通过对曲线上的各点依次进行德布尔算法递推计算生成光滑的非均匀有理B样条曲线，

式中：W_i为权因子；P_i为控制点；N_i，k(u)为k次B样条基函数，i为样条线的序号，k为阶数，u为样条线的节点；向量u由节点u₀，u₁，...，u_n+k+1组成，u＝|u₀，u₁，...，u_n+k+1|；

曲面由双参数变量分段有理多项式(2)表示，通过分布对(u,v)2个参数，阶数为(k，l)，由(m+1)×(n+1)个空间网格点P_i，j构成的空间网格即样条曲面的特征网格，i＝0，1，…，m，j＝0，1，…，n，进行德布尔算法递推计算而形成的光滑曲面面片：

式中：P_i，j为矩形域上特征网络格控制点；

W_i，j为控制顶点的权因子，对曲面上的某一点起到拉伸和压缩的作用；N_i，k(u)为沿u向的k次B样条基函数，B_j，l(v)为沿v向的l次B样条基函数；将所得到的dat文件数据点导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，采用基于非均匀有理B样条曲线的自由曲面生成技术，生成三维空间曲面。

本发明的有益效果是，一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，精确度高、建模迅速、可重复性强、易于推广、仿真效果极佳，与数值计算软件无缝连接，为土木与水利工程的设计与计算提供了一种全新的思路与切实可行的办法，解决了传统方法建模操作冗杂、低效、低精度、仿真效果不好的缺点。

附图说明

图1为一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法实现过程示意图；

图2为GPS RTK系统结构示意图；

图3为某边坡dat数据三维高程点示意图；

图4为某边坡由三维高程点生成三维等高线示意图；

图5为某边坡由三维等高线生成空间曲面示意图；

图6为某边坡三维有限元示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、通过GPS载波相位差分技术获取三维等高线数据，

采用GPS RTK(Real Time Kinematic)技术进行场地等高线测设，具体见图2。GPSRTK在地形测图、各种控制测量、工程放样及实时导航定位等方面得到了广泛的应用，改变了传统的测量模式，给工程测量带来了革命性的变化，极大地提高了工程测量的效率。该技术可以较为精确的提供地形X、Y、Z三向坐标数据信息能极好的反应地形地貌，基于上述原理及思路，具体如下：

利用基准站接收机连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，求载波相位整周期模糊度，再通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标，获取三维等高线。

步骤2、利用CAD软件提取高精度等高线数据，具体按照以下步骤实施：

利用CAD软件从步骤1获取的三维等高线中离散、提取出三维高程点数据，将包含有空间X、Y、Z三项坐标数据信息的高程点数据保存在dat文件中，见图3，通过上述程序的基本原理，得道该水利工程高边坡的3562个三维高程点数据，这些数据包含空间X、Y、Z三向坐标的数据信息。

通过上述基本原理，得道某水利工程高边坡的3562个三维高程点数据，这些数据包含空间X、Y、Z三向坐标的数据信息。

步骤3、基于非均匀有理B样条生成自由曲面，具体按照以下步骤实施：

以dat文件中的三维高程点作为控制点P_i，i＝0，1，…，n，阶数为k，由控制点P_i形成的样条曲线通过分段的向量有理多项式函数表示，通过对曲线上的各点依次进行德布尔算法递推计算生成光滑的非均匀有理B样条曲线，如图4所示，

式中：W_i为权因子；P_i为控制点；N_i，k(u)为k次B样条基函数，i为样条线的序号，k为阶数，u为样条线的节点；向量u由节点u₀，u₁，...，u_n+k+1组成，u＝|u₀，u₁，...，u_n+k+1|；

曲面由双参数变量分段有理多项式(2)表示，通过分布对(u,v)2个参数，阶数为(k，l)，由(m+1)×(n+1)个空间网格点P_i，j构成的空间网格即样条曲面的特征网格，i＝0，1，…，m，j＝0，1，…，n，进行德布尔算法递推计算而形成的光滑曲面面片：

式中：P_i，j为矩形域上特征网络格控制点；

W_i，j为控制顶点的权因子，对曲面上的某一点起到拉伸和压缩的作用；N_i，k(u)为沿u向的k次B样条基函数，B_j，l(v)为沿v向的l次B样条基函数；将所得到的dat文件数据点导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，采用基于非均匀有理B样条曲线的自由曲面生成技术，生成三维空间曲面，如图5所示。

步骤4、将生成的曲面数据导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，进一步生成三维地质实体模型，如图6所示。

由图3可知，通过CAD软件获取的三维数据dat文件在MIDAS GTS软件中成功生成了空间曲线三维控制点；由图4可知，通过三维控制点的插值计算，生成光滑的、更加贴近实际地形的空间三维曲面；由图5可知，在空间三维曲线的基础上，采用基于非均匀有理B样条曲线的自由曲面生成技术，生成了三维空间曲面；由图6可知，用生成的三维空间曲面切割三维实体，生成三维地质实体，通过对该实体的有限元网格划分生成有限元计算模型。

Claims (1)

1.一种高精度、快速三维地质模型有限元模型的建模方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、通过GPS载波相位差分技术获取三维等高线数据；

所述步骤1具体如下：

利用基准站接收机连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，求载波相位整周期模糊度，再通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标，获取三维等高线；

步骤2、利用CAD软件提取高精度等高线数据；

所述步骤2具体按照以下步骤实施：

利用CAD软件从步骤1获取的三维等高线中离散、提取出三维高程点数据，将包含有空间X、Y、Z三项坐标数据信息的高程点数据保存在dat文件中；

步骤3、基于非均匀有理B样条生成自由曲面；

所述步骤3具体按照以下步骤实施：

以dat文件中的三维高程点作为控制点P_i，i＝0，1，…，n，阶数为k，由控制点P_i形成的样条曲线通过分段的向量有理多项式函数表示，通过对曲线上的各点依次进行德布尔算法递推计算生成光滑的非均匀有理B样条曲线，

式中：W_i为权因子；P_i为控制点；N_i,k(u)为k次B样条基函数，i为样条线的序号，k为阶数，u为样条线的节点；向量u由节点u₀，u₁，…，u_n+k+1组成，u＝|u₀，u₁，…，u_n+k+1|；

曲面由双参数变量分段有理多项式(2)表示，通过分布对(u,v)2个参数，阶数为(k，l)，由(m+1)×(n+1)个空间网格点P_i,j构成的空间网格即样条曲面的特征网格，i＝0，1，…，m，j＝0，1，…，n，进行德布尔算法递推计算而形成的光滑曲面面片：

式中：P_i,j为矩形域上特征网络格控制点；

W_i,j为控制顶点的权因子，对曲面上的某一点起到拉伸和压缩的作用；N_i,k(u)为沿u向的k次B样条基函数，B_j,l(v)为沿v向的l次B样条基函数；将所得到的dat文件数据点导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，采用基于非均匀有理B样条曲线的自由曲面生成技术，生成三维空间曲面；

步骤4、将生成的曲面数据导入MIDAS GTS三维岩土分析软件，进一步生成三维地质实体模型。

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