CN111950046B - 一种基于bim的钻孔数据模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，根据各类勘探数据建立空间信息数据库，然后进行钻孔数据模型创建：从空间信息数据库中读取建模区地表点云数据或等高线等勘探数据，自动创建地表模型；从空间信息数据库中读取建模区钻孔数据，自动创建钻孔数据模型；判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，若是则修正建模区钻孔数据；若否则自动编号与自定义属性信息加载，并输出/存储钻孔数据模型。本发明实现了自动建模，可无缝对接建筑BIM模型，可极大提高前期规划设计，土方计算，场地施工模拟等传统BIM应用的仿真性，极大提高了工程地质领域地质体数值分析的精确度。

Description

一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法

技术领域

本发明属于基于BIM的岩土工程技术领域，具体涉及一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法。

背景技术

地质信息通常是通过钻孔等手段获取基本数据，利用钻孔柱状图、剖面图和勘察报告作为信息的主要表现形式。这种方式有长期的工程经验，模式和形式都较为规范和专业，但是同样有一定的缺点，包括信息查阅并不方便，专业化程度强，由大量统计数据堆叠而成，没有有效的三维展示效果等。但BIM以其强大的三维渲染能力和信息集成能力，同时能够与众多软件交互大量信息，与GIS系统结合，提高效率，为三维地质建模的发展方向提供了新的思路。

随着BIM技术在建设工程中的深化应用，越来越多的用户需要对地层进行建模。在岩土工程勘察地质成果三维可视化的过程中，直接利用Revit软件人工建模具有一定的局限性，具体表现如下：

(1)人工输入钻孔资料、人工进行岩土层建模工作，建模工作量大且繁琐，容易出错，建模效率极低且实现难度太大；

(2)建立三维地质模型时仅能处理常规岩土地层，对于存在透镜体、尖灭的岩土地层等常见现象则较为困难，仅能进行岩土地层的粗略建模；

(3)利用Revit软件进行基坑开挖模拟，只能同时针对一个岩土层手动进行；

(4)缺乏与岩土工程勘察领域相关的计算与模型输出接口；

(5)对三维地质模型的BIM应用还不够清晰；

(6)对于复杂地质体不能建立较为精确的地质体模型。

综上所述，现阶段三维地质模型的BIM化还存在许多的不足和缺陷，需要在提高自动化程度和高效精确建模的方向上以及模型的运用上加以改进。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，包括根据各类勘探数据建立空间信息数据库，然后进行钻孔数据模型创建的步骤，钻孔数据模型创建的步骤包括：

从空间信息数据库中读取建模区地表点云数据或等高线等勘探数据，自动创建地表模型；

从空间信息数据库中读取建模区钻孔数据，自动创建钻孔数据模型；

判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，若是则修正建模区钻孔数据；若否则自动编号与自定义属性信息加载，并输出/存储钻孔数据模型。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，所述钻孔数据包括钻孔定位点、各地层分界点、孔深、孔径和地层物理力学参数。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，所述自动创建钻孔数据模型的具体实现方法包括：

从多个建模区钻孔数据中提取各地层分界点，地层分界点包括经度、纬度和高程信息，计算每一钻孔数据的每一地层的绝对高度；

以每一地层分界点为原点，在X-Y平面做几何图形，以该几何图形为起始位置在Z轴向下拉伸形成几何柱状体，拉伸的距离为当前地层分界点的下一地层的绝对高度；

导入钻孔柱状Revit族文件，自动创建钻孔数据模型。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，所述自动创建钻孔数据模型的具体实现方法还包括对几何柱状体进行自定义设置对应岩地层色彩和材质的步骤。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，：所述地表面的生成方法包括：

提取钻孔数据模型中所有顶端地层分界点的经度、纬度和高程信息，通过拟合算法生成地表面。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，所述拟合算法为RBF或Kriging。

在上述技术方案的基础上，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，所述地表模型的创建方法包括如下步骤：

从空间信息数据库中读取建模区地表经度、纬度和高程点信息；

设置建模区范围和建模区精度；

载入地表Revit族文件，生成一个封闭曲面；

附着地表影像，生成地表模型，并输出/存储地表模型。

本发明的有益效果为：

本发明实现了地质勘探数据对接包括无人机三维实景模型，三维激光扫描仪，钻孔数据，地质剖面图，遥感影像，场地分层数据，平面布孔坐标等，工程人员只需分类别输入相关勘探数据，即可实现自动建模。

