|
工程地质三维数字化分析系统
（一堂之见／陈树铭
王满春 刘慧杰）
“工程地质三维数字化分析系统”软件是我们在三维可视化研究工作中结合生产需要而研制开发的应用软件。该软件目前主要用于地层的三维空间分布规律的分析和展示，当然本软件也同样适用于其它领域的三维数据可视化分析。
该软件的所有功能模块完全用IDL语言编程实现。
一 整体功能描述
本系统主要包括数据导入，三维地层数据重构，三维交互式分析，附属外部图形组合，以及图形输出五项功能。
1．数据导入
本系统提供的数据导入功能，主要用于读取特殊格式的文本数据，读入的数据包括钻孔坐标、钻孔揭露的地层信息以及工程场区尺寸等基本数据。读入这些基本数据后，就可以进行下述的三维地层数据重构计算分析。可以根据需要，编制专用的数据接口程序，将其它系统的已有数据转换为该系统所需要的基本数据格式。
2．三维地层数据重构
根据上述“1.数据导入”所获取的基本数据，采用自行研制的算法和模型，就可以计算出工程场区勘探钻孔控制深度范围内所有地层三维体数据。
3．三维交互式分析
以上述三维地层数据重构所计算的地层三维体数据为基础，就可以实施真三维交互式切割分析。
可以根据指定的切割面位置，对三维地层实体进行实时切割展示，分析其内部地层分布状况。切割面位置可以交互式地指定，既可以用鼠标拖动切割面到指定位置，也可以用命令行的方式精确输入切割面位置参数来指定切割面位置。
同时也可以直接用鼠标直观地在工程场区平面图上绘制剖面走向线，然后系统自动分析展示出对应的三维立体剖面图。
本系统提供了丰富的图形切割结果和图形空间组合功能。可以从不同的视角分析展示工程场区以下图件：
 三维地层空间分布示意图
任意标高地层水平剖面图
任意走向线形状的竖向剖面
不同标高的台面组合图
若干竖向剖面的空间组合图
任一地层立体空间分布示意图
多个地层立体空间分布组合图
三维切割图及其相互组合图
具体图件内容可见后续章节“可提供成果”中所述。
为了更好地进行三维展示和三维切割分析，系统还提供了图件实体的三维旋转、三维缩放和平移功能，提供了对图件标题文字属性修改和位置平移等功能，而且系统在三维切割时，可以对下部地层及上部规划图或拟建物效果图同步切割，切割形状任意。
综上所述，该系统真正实现了三维交互式操作功能。
4．附属外部图形组合功能
本系统还能直接读取上部建筑物轮廓数据，直接将建筑物轮廓线图叠加在本系统生成的各种三维图形体上，可以将规划图或拟建物效果图叠加在地层实体顶面，可以直接在三维图上叠加三维标尺。
5．图形输出功能
本系统提供了丰富的图形输出功能。图件输出主要有打印输出和图形文件电子文档输出两种方式。打印输出功能可以通过打印机、绘图仪等直接打印输出，打印输出图可为任意类型的标准图幅，如A4、A3、A2、A1、A0等，而且输出三维图形清晰、精细。电子文档方式输出的图形文件可以被直接应用到工程勘察报告，目前本系统所提供的电子文档图形格式，主要包括国际流行的BMP、TIFF、JPEG、GIF和PNG等图形格式。
二 界面及其特点
1．界面简介：
软件界面最上方是菜单栏，将软件各项功能分布在对应菜单项中，用户直接点取菜单即可实现对应功能。
菜单栏下方是快捷工具按钮区，简称工具栏。将用户经常使用的功能项（如旋转、缩放、平移、切割等），放置在不同按钮上，用户直接点击按钮，可实施对应的功能。和Word
等国际流行软件的风格一致，对工具栏中的按钮，软件也提供了功能提示帮助。当鼠标移动到某快捷工具按钮上时，软件会在按钮右下方自动提示该图标按钮对应的功能。
屏幕中间，工具栏下方的矩形区域，是该软件的图形展示分析区和数据录入修改区。图形展示分析和数据录入修改的切换可通过分别点击工具栏中的“图形展示”和“数据编辑”按钮实现。
图形展示区和数据编辑区的下方是命令输入区，简称命令行。在命令行可输入特殊的指令和参数等，让软件实现某项功能。例如在命令行可直接输入三维切割分析时切割面的位置参数，精确指定切割面位置。
在屏幕最下方是状态提示栏。状态提示栏会根据用户的操作情况，显示各种信息，提示用户目前正在进行何种操作，执行结果等。比如，当软件进行三维地层重构计算时，状态栏会显示正在计算，并用温度计方式动态显示已经完成的工作量。计算结束会提示“计算完毕”。
