摘要：本文在介紹巖土工程對象的基本特征和特點基礎(chǔ)上，分析了巖土工程地質(zhì)模型的建模依據(jù)，并詳細分析了巖土工程地質(zhì)模型的實現(xiàn)方法相關(guān)內(nèi)容。
　　關(guān)鍵詞：巖土工程，場地地層，數(shù)字化處理
　　所謂模型，就是根據(jù)實物、設(shè)計圖、構(gòu)想，按比例、生態(tài)或主要特征(屬性)作成相似的物體或圖件，用以顯示、展示、揭示一類事物和問題。在巖土工程學科中，巖土工程地質(zhì)模型，就是依據(jù)工程性狀，將重要的巖土工程條件，亦可稱要素，按實際狀態(tài)，簡明醒目地用圖形表示出來，簡言之，即工程與地質(zhì)條件相互依存關(guān)系的圖示。這種地質(zhì)與工程結(jié)合形式一一模型，能較好地解決了地質(zhì)與工程的脫節(jié)，便于設(shè)計人員充分認識與真正應(yīng)用好巖土工程工作成果，它深化了巖土工程條件的研究，更抓住了影響工程巖土變形或破壞的關(guān)鍵條件，與此同時，還促進地質(zhì)與工程結(jié)合后的巖土變形規(guī)律、效應(yīng)與法則的理性化，在理論與實用的兩方面均會得到實質(zhì)性的進展[1,2]。
　　1巖土工程對象的基本特征及特點
　　任何地質(zhì)對象在空間上都占有一定的位置和范圍，具有一定的形態(tài)和性質(zhì)特征，并與其他地質(zhì)對象之間存在著一定的空間聯(lián)系。因此地質(zhì)對象的基本特征可歸結(jié)為空間特征、屬性特征和空間關(guān)系特征三個方面�？臻g特征表示地質(zhì)對象所處的空間位置特征，也稱作幾何特征或定位特征。地質(zhì)對象一般是通過地質(zhì)體來反映的，地質(zhì)體的形態(tài)通常是不規(guī)則的，而且具有不同的產(chǎn)狀。屬性特征表示地質(zhì)對象的各種性質(zhì)特征，如地質(zhì)對象的年代、巖性、孔隙度、滲透率、含水性、力學強度參數(shù)等。不同的地質(zhì)對象具有不同的屬性特征，同一地質(zhì)對象的屬性特征在空間上往往是不均一的。如巖體的抗壓強度隨著位置的不同而發(fā)生變化。地質(zhì)對象之間的空間關(guān)系主要為拓撲關(guān)系，包括鄰接、包含、相離等關(guān)系。從上述分析不難看出，三維地質(zhì)模型應(yīng)該是對研究范圍內(nèi)各種地質(zhì)對象的幾何屬性和拓撲信息的表達。巖土工程建模就是要建立巖土工程空間特征與巖土工程屬性特征之間的對應(yīng)關(guān)系。
　　其主要特點表現(xiàn)在：（1）確定性，巖土工程工作者解釋研究的對象是確定的巖體，相應(yīng)的它的地質(zhì)模型應(yīng)具有確定性，不應(yīng)當只局限在有限個剖面上；（2）可視性；（3）可修改性，可修改性使人們能對地質(zhì)模型進行修改和處理，使設(shè)想中的東西變成虛擬現(xiàn)實。
　　2巖土工程地質(zhì)建模的依據(jù)
　　巖土工程地質(zhì)模型是人們對客觀事物認識的精煉和圖示化。建模最基本的依據(jù)是觀點、理論基礎(chǔ)。這里推崇巖體巖土工程力學，其核心觀點就是巖體(實際上亦包在巖體結(jié)構(gòu)中)，結(jié)構(gòu)面起著主導作用，軟弱巖層(軟巖)起著起始變形與突破口的作用。結(jié)構(gòu)面類型較多，性狀復雜。不僅有軟硬之分，還有大小之分和分布上的隨機性。
　　3巖土工程地質(zhì)建模的實現(xiàn)方法
　　巖土工程地質(zhì)建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法(也叫數(shù)字表面模型)的歷史較早，它的基本內(nèi)容就是通過精確的表示出工程地質(zhì)體的外表面來表示均質(zhì)地質(zhì)體的建模方法。也是目前廣泛使用的建模方法。
　　表面模型法的數(shù)據(jù)來源是通過測點獲得的一系列離散的測點資料，包括測點的幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)。然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重構(gòu)地質(zhì)體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點按照一定的規(guī)則連接起來，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片，進而確定整個地質(zhì)體的空間屬性。有很多方法用來表示表面，常用的方法主要有圖示模型法和數(shù)學模型法。
　　3.1圖示模型法
