地下工程数字化的概念及其初步应用

第25卷第10期岩石力学与工程学报Vol.25No.102006年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2006收稿日期：2005–08–20；修回日期：2005–11–11基金项目：教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划项目(2002–393)；上海市重点学科(岩土工程)资助项目(081401)作者简介：李晓军(1975–)，男，博士，1995年毕业于淮南矿业学院矿山建筑工程专业，现任讲师，主要从事地下工程数字化与信息化、岩土与地下结构应用软件开发等方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]地下工程数字化的概念及其初步应用李晓军，朱合华，解福奇(同济大学地下建筑与工程系岩土工程重点实验室，上海200092)摘要：地下工程数字化是是数字地球发展战略的一部分，是当前地下工程研究中的一个重要研究方向。在总结三维GIS、数字地层、三维地层可视化、地下工程虚拟现实系统等相关概念及研究的基础上，给出地下工程数字化的明确定义，即地下工程数字化就是以数字地层为依托，以信息化手段对地下工程建设过程中的勘察、设计、施工、监测等数据进行集中高效地管理，为地下工程的建设、管理、运营、维护与防灾提供信息共享和分析平台，最终实现一个地下工程全生命周期的数字化博物馆。地下工程数字化平台的系统体系应当由数据层、建模层、表现层、分析层、应用层等5个层次组成，并且应当采用组件式的软件开发方法进行开发。最后给出地下工程数字化在实际工程中的初步应用实例，并对地下工程数字化的进一步研究和发展进行探讨。关键词：地下工程；地下工程数字化；三维GIS；三维地层可视化；三维地层信息系统；数字地层中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)10–1975–06CONCEPTOFDIGITALIZATIONOFUNDERGROUNDENGINEERINGANDITSPRELIMINARYAPPLICATIONLIXiaojun，ZHUHehua，XIEFuqi(KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering，DepartmentofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：Digitalizationofundergroundengineeringispartofthedevelopmentstrategyofdigitalearth，anditisalsooneofthemainnewdevelopingfieldsintheresearchofundergroundengineering.Thispaperfirstexaminestheconceptandresearchofthetermssuchas3DGIS，digitalstratum，3Dstratavisualization，andvirtualrealityofundergroundengineering.Thentheconceptofdigitalizationofundergroundengineeringisclearlydefined，thatis，basedondigitalstratumandthetechnologyofinformatization，digitalizationofundergroundengineeringprovidesanintegratedandeffectivewayforthedatamanagementofundergroundinvestigation，design，construction，monitoringetc.intheconstructionprocess，andaninformationsharingandanalyticalplatformforthebuilding，management，running，maintenanceanddisasterpreventionofundergroundengineering.Theobjectiveofdigitalizationofundergroundengineeringistobuildadigitalmuseumofundergroundengineeringforalllifecycle.Accordingtotheconcept，asystemarchitectureofdigitalizationofundergroundengineeringisthenputforward.Thesystemarchitectureiscomprisedoffivelevels，whicharedatalayer，modelinglayer，representationlayer，analysislayerandapplicationlayer，andfunctionalityofeachlayerisalsodescribed.Itisalsoproposedthatthesoftwaredevelopmentofeachlayershouldbeimplementedbycomponenttechnology.Finally，somepreliminaryapplicationexamplesofdigitalizationofundergroundengineeringareputforward，andsomeresearchtrendsinthe·1976·岩石力学与工程学报2006年futurearediscussed，too.Keywords：undergroundengineering；digitalizationofundergroundengineering；3DGIS；3Dstratavisualization；3Dstratainformationsystem；digitalstrata1引言1998年1月31日，美国前副总统戈尔(Al.Gore)在加利福尼亚科学中心的OGC(openGISconsortium)会议上发表了题为“认识21世纪我们这颗地球——数字地球”(Thedigitalearth：understandingourplanetinthe21stcentury)的演说[1]，首次提出了数字地球这个通俗易懂的概念，它勾绘出了信息时代人类在地球上生存、工作、学习和生活的时代特征。