场地地层的数字化相关问题分析

　　摘要：本文在介绍岩土工程对象的基本特征和特点基础上，分析了岩土工程地质模型的建模依据，并详细分析了岩土工程地质模型的实现方法相关内容。
　　关键词：岩土工程，场地地层，数字化处理
　　所谓模型，就是根据实物、设计图、构想，按比例、生态或主要特征(属性)作成相似的物体或图件，用以显示、展示、揭示一类事物和问题。在岩土工程学科中，岩土工程地质模型，就是依据工程性状，将重要的岩土工程条件，亦可称要素，按实际状态，简明醒目地用图形表示出来，简言之，即工程与地质条件相互依存关系的图示。这种地质与工程结合形式一一模型，能较好地解决了地质与工程的脱节，便于设计人员充分认识与真正应用好岩土工程工作成果，它深化了岩土工程条件的研究，更抓住了影响工程岩土变形或破坏的关键条件，与此同时，还促进地质与工程结合后的岩土变形规律、效应与法则的理性化，在理论与实用的两方面均会得到实质性的进展[1,2]。
　　1岩土工程对象的基本特征及特点
　　任何地质对象在空间上都占有一定的位置和范围，具有一定的形态和性质特征，并与其他地质对象之间存在着一定的空间联系。因此地质对象的基本特征可归结为空间特征、属性特征和空间关系特征三个方面。空间特征表示地质对象所处的空间位置特征，也称作几何特征或定位特征。地质对象一般是通过地质体来反映的，地质体的形态通常是不规则的，而且具有不同的产状。属性特征表示地质对象的各种性质特征，如地质对象的年代、岩性、孔隙度、渗透率、含水性、力学强度参数等。不同的地质对象具有不同的属性特征，同一地质对象的属性特征在空间上往往是不均一的。如岩体的抗压强度随着位置的不同而发生变化。地质对象之间的空间关系主要为拓扑关系，包括邻接、包含、相离等关系。从上述分析不难看出，三维地质模型应该是对研究范围内各种地质对象的几何属性和拓扑信息的表达。岩土工程建模就是要建立岩土工程空间特征与岩土工程属性特征之间的对应关系。
　　其主要特点表现在：（1）确定性，岩土工程工作者解释研究的对象是确定的岩体，相应的它的地质模型应具有确定性，不应当只局限在有限个剖面上；（2）可视性；（3）可修改性，可修改性使人们能对地质模型进行修改和处理，使设想中的东西变成虚拟现实。
　　2岩土工程地质建模的依据
　　岩土工程地质模型是人们对客观事物认识的精炼和图示化。建模最基本的依据是观点、理论基础。这里推崇岩体岩土工程力学，其核心观点就是岩体(实际上亦包在岩体结构中)，结构面起着主导作用，软弱岩层(软岩)起着起始变形与突破口的作用。结构面类型较多，性状复杂。不仅有软硬之分，还有大小之分和分布上的随机性。
　　3岩土工程地质建模的实现方法
　　岩土工程地质建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法(也叫数字表面模型)的历史较早，它的基本内容就是通过精确的表示出工程地质体的外表面来表示均质地质体的建模方法。也是目前广泛使用的建模方法。
　　表面模型法的数据来源是通过测点获得的一系列离散的测点资料，包括测点的几何特征数据和属性特征数据。然后利用数据解释结果重构地质体界面。可以抽象为把一系列同属性的点按照一定的规则连接起来，构成网状曲面片，进而确定整个地质体的空间属性。有很多方法用来表示表面，常用的方法主要有图示模型法和数学模型法。
　　3.1图示模型法
　　常用的图示模型法有边界表示法、规则格网法、等值线法、不规则格网法等。(1)、边界表示法：通过面、线、点等简单几何元素的属性来表示工程地质体的位置、形状、属性，这种方法用来表示简单物体时十分有效。但对于很不规则的地质实体则很不方便，只有再降低精度要求的情况下，才可以使用。(2)、规则格网法(Grid):规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个属性值。(3)、等值线模型：等值线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有属性值的简单多边形或多边形弧段。由于等值线模型只表达了区域的部分属性值，往往需要一种插值方法来计算落在等值线外的其它点的属性值，又因为这些点是落在两条等值线包围的区域内，所以，通常只使用外包的两条等值线的属性值进行插值。(4)、不规则格网法(TIN)：TIN模型根据区域内有限个点将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果任意点不在顶点上，则该点的数字属性值通常通过线性插值的方法得到(在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程)。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。有许多种表达TIN拓扑结构的存储方式，一个简单的记录方式是：对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针;边的记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形记录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对每个三角形记录其顶点和相邻三角形。每个节点包括三个坐标值的字段，分别存储X、Y、Z坐标。这种拓扑网络结构的特点是：对于给定一个三角形，查询其三个顶点属性和相邻三角形所用的时间是定长的。它在沿直线计算地形剖面线时具有较高的效率。当然可以在此结构的基础上增加其它变化，以提高某些特殊运算的效率，例如在顶点的记录里增加指向其关联的边的指针(这个记录指针在利用OpenGL技术构建三维模型具有特殊用途)。
　　3.2数学模型法
　　岩土工程地质建模的数学模型法，即地质空间的拟合插值方法，它是指给定一组已知空间数据，从这些数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼近这些已知的地质空间数据，并根据该函数关系式推求出区域范围其他任意点的值。相对于岩土工程勘察上的一些变量，如地层界面的埋藏深度、地层厚度等指标都可以看成是分布在空间某个曲面G上，这样岩土工程勘察变量Z的观测值及其观测点的地理坐标就构成曲面上的己知点，记为。岩土工程地质的数学模型就是根据曲面G上的己知点来拟合出一个数学曲面M，以此来研究岩土工程勘察变量Z在空间区域上变化特征。拟合出的曲面M并不是岩土工程勘察变量Z分布的实际曲面，而是一个逼近G的数学曲面。同时，岩土工程地质数据具有特殊性，在进行空间数据插值时，不能简单的套用现成的自动插值方法，必须考虑许多制约因素及相关的工程地质学原理。不同的插值方法有各自的优势，而不同的岩土工程地质变量有不同的特征，必须选择合适的方法来模拟，才能形成准确可靠的数学地质模型。一般地，岩土工程地质数学模型方法有距离平方反比法、点势位影响场法、样条函数法、Kriging法、趋势面分析法等等。
　　(1)距离平方反比法。其思想是根据样点到插值点的距离确定权重的线性插值方法。
　　(2)点位势影响场法。它是根据位势场影响理论，把空间任意点上的岩土工程勘察变量值看作是所有离散测点变量值在该点引起的垂向位势的叠加。它要求测点均匀分布，且在较多观测资料时，其内插结果才具有较高的精度。
　　(3)样条函数法。是指构造一个样条函数进行空间插值的方法。该方法使用分段低次多项式函数逼近曲面，一般在计算区域用不高于3次的多项式拟合，同时保证样点上插值函数直至二阶导数连续，再根据选用边界条件的不同解得相应样条函数。它在小扰度曲线(曲面)拟合时，具有较好的效果，但在大扰度情况下，时常出现多余拐点而不光滑，易造成曲线(曲面)发散的情况，且缺乏几何不变性，不易进行局部的调整和修改。
　　参考文献：
　　[1]解文强.岩土工程勘察数字化技术的实现与展望[J].山西建筑,2007,28
　　[2]丁伯阳.岩土工程数字化原理与技术[M].北京：:科学出版社.2007.