　　常用的圖示模型法有邊界表示法、規(guī)則格網(wǎng)法、等值線法、不規(guī)則格網(wǎng)法等。(1)、邊界表示法：通過面、線、點等簡單幾何元素的屬性來表示工程地質(zhì)體的位置、形狀、屬性，這種方法用來表示簡單物體時十分有效。但對于很不規(guī)則的地質(zhì)實體則很不方便，只有再降低精度要求的情況下，才可以使用。(2)、規(guī)則格網(wǎng)法(Grid):規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學上可以表示為一個矩陣，在計算機實現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素，對應(yīng)一個屬性值。(3)、等值線模型：等值線通常被存成一個有序的坐標點對序列，可以認為是一條帶有屬性值的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等值線模型只表達了區(qū)域的部分屬性值，往往需要一種插值方法來計算落在等值線外的其它點的屬性值，又因為這些點是落在兩條等值線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只使用外包的兩條等值線的屬性值進行插值。(4)、不規(guī)則格網(wǎng)法(TIN)：TIN模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個點將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果任意點不在頂點上，則該點的數(shù)字屬性值通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的兩個頂點的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點的高程)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。有許多種表達TIN拓撲結(jié)構(gòu)的存儲方式，一個簡單的記錄方式是：對于每一個三角形、邊和節(jié)點都對應(yīng)一個記錄，三角形的記錄包括三個指向它三個邊的記錄的指針;邊的記錄有四個指針字段，包括兩個指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個頂點的記錄的指針；也可以直接對每個三角形記錄其頂點和相鄰三角形。每個節(jié)點包括三個坐標值的字段，分別存儲X、Y、Z坐標。這種拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點是：對于給定一個三角形，查詢其三個頂點屬性和相鄰三角形所用的時間是定長的。它在沿直線計算地形剖面線時具有較高的效率。當然可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加其它變化，以提高某些特殊運算的效率，例如在頂點的記錄里增加指向其關(guān)聯(lián)的邊的指針(這個記錄指針在利用OpenGL技術(shù)構(gòu)建三維模型具有特殊用途)。
　　3.2數(shù)學模型法
　　巖土工程地質(zhì)建模的數(shù)學模型法，即地質(zhì)空間的擬合插值方法，它是指給定一組已知空間數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中找到一個函數(shù)關(guān)系式，使該關(guān)系式最好地逼近這些已知的地質(zhì)空間數(shù)據(jù)，并根據(jù)該函數(shù)關(guān)系式推求出區(qū)域范圍其他任意點的值。相對于巖土工程勘察上的一些變量，如地層界面的埋藏深度、地層厚度等指標都可以看成是分布在空間某個曲面G上，這樣巖土工程勘察變量Z的觀測值及其觀測點的地理坐標就構(gòu)成曲面上的己知點，記為。巖土工程地質(zhì)的數(shù)學模型就是根據(jù)曲面G上的己知點來擬合出一個數(shù)學曲面M，以此來研究巖土工程勘察變量Z在空間區(qū)域上變化特征。擬合出的曲面M并不是巖土工程勘察變量Z分布的實際曲面，而是一個逼近G的數(shù)學曲面。同時，巖土工程地質(zhì)數(shù)據(jù)具有特殊性，在進行空間數(shù)據(jù)插值時，不能簡單的套用現(xiàn)成的自動插值方法，必須考慮許多制約因素及相關(guān)的工程地質(zhì)學原理。不同的插值方法有各自的優(yōu)勢，而不同的巖土工程地質(zhì)變量有不同的特征，必須選擇合適的方法來模擬，才能形成準確可靠的數(shù)學地質(zhì)模型。一般地，巖土工程地質(zhì)數(shù)學模型方法有距離平方反比法、點勢位影響場法、樣條函數(shù)法、Kriging法、趨勢面分析法等等。
　　(1)距離平方反比法。其思想是根據(jù)樣點到插值點的距離確定權(quán)重的線性插值方法。
　　(2)點位勢影響場法。它是根據(jù)位勢場影響理論，把空間任意點上的巖土工程勘察變量值看作是所有離散測點變量值在該點引起的垂向位勢的疊加。它要求測點均勻分布，且在較多觀測資料時，其內(nèi)插結(jié)果才具有較高的精度。
　　(3)樣條函數(shù)法。是指構(gòu)造一個樣條函數(shù)進行空間插值的方法。該方法使用分段低次多項式函數(shù)逼近曲面，一般在計算區(qū)域用不高于3次的多項式擬合，同時保證樣點上插值函數(shù)直至二階導數(shù)連續(xù)，再根據(jù)選用邊界條件的不同解得相應(yīng)樣條函數(shù)。它在小擾度曲線(曲面)擬合時，具有較好的效果，但在大擾度情況下，時常出現(xiàn)多余拐點而不光滑，易造成曲線(曲面)發(fā)散的情況，且缺乏幾何不變性，不易進行局部的調(diào)整和修改。
　　參考文獻：
　　[1]解文強.巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)的實現(xiàn)與展望[J].山西建筑,2007,28
　　[2]丁伯陽.巖土工程數(shù)字化原理與技術(shù)[M].北京：:科學出版社.2007.

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