基于ArcEngine和钻孔数据的三维地表层建模与可视化

第37卷第4期 2013年7月 南京林业大学学报(自然科学版) JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition) V01．37．No．4 Jul．，2013 基于ArcEngine和钻孔数据的三维地表层 建模与可视化 丁月平，史玉峰+ (南京林业大学土木工程学院，江苏 南京210037) 摘要：钻孔是获取地层信息最直观、准确和详细的手段，地层的内部构造可以通过钻孔信息应用三维建模方法表 达出来。为了保证隧道施工安全，实现盾构隧道顶部地表层的可视化，提出了一种基于钻孔数据构建三维地层 模型的方法：首先应用ArcEngine对钻孔数据进行预处理，得到钻孔的空间信息；基于三维约束Delaunay四面体 化算法和预处理后的离散钻孔信息构建TEN(四面体格网)模型；在ArcEngine的平台调用数据库中的钻孔数 据、地表层属性等信息，实现地表与钻孔信息的三维显示、信息查询和地层 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 等功能。 关键词：地层信息；ArcEngine；钻孔数据；三维可视化；建模 中图分类号：TP391；P208文献标志码：A 文章编号：1000—2006(2013)04—0139—04 Designanddevelopmentof3Dstratumvisualizationsystem basedonArcEngineandboreholedata DINGYueping，SHIYufeng+ (CollegeofCivilEngineering，NanjingForestryUniversity，Nanjing210037，China) Abstract：ThemostintuitiveandaccurateanddetailedmethodforobtainingtheinformationofstratumiSthroughbore— holes，SOtheformationofinternalstructureofstratumcanbeexpressedby3Dmodelbasedonthedataofboreholes．In ordertoensurethesafetyofthetunnelconstructionandrealizethevisualizationofstratumsurfacewhichatthetopofthe shieldtunnelgivingamethodofconstructing3Dstratummodelbasedonthedataofboreholes．Atfirst，ArcEngine印- pliedtopreprocessingthedataofboreholesandgainthespatialinformationofbereholes；andthenconstructingTEN modelbasedonthealgorithmofthreedimensionalconstrainttetrahedronofDelaunayandtheinformationofdiscrete boreholeswhichhavebeenpreprocessed．Bycallingthedatainformationofboreholesandthepropertiesofstratumsur- faceandSOonfromthedatabasethroughtheplatformofArcEngine，realizedthefunctionof3Ddisplayoftheinformation ofstratumsurfaeeandboreholes，informationquery，analysisofstratumandSOon． Keywords：stratuminformation；ArcEngine；boreholedata；three—dimensionalvisualization；modeling 隧道工程施工是在岩土体内部进行的，具有不 可见性。工程勘察所获得的地表层信息主要来源 于离散分布的钻孔信息。在传统的工程勘察与建 设中，地表层空间分布的信息主要是以工程地质剖 面图、钻孔柱状图等二维方式及相关的数据表来表 达的，这种二维的方式难以满足工程勘察与建设中 对地层的认识和空间分析的需求⋯。为了能够事 先了解地表层的结构，将各种影响降低到最低程度， 需要对地表层实现一种三维可视化效果。与传统的 二维地质数据表示方法相比，三维模型能够完整准 确地表达复杂地层现象的边界条件和地层的内部结 构，方便工程的决策管理、地质分析等旧。