总体来说，该软件的界面设计采用国际流行的图形用户界面，人机界面友好，操作方便。软件的界面风格与Windows操作系统及流行软件的风格一致。用户可根据以前使用软件的经验轻松上手，减少了重复学习时间，提高了工作效率。
2．界面主要特点：
本系统界面主要有以下一些特点：
a．软件界面具有良好的自适应能力。
不同用户采用不同尺寸的显示器，设置不同的分辨率，同一显示器不同用户习惯设置不同的分辨率。如果软件针对上述种种差异，不能自适应地调节软件界面的尺寸及外观，将会出现软件界面显示不美观，不完整的情况，严重的时候，用户将无法进行正常操作和显示，大大影响了对软件的使用。
本软件在界面设计和编程实现时，充分考虑和研究了上述种种情况，使软件界面具有良好的自适应能力，在不同显示器和不同分辨率的情况下自动调整界面布局，保持统一的用户界面，方便了用户的操作使用。
b．界面风格个性化自我定制
本软件中菜单栏和工具栏的格式和风格采用配置文件定制技术.菜单栏和工具栏的定义和布置信息完全存放在程序外的配置文件中，与程序本身无关。这样可以灵活地对菜单栏和工具栏进行定制，而不需要对程序作修改，极大的方便了系统的维护工作。此外，通过外部定制技术，也可以灵活地对程序流程进行控制和配置，也为系统界面和功能的个性化配置以及进行功能扩充、扩展提供了基础。
c．多语言版本的用户界面
为了适用于不同人群，软件开发时充分考虑了多语言版本的问题，采取同时适用于多语言的软件开发模式。系统开发后，能随心所欲的提供各种语言模式下的软件，并能自由切换。此外系统开发完后，还可以在系统外部定制添加新语言版本。目前软件的用户界面已经可以提供中文和英文两种语言版本。
d．更加灵活的交互式操作
用户界面中命令行功能的实现，大大增强了软件的交互式操作功能，对于高频率使用的操作，由高级用户直接键入简短的命令就能准确地实现对应功能，可以大大地提高工作效率。
系统提供的可视化三维切割分析操作手段与工程人员工作流程及分析方式接近，使工程人员很快就能得出专业的分析效果。
三．初始数据准备
完成地层三维空间计算、分析和展示需要的数据包括工程场区地层综合分层数据、钻孔数据和工程场区数据。描述如下：
a．工程场区地层综合分层数据：工程场区地层由上而下综合分层情况以及综合分层编号等数据。根据工程展示的需要，此处需要提供的工程 场区地层综合分层数据可能与岩土工程勘察报告中“地层物理力学性质指标综合统计表”里的综合分层数据不完全一致，而是在此基础上的再次综合合并数据。
b．钻孔数据：包括钻孔坐标、孔口标高和每个钻孔的综合地层描述等。
钻孔坐标可以是大地坐标或者是相对坐标；钻孔的综合地层描述包括层底深度和对应的综合分层编号。此处的综合分层编号应该与上述a中的综合合并数据一致。
c．工程场区数据：包括工程场区长宽尺寸和拟建物轮廓线数据等。
拟建物轮廓线数据主要指拟建物轮廓线上控制点的X、Y坐标。
目前，已经可以直接从我院的专家系统数据库文件中读取综合分层数据和钻孔数据等信息，经综合分析调整后，可以直接用于地层三维数字化计算和分析。
当然，上述数据也可直接通过各种编辑系统来生成相应的数据文本文件，或者直接通过本系统表格界面来输入所需数据。
四．可提供成果
目前，该软件可以提供以下几种成果：
1、提供三维数字化数据成果
采用自行研制的算法和模型，就可以计算出工程场区勘探钻孔控制深度范围内所有地层三维数据，提供三维数字化数据成果供相关软件分析处理。
以三维重构计算数据成果为基础，可以展示下面所叙述的各种三维空间分布示意图及其组合图形，可以对研究空间进行真三维交互式切割分析，可以在三维数字化空间数据的基础上进行区域规划研究、地下水分布规律、矿体分布规律及储量计算等更深入的研究分析。
2、工程场区三维地层空间分布示意图
如 “真三维地质显示世界”中附图“工程场区三维地层空间分布示意图”所示，工程场区地层空间分布示意图从工程场区的任意视角观看场区地层由上而下立体分布情况。可以让工程主持管理者从宏观角度把握整个工程场区地层分布规律。
目前已经应用该系统对面积约5.05Km2的独立场区进行三维重构计算、分析和展示，整个场区三维展示直观明了，效果很好。完全可以应用到更大的场区.