本发明可无缝对接建筑BIM模型，可极大提高前期规划设计，土方计算，场地施工模拟等传统BIM应用的仿真性。

附图说明

图1是本发明-实施例的地表模型创建流程示意图。

图2是本发明-实施例的钻孔数据模型创建流程示意图。

图3是本发明-实施例的自动创建钻孔数据模型的流程示意图。

图4是本发明-实施例的地层面模型创建流程示意图。

图5是本发明-实施例的地质体模型创建流程示意图。

图6是本发明-实施例的地表模型的效果展示图。

图7是本发明-实施例的地表模型&钻孔数据模型的效果展示图。

图8是本发明-实施例的地层面模型的效果展示图。

图9是本发明-实施例的地质体模型的效果展示图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1-3所示，本实施例的一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，包括根据各类勘探数据建立空间信息数据库，然后进行钻孔数据模型创建的步骤，钻孔数据模型创建的步骤包括：

从空间信息数据库中读取建模区钻孔数据，自动创建钻孔数据模型；

从空间信息数据库中读取建模区地表点云数据或等高线等勘探数据，自动创建地表模型；

判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，若是则修正建模区钻孔数据；若否则自动编号与自定义属性信息加载，并输出/存储钻孔数据模型。

上述自定义属性信息包括地层物理力学参数及用户自定义参数。

由于从空间信息数据库中提取的地表点云数据，往往有较多的噪点不能直接用于创建地表。同时从卫星遥感地图中提取的地表DEM数据精度较低，不适用于小范围精确建模、地层孔间数据不连续等现象均需要对数据进行二次处理，再用于后期建模。

因此，一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，还包括对勘探数据进行整理获得建模区数据的步骤，整理的步骤如下：

从空间信息数据库提取勘探数据，勘探数据包括地表点云数据和地表DEM数据，选定数据处理类型，数据处理类型包括点云数据处理、钻孔点分层插值加密和地层分界点插值加密，地层分界点由地层剖面线提取样条曲线的关键节点而来，一般较为稀疏用于地质建模时精度较低，采用插值建模程序对其加密，提高精度；

若选定的数据处理类型为点云数据处理，则设置处理的精确度和点云去躁后的润滑度，经拟合算法运算后输出数据；

若选定的数据处理类型为钻孔点分层插值加密，则设置插值精度和范围，经拟合算法运算后输出数据；

若选定的数据处理类型为地层分界点插值加密，则设置相邻点间的曲率大小，经拟合算法运算后输出数据，即表示加密后的点所形成的曲线的缓和程度。

上述拟合算法为RBF或Kriging。

RBF：

该方法可以在多维空间内进行快速插值，并且易于实现。相较于支撑向量机、神经网络等代理模型，该方法模型简洁，简单的矩阵运算便可求解出所需模型参数。基本径向基插值函数可以表示为：

式中：

为实际高程G(·)的预测模型，由于是插值模型，在钻孔点处两者的值相等；u为任意一点处的水平坐标，

为钻孔点水平坐标；S为所有钻孔点的集合；Ψ(·)为核函数；ρ_i为一个待确定的系数，i＝1,2，…N；N为钻孔点的个数。将各钻孔点的水平坐标和高程值G分别代入上式可得：

式中：Ψ_ij为两个钻孔点水平坐标进行核函数运算得到的值。式(2)可以写为矩阵形式G＝Ψρ，于是可求解未知系数矩阵ρ＝Ψ^-1G。为了有效减少人为参数的设定，提升模型稳定性，本实施例采用线性核函数Ψ(a)＝a。对于多维非线性插值，上式能够得到很好的效果。本实施例在式(2)基础上还增加了线性项，以提升模型对线性问题的插值稳定性，最的径向基函数代理模型表示为：

式中：n为点u中分量个数，对于钻孔点，其只包含水平坐标(经度和纬度)，于是n＝2；b₀和b_j为待确定的未知系数；u_j为u中第j个元素，j＝1,2，…n。为了求解这额外n+1个参数，考虑系数ρ和线性项满足正交设计，上式最终可以写为如下矩阵形式：