J，并可根 据用户的需求对地层模型进行动态分析以及从任意 角度观察地质模型，实现全方位分析MJ。 三维地质建模技术与地理信息系统技术方法 的融合研究是当前地下工程三维可视化研究的热 点之一bJ。SimonMo提出通过连接剖面来构造三 维地质体的方法。三维地层模型在地质分析的实 际应用中极为重要。卜8|，三维模型能够完整地表达 地质体内的各种地质构造，准确地表达复杂的地质 收稿日期：2012—03—16 修回日期：2012—12—21 基金项目：住房和城乡建设部科学技术项目 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (20LO—K9—19)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD) 第一作者：丁月平，硕士生。}通信作者：史玉峰，教授。E—mail：yufen9788@163．corn。 引文格式：丁月平，史玉蜂．基于AwEngine和钻孔数据的三维地表层建模与可视化[J]，南京林业大学学报：自然科学版，2013，37 (4)：139—142． 万方数据 140 南京林业大学学报(自然科学版) 第37卷 现象的边界条件，逼真地呈现三维动态显示效 果一J。近些年，根据离散的钻孔数据来构建三维 地层模型一直是国内外研究的热点之一，并取得了 一定的研究成果。如基于多层DEM表面数据模 型，对钻孑L数据中的岩层分界点进行排序来建立三 维模型Ll0。；运用Delaunay三角剖分的方法和钻孔 数据建立不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 三角网(triangulatedirregularnet— work，TIN)来实现三维建模¨1|；根据叠层TIN模型 以及离散点和特征面，由Delaunay方法构建三维 地层模型¨2。17’。在这些利用钻孔数据进行三维地 质建模方法中，多是应用钻孔数据生成相应的地层 面，或是应用钻孔数据采用Delaunay方法生成TIN 面，然后根据需要进行缝合、剪切等操作，最终得到 三维地质体。上述方法建模自动化程度较低，建模 的过程比较复杂，限制了三维模型在工程中的应 用。目前，国内外已推出了许多成熟的软件系统， 如LYNX、Vulcna、Suprac、Datmaine、MicroMine、 EarthVision等，这些软件大都价格昂贵、应用复杂 繁琐且硬件环境要求较高。笔者在ArcEngine平 台基础上，应用钻孔信息，采用C#语言建立地层三 维可视化系统。 1 系统设计 1．1 系统总体 架构 酒店人事架构图下载公司架构图下载企业应用架构模式pdf监理组织架构图免费下载银行管理与it架构pdf 与功能 系统采用数据层、业务逻辑层、表现层3层体 系架构¨8。，以Client／Server结构建立网络化的系 统。系统的总体架构如图1所示。 表现层主要为用户提供使用界面，位于客户端； 业务逻辑层主要用于通过数据访问层对数据层执行 各种操作；数据层主要用于存储和管理数据，一般为 数据库服务器。系统采用SQLServer2005作为数据 库服务器，用于存储各种表，建立各种存储过程、事 务等以保证数据的安全性及运用效率。 表现层 业务逻辑层 数据层 用户 普通客户端l 专用客户端 瓣黧⋯圈匦囹 图1系统总体架构 Fig．1Theoverallarchitecturediagramofsystem 1．2系统功能需求分析 为了能够实现数据的三维空间分析，系统在具 备一般信息系统的数据录入、数据库维护、数据查 询、数据分析与数据处理、数据输出等功能的基础 上，还要具备可视化空间分析的功能，主要包括：空 间各种查询(简单查询、SQL查询)，如钻孔的空间 信息查询、调用SQL信息查询；空间距离的测量， 如各个钻孑L点之间的空间距离的测量、地表层间不 同介质厚度的测量；空间变换，如叠加分析、空间插 值、隧道钻孔周围缓冲区分析等。 1．3系统数据库 数据库包含了盾构隧道施工有关的大部分参 数，主要包括：钻孔基本信息、地层信息、隧道参数、 盾构参数、施工参数，以及地面、相关构筑物、管线 等沉降监测数据等，其中钻孔信息、钻孔地层信息 和地层信息如表1所示。 表1钻孔、钻孔地层及地层信息 Table1 Basicinformationofborehole，boreholestratumandstratuminformation 万方数据 第4期 丁月平，等：基于ArcEngine和钻孔数据的三维地表层建模与可视化 141 2系统功能实现 系统在VisualStudio环境下编程用C#语言进 行开发，在ArcGISEngine平台下，调用SQLServer 2005数据库的有关数据，将离散的钻孔数据和地 层信息加载到ArcMap中，应用3D分析工具进行 处理生成不规则三角网(TIN)模型，然后在Arc— Scene中完成动态三维四面体格网(tetrahedralnet． work，TEN)模型和地层信息的可视化。 