数字地球的提出引起了各国政府的高度重视，更引起了学术界研究上的一个热潮，不少学者根据自己的研究领域先后提出了数字地层[2，3]、数字城市[4]、数字矿山[5，6]等概念。在地下工程的建设过程中，由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，地下工程施工与管理的难度就必然有别于地面工程，而对地下工程大量复杂信息的了解和掌握将有助于这些难题的解决。因此地下工程的建设，特别是重大的地下工程建设，其数字化问题显得更为重要和迫切。然而纵观国内外研究，对地下工程数字化的概念并没有一个明确的定义，它与三维GIS[6～8]、三维地层可视化[6，9～11]、三维地层信息系统[3，10～13]、地下工程虚拟现实系统[9，14]等概念之间的联系与区别也并不是十分明确，因而造成了地下工程数字化的研究工作很不全面，也容易导致低水平的重复研究。本文首先在总结他人研究成果的基础上，给出了地下工程数字化的概念，然后论述了地下工程数字化平台的体系与开发过程，最后结合作者对大型地下工程的数字化研究给出了初步应用实例，并对地下工程数字化的未来发展趋势进行了展望和分析。2地下工程数字化的概念2.1地下工程信息特点在地下工程活动中，地下工程信息具有如下的特点：(1)地下工程数据是真三维的，现有的GIS软件包处理二维、2.5维数据的能力和性能已被广泛认可，但是对真三维的表达和处理还在不断的研究；(2)地下工程信息与时间相关，随着时间的变化信息在不断变化，例如施工过程、长期变形等因素；(3)地下工程信息量大，类型复杂，并且是多源异构的，例如勘察资料、设计信息、施工过程、监测数据等等；(4)地下工程的地层数据源在工程活动前期非常有限，但又必须对复杂地质现象的进行判断和分析，随着施工过程的进行，数据源又在不断增加；(5)地下工程的长期运营和管理、防灾减灾都依赖于对前期数据的掌握[6，9]。2.2地下工程数字化相关概念地下工程数字化是随着三维GIS、地质体建模、可视化与虚拟现实以及工程信息管理系统等研究的开展而逐渐发展起来的一项综合性研究体系，它与三维GIS、三维地层可视化、三维地层信息系统、地下工程虚拟现实系统既有所联系，又有所区别。三维GIS一直是GIS理论与应用研究中的热点问题之一，虽然关于三维GIS的概念和内涵尚未达成共识，但普遍观点认为，三维GIS应能够实现三维现象相关的信息的建模、表达、管理、操作、分析以及决策支持等[6～8]。在三维GIS基础上建立起来的数字地层、三维地层信息系统等概念，其主要思想是利用三维GIS技术将原始地层信息和施工扰动地层信息用数字化的方法直观地展现出来，并对庞杂的工程资料进行综合动态管理，提高数据可视化程度，进一步利用人工智能专家系统、数值分析系统对数据进一步加工利用，实现工程智能决策，从而体现出工程信息的价值[3，9，12]。地质体建模近年来愈来愈受到城市管理、规划、建设和施工单位的重视。通过三维地质建模，可以将地质体及其形态构造直观形象地展现在工程师面前，能够最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，使之做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，从而减少人类对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的巨大风险[13]。三维地质建模的数据模型可以分为面模型、体模型以及混合模型三大类。面模型数据结构侧重于三维空间表面的表示，如：地形表面、地质层面等，通过表面表示形成三维空间目标表示，其优点是便于第25卷第10期李晓军等.地下工程数字化的概念及其初步应用•1977•显示和数据更新，不足之处是空间分析难以进行，代表性的有叠层TIN模型、多层DEM模型、B-Rep(boundaryrepresentation)模型等；体模型数据结构侧重于三维空间体的表示，如管线、建筑物等，通过对体的描述实现三维空间目标表示，其优点是便于空间操作和分析，但存储空间占用较大，计算速度也较慢，代表性的有CSG(constructionsolidgeometry)模型、四面体模型(TEN)、三棱柱模型(TP)以及广义三棱柱模型(GTP)等；混合数据模型是指由以上两种数据模型组成的混合模型，它兼具两种模型的优点，是目前地质建模研究的一个重要方向[8，13，14]。三维地层可视化是利用计算机图形学与科学计算可视化的技术与方法，来表达地层的时空数据及其关系、时空分析模型与结果，同时提供模拟和视觉交互手段。虽然图形可视化已经是一项比较成熟的计算机技术，但是由于三维地层可视化的研究总是和具体的数据模型研究相结合，所以依靠三维绘图软件(例如AutoCAD等)进行三维地层可视化的研究存在着很大的难度，因而选择合适的三维图形包(如：OpenGL，Java3D，VTK，IDL等)，结合编程开发语言进行自主开发是目前三维地层可视化的一种主要方法[6，9，10，11，13]。虚拟现实(virtualreality)是用户与计算机之间的一种更为理想化的人机界面形式，虚拟现实系统具有3个重要特征：临境性，交互性，想象性。它利用计算机生成一个模拟环境(一般是指用计算机生成的有立体感的图形)，实现人机交互、互相交流的操作环境及身临其境的感觉，使人产生强烈的真实感、参与感、操作感，从而更直观的认识了解事物。虚拟现实技术为地下工程提供了一种崭新且强有力的模拟工具，并且随着虚拟现实技术的不断成熟，在地下工程中也得到了越来越多的重视，但目前主要是