式中：b为待确定的未知系数向量；F对应式(3)中的线性项部分。至此，利用已有钻孔集S及其对应实际高程值G，结合矩阵运算法则可以立即求解出RBF模型中的所有未知参数，从而建立插值模型。

Kriging：

Kriging是构建插值模型的另一个强大工具。Kriging模型是一种基于统计假设的插值方法，广泛应用于地质插值分析中，模型可表示为:

式中：L(u)为回归分析得到的表示G(u)趋势的函数(普通Kriging模型通常采用常数)；其中z(u)是平稳随机高斯过程，均值为零。任意两个水平坐标点u⁽ⁱ⁾与u^(j)之间的协方差定义为:

其中，

是过程方差，R(·)是相关核函数(如指数、球面、线性或高斯等模型)。高斯模型是一种广泛使用的核函数，可以表示为:

式中：θ_k为未知系数。这些未知系数(包括式(5)中的L(u)和式(6)中的

)可以基于当前所有钻孔点利用最大似然估计求得。一旦这些系数确定，结合当前钻孔点，基于式(5)，可以预测钻孔点以外任意一点处的高程值。

上述地表模型创建的方法，包括如下步骤：

从空间信息数据库中读取建模区地表经度、纬度和高程点信息文件(.xyz格式)；

设置建模区范围和建模区精度；

载入地表Revit族文件，生成一个封闭曲面；

附着地表影像，生成地表模型；并输出/存储地表模型。

Dynamo与Revit模型互导必须依赖于族文件(Revit支持的一种三维模型数据格式)，生成封闭曲面在Dynamo中完成，完成后用Revit自带的Familiy.instance bygeometry程序包导入Revit，因此，必须将Revit族文件存储目录接入该程序包。

上述自动创建钻孔数据模型的具体实现方法包括：

从多个建模区钻孔数据中提取各地层分界点，地层分界点包括经度、纬度和高程信息，计算每一钻孔数据的每一地层的绝对高度；

以每一地层分界点为原点，在X-Y平面做几何图形，以该几何图形为起始位置在Z轴向下拉伸形成几何柱状体，拉伸的距离为当前地层分界点的下一地层的绝对高度；

导入钻孔柱状Revit族文件，自动创建钻孔数据模型。

自动创建钻孔数据模型的具体实现方法还包括对几何柱状体进行自定义设置对应岩地层色彩和材质的步骤。

上述钻孔数据包括钻孔定位点、各地层分界点、孔深、孔径和地层物理力学参数。如表1所示。

钻孔数据模型生成后，在着色模式与真实模式下可分层。

上述地表面的生成方法包括：

提取钻孔数据模型中所有顶端地层分界点的经度、纬度和高程信息，通过拟合算法生成地表面。

判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，当有冲突或不合理时会产生明显错误如孔口高度高于地表模型、钻孔数据模型缺失、钻孔岩芯重叠等。

地表模型和钻孔数据模型用于地质体模型创建，地质体模型建模方法，包包括自动创建地表模型的步骤，自动创建钻孔数据模型的步骤，还包括创建地层面模型的步骤，以及创建地质体模型建模的步骤。

如图4所示，创建地层面模型的具体实现方法，包括如下步骤：

从空间信息数据库中读取建模区各地层处理后的数据；

将钻孔数据模型中所有的地层分界点的经度、纬度和高程点信息，通过拟合算法生成每一地层面，自动创建地层面模型；

判断地层面间是否相互交错，若是，则判断是否各地层处理后的建模区数据错误；若否则进行地层信息加载，并输出/存储地层面模型；

判断是否各地层处理后的建模区数据错误时，若是则修正各地层处理后的数据；若否则将交错的地层进行布尔运算，并进行地层信息加载，并输出/存储地层面模型。

上述地层信息包括地层物理力学参数。

地层面模型创建的方法还包括对每一地层面进行自定义设置对应地层色彩与材质的步骤。

如图5所示，创建地质体模型的具体实现方法，包括如下步骤：

输入地表模型；

将地表模型接入Surface.PerimeterCurves节点包，拾取地表模型的地表面轮廓线，Surface.PerimeterCurves节点包为dynamo自带程序包，用于拾取一个曲面的轮廓；