3、建筑基底地层空间分布示意图
建筑基底地层空间分布示意图，展示的是基坑开挖到建筑物基底标高时，所看到的地层空间分布情况。如 “真三维地质显示世界”中附图“建筑基底三维地层空间分布示意图”所示，可以清楚观察到基坑侧壁地层情况、建筑物基底面地层情况以及基底下地层空间分布情况。
采取同样的技术手段和展示方法，可以分析展示三维重构空间区域内任意标高水平面的地层出露情况及该水平面下部地层三维空间分布情况。
4、建筑基底及桩端地层空间分布示意图
建筑基底及桩端地层空间分布示意图，展示的是建筑物基底地层水平切面、桩端地层及其下覆地层空间分布情况。
采取同样的技术手段和展示方法，可以分析展示三维重构空间区域内多个地质体分布情况组合图。
5、特殊土层夹层、水层、矿体空间分布示意图
特殊土层夹层空间分布示意图单独展示某一特殊地层的空间分布情况。同样的处理方法可以在三维重构计算分析的基础上展示水层、矿体、地温场等地质体、地质场的立体空间分布规律。
6、建筑基底地层及其下部特殊地层空间分布的组合展示图
如 “真三维地质显示世界”中附图“复杂地层组合展示图”所示，建筑基底地层及其下部特殊地层空间分布的组合展示图，是将建筑物基底地层以及需要展示的其它特殊地层的空间立体分布图组合在同一幅图片中展示的图件。
采用同样的方式，可以将地质体空间分布情况通过组合图的方式充分地揭露和展示。
7、立体空间三维地质剖面图
如 “真三维地质显示世界”中附图“三维地质剖面图”和“沿任意折线切割三维立体剖面示意图”所示，以真三维交互式切割分析为手段，可以展示出三维重构空间区域内任意走向的立体空间三维地质剖面图。
二维的地质剖面图有很多的局限性，不能完整真实地反映出地质体空间分布规律，经验不足的研究人员根据二维的地质剖面图有时可能得出不完整的，甚至是错误的结论。本分析系统提供的三维地质剖面图是场区内地质体分布规律的真实写照，使研究者直观明了地把握场区内地质体分布规律。
根据生产需要，本系统可以展示工程场区任意竖向剖面图。竖向剖面的走向线形状及位置是任意的，而且是可以可视化的指定的。可用于追溯和分析地层土体内部地层分布变化情况。同时也可以展示同一个工程场区若干个竖向剖面的空间组合情况。可以用来分析和展示地层土体内部地层分布变化情况。
8．工程场区不同标高的台面组合图
如 “真三维地质显示世界”中附图“不同标高地层台面组合图”所示，可以展示同一个工程场区中不同标高水平剖面及下部土体的三维立体空间分布组合图。该图件多用于同一场区不同拟建物基底标高不同时的综合分析展示。
五 工程应用实例
到目前为止，该系统已成功应用到下述大型工程的岩土工程勘察地层分析展示中：
北京北辰大厦
摩根中心三期工程
北京2008年奥运会中心场区B区岩土工程勘察初步勘察
东直门综合交通枢纽(北区)工程
北京国贸三期工程岩土工程勘察投标
北京市朝外商业中心C区
侨福花园广场
北京电视中心新台址建设工程
摩根中心一期工程
财富中心一期工程
中央电视台新台址建设工程岩土工程勘察投标
中国国际贸易中心三期工程
尤其是在奥运会主体育场的岩土工程勘察研讨会和初步勘察中，该系统的应用，得到了奥委会工程主管部门和相关专家的好评。
该系统在不同工程中实现的地质三维分析效果图如 “真三维地质显示世界”中附图所示。 | 