2．1钻孔基本信息查询 为了能够有效地管理盾构隧道工程施工区域 的钻孑L信息，将所有的钻孔信息录入到一个数据库 中，不仅方便了钻孔信息的收集管理，更能对钻孔 信息进行快速查询，保证施工过程能够顺利地进 行。系统还能够将所有的钻孔信息以Excel表格 的形式输出，保证了及时对钻孔信息进行查询。钻 孔信息查询如图2所示。 图2钻孔基本信息查询 Fig．2Queryofboreholebasicinformation 2．2地层三维可视化的实现 地层三维可视化是通过获取的钻孑L信息建模 实现的。通过钻孔采样可以得到该钻孔点各地层 的深度、厚度、位置和岩性信息。应用空间数据结 构通常将三维地层模型分为基于面模型、基于体模 型和混合模型3种模型，采用基于面模型和体模型 相结合的方法来建立三维地层模型。 基于面模型是通过表面信息来描述对象，各种 地层的顶底面、断层面、其他特征边界面都可以用 多层TIN面来相应地表达，能够清楚、直观地展现 地质体，便于数据的更新，但缺乏拓扑描述，无法存 储地质体内部属性，不能进行地质信息的分析与查 询。基于体模型是通过空间的体元分割和真三维 实体信息来描述对象，每个体元能够单独存储相关 属性，可以通过对体元的描述和分析来反映地质体 的特征，方便对地质体的空间分析。但由于体元存 储占用空间大，降低了计算速度。根据面模型和体 模型的建模特征，将面模型和体模型相结合，实现 三维地层的建模。 首先，采集地层的分界点，按地层由上到下的 顺序对分界面上的点进行搜索采集，然后将采集到 的分界点中处于相同两个地层分界面上的点归为 同一类，得到不同界面上分界点的集合，然后根据 每一界面上的分界点集进行TIN构造，得到一个地 层的分界面，再根据地层结构与纹理完成建模。即 根据钻孔数据提取相关信息，获取地层分界面上分 界点的信息，按照各个地层界面属性的不同将离散 点分类，构建TIN模型，采用不同的颜色或纹理表 达出不同层次上的TIN，将叠层的TIN可视化。在 已建立的叠层TIN模型的基础上，根据离散的钻孔 点与不同属性的地层界面，采用三维约束Delaunay 四面体化算法来构建TEN；采用不同的颜色或纹 理表达不同地层属性的TEN，通过ArcEngine加载 有关信息，完成三维地层建模。盾构隧道可视化系 统中三维建模显示的结果见图3。 图3地层的三维建模显示 Fig．3Displayof3Dmodeling 3结语 盾构隧道施工过程中的可视化为隧道安全施 工提供了保障，实现地层的三维建模是隧道施工可 视化的重要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。基于离散的钻孑L信息建立地层 三维可视化模型的方法，实现了三维地质模型建模 与可视化。对离散的钻孔数据用ArcGIS进行预处 理，基于三维约束Delaunay四面体化算法，应用面 模型和体模型相结合方法完成了三维地层建模。 采用ArcEngine提供的相关组件和接口用c#语言 实现了三维建模的显示，三维场景的缩放、漫游、导 航等基本功能；同时也实现了从SQL数据库中调 用钻孔数据，查询钻孔基本信息以及三维地层模型 的显示等功能。提出的建模方法不仅可以实现大 万方数据 142 南京林业大学学报(自然科学版) 第37卷 量数据的动态建模，而且建模后的三维数据能以矢 量形式进行存储和管理，直观地展示了地层的空间 分布和复杂地质结构，实现了地下工程建设的三维 可视化，为安全施工辅助决策提供了可靠依据和 保障。 参考文献(References)： [1]程良勇，党增明，王永杰，等．基于工程钻孔数据的三维地层 可视化的研究与应用[J]．工程勘察，2010(1)：701—705． ChengLY，DangZM，WangYJ，eta1．Researchandapplication of3Dstratumvisualizationsystembasedontheengineeringdrill— ingdata[J]．GeotechnicalInvestigation＆Surveying，2010(1)： 701—705． [2]曾钱帮，刘大安，张菊明，等．地质工程复杂地质体三维建模 与可视化研究[J]．工程地质计算机应用，2005(3)：29—33． 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