偏移复制轮廓线至地层最低点高度；

将两条边轮廓线成组、拉伸放样为体，创建地质实体；

导入地层面模型，将地质实体和地层面模型进行布尔运算，生成地质体模型；

地质信息写入，输出/存储地质体模型。

上述地质信息包括岩性、地质年代、物理力学参数和色彩。

如图6-9所示，图6-9分别为地表模型的效果展示图、地表模型&钻孔数据模型的效果展示图、地层面模型的效果展示图和地质体模型的效果展示图。

基于BIM的钻孔数据模型建模系统，包括：空间信息数据库，存储勘探数据和建模区数据；

勘探数据整理系统，对勘探数据进行整理获得建模区数据；

地表模型创建系统，从空间信息数据库中读取建模区地表经度、纬度和高程点信息文件(.xyz格式)，设置建模区范围和建模区精度，载入地表Revit族文件，生成一个封闭曲面，附着地表影像，生成地表模型，并输出/存储地表模型；

钻孔数据模型创建系统，从空间信息数据库中读取建模区钻孔数据，自动创建钻孔数据模型；判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，若是则修正建模区钻孔数据；若否则自动编号与自定义属性信息加载，并输出/存储钻孔数据模型；

基于BIM的三维地质建模系统，包括基于BIM的钻孔数据模型建模系统，还包括：

地层面模型创建系统，从空间信息数据库中读取建模区各地层处理后的数据，将钻孔数据模型中所有的地层分界点的经度、纬度和高程点信息，通过拟合算法生成每一地层面，自动创建地层面模型；判断地层面间是否相互交错，若是，则判断是否各地层处理后的建模区数据错误；若否则进行地层信息加载，并输出/存储地层面模型；判断是否各地层处理后的建模区数据错误时，若是则修正各地层处理后的数据；若否则将交错的地层进行布尔运算，并进行地层信息加载，并输出/存储地层面模型；

地质体模型创建系统，输入地表模型，将地表模型接入Surface.PerimeterCurves节点包，拾取地表模型的地表面轮廓线，Surface.PerimeterCurves节点包为dynamo自带程序包，用于拾取一个曲面的轮廓；偏移复制轮廓线至地层最低点高度；将两条边轮廓线成组、拉伸放样为体，创建地质实体；导入地层面模型，将地质实体和地层面模型进行布尔运算，生成地质体模型；地质信息写入，输出/存储地质体模型。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，其特征在于：包括根据各类勘探数据建立空间信息数据库，然后进行钻孔数据模型创建的步骤，钻孔数据模型创建的步骤包括：

从空间信息数据库中读取建模区地表点云数据或等高线勘探数据，自动创建地表模型；

从空间信息数据库中读取建模区钻孔数据，自动创建钻孔数据模型；

判断地表模型与由钻孔数据模型生成的地表面是否有冲突或不合理，若是则修正建模区钻孔数据；若否则自动编号与自定义属性信息加载，并输出/存储钻孔数据模型；

地表模型创建的方法，包括如下步骤：

从空间信息数据库中读取建模区地表经度、纬度和高程点信息文件.xyz格式；

设置建模区范围和建模区精度；

载入地表Revit族文件，生成一个封闭曲面；

附着地表影像，生成地表模型；并输出/存储地表模型；

自动创建钻孔数据模型的具体实现方法包括：

从多个建模区钻孔数据中提取各地层分界点，地层分界点包括经度、纬度和高程信息，计算每一钻孔数据的每一地层的绝对高度；

以每一地层分界点为原点，在X-Y平面做几何图形，以该几何图形为起始位置在Z轴向下拉伸形成几何柱状体，拉伸的距离为当前地层分界点的下一地层的绝对高度；

导入钻孔柱状Revit族文件，自动创建钻孔数据模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，其特征在于：所述钻孔数据包括钻孔定位点、各地层分界点、孔深、孔径和地层物理力学参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，其特征在于：所述自动创建钻孔数据模型的具体实现方法还包括对几何柱状体进行自定义设置对应岩地层色彩和材质的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，其特征在于：所述地表面的生成方法包括：

提取钻孔数据模型中所有顶端地层分界点的经度、纬度和高程信息，通过拟合算法生成地表面。

5.根据权利要求4所述的一种基于BIM的钻孔数据模型构建方法，其特征在于：所述拟合算法为RBF或Kriging。

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