摘要：本文在介紹巖土工程對(duì)象的基本特征和特點(diǎn)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(xì)分析了巖土工程地質(zhì)模型的實(shí)現(xiàn)方法相關(guān)內(nèi)容。
　　關(guān)鍵詞：巖土工程，場(chǎng)地地層，數(shù)字化處理
　　所謂模型，就是根據(jù)實(shí)物、設(shè)計(jì)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(xué)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(shí)際狀態(tài)，簡(jiǎn)明醒目地用圖形表示出來，簡(jiǎn)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(jì)人員充分認(rèn)識(shí)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(shí)，還促進(jìn)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(shí)用的兩方面均會(huì)得到實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[1,2]。
　　1巖土工程對(duì)象的基本特征及特點(diǎn)
　　任何地質(zhì)對(duì)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(duì)象之間存在著一定的空間聯(lián)系。因此地質(zhì)對(duì)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(gè)方面�？臻g特征表示地質(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)象的各種性質(zhì)特征，如地質(zhì)對(duì)象的年代、巖性、孔隙度、滲透率、含水性、力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)等。不同的地質(zhì)對(duì)象具有不同的屬性特征，同一地質(zhì)對(duì)象的屬性特征在空間上往往是不均一的。如巖體的抗壓強(qiáng)度隨著位置的不同而發(fā)生變化。地質(zhì)對(duì)象之間的空間關(guān)系主要為拓?fù)潢P(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(duì)研究范圍內(nèi)各種地質(zhì)對(duì)象的幾何屬性和拓?fù)湫畔⒌谋磉_(dá)。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(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）確定性，巖土工程工作者解釋研究的對(duì)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(dāng)只局限在有限個(gè)剖面上；（2）可視性；（3）可修改性，可修改性使人們能對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行修改和處理，使設(shè)想中的東西變成虛擬現(xiàn)實(shí)。
　　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(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的精煉和圖示化。建模最基本的依據(jù)是觀點(diǎn)、理論基礎(chǔ)。這里推崇巖體巖土工程力學(xué)，其核心觀點(diǎn)就是巖體(實(shí)際上亦包在巖體結(jié)構(gòu)中)，結(jié)構(gòu)面起著主導(dǎo)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(fù)雜。不僅有軟硬之分，還有大小之分和分布上的隨機(jī)性。
　　3巖土工程地質(zhì)建模的實(shí)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(cè)點(diǎn)獲得的一系列離散的測(cè)點(diǎn)資料，包括測(cè)點(diǎn)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�？梢猿橄鬄榘岩幌盗型瑢傩缘狞c(diǎn)按照一定的規(guī)則連接起來，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片，進(jìn)而確定整個(gè)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(xué)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(diǎn)等簡(jiǎn)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(jiǎn)單物體時(shí)十分有效。但對(duì)于很不規(guī)則的地質(zhì)實(shí)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(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中則是一個(gè)二維數(shù)組。每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個(gè)元素，對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性值。(3)、等值線模型：等值線通常被存成一個(gè)有序的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)序列，可以認(rèn)為是一條帶有屬性值的簡(jiǎn)單多邊形或多邊形弧段。由于等值線模型只表達(dá)了區(qū)域的部分屬性值，往往需要一種插值方法來計(jì)算落在等值線外的其它點(diǎn)的屬性值，又因?yàn)檫@些點(diǎn)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(jìn)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(gè)點(diǎn)將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。如果任意點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，則該點(diǎn)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(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程)。所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式，一個(gè)簡(jiǎn)單的記錄方式是：對(duì)于每一個(gè)三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，三角形的記錄包括三個(gè)指向它三個(gè)邊的記錄的指針;邊的記錄有四個(gè)指針字段，包括兩個(gè)指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個(gè)頂點(diǎn)的記錄的指針；也可以直接對(duì)每個(gè)三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)坐標(biāo)值的字段，分別存儲(chǔ)X、Y、Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)于給定一個(gè)三角形，查詢其三個(gè)頂點(diǎn)屬性和相鄰三角形所用的時(shí)間是定長(zhǎng)的。它在沿直線計(jì)算地形剖面線時(shí)具有較高的效率。當(dāng)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(yùn)算的效率，例如在頂點(diǎn)的記錄里增加指向其關(guān)聯(lián)的邊的指針(這個(gè)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(xué)模型法
　　巖土工程地質(zhì)建模的數(shù)學(xué)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(gè)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(diǎn)的值。相對(duì)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(biāo)都可以看成是分布在空間某個(gè)曲面G上，這樣巖土工程勘察變量Z的觀測(cè)值及其觀測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)就構(gòu)成曲面上的己知點(diǎn)，記為。巖土工程地質(zhì)的數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)曲面G上的己知點(diǎn)來擬合出一個(gè)數(shù)學(xué)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(shí)際曲面，而是一個(gè)逼近G的數(shù)學(xué)曲面。同時(shí)，巖土工程地質(zhì)數(shù)據(jù)具有特殊性，在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值時(shí)，不能簡(jiǎn)單的套用現(xiàn)成的自動(dòng)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(xué)原理。不同的插值方法有各自的優(yōu)勢(shì)，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(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)地質(zhì)模型。一般地，巖土工程地質(zhì)數(shù)學(xué)模型方法有距離平方反比法、點(diǎn)勢(shì)位影響場(chǎng)法、樣條函數(shù)法、Kriging法、趨勢(shì)面分析法等等。
　　(1)距離平方反比法。其思想是根據(jù)樣點(diǎn)到插值點(diǎn)的距離確定權(quán)重的線性插值方法。
　　(2)點(diǎn)位勢(shì)影響場(chǎng)法。它是根據(jù)位勢(shì)場(chǎng)影響理論，把空間任意點(diǎn)上的巖土工程勘察變量值看作是所有離散測(cè)點(diǎn)變量值在該點(diǎn)引起的垂向位勢(shì)的疊加。它要求測(cè)點(diǎn)均勻分布，且在較多觀測(cè)資料時(shí)，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(gè)樣條函數(shù)進(jìn)行空間插值的方法。該方法使用分段低次多項(xiàng)式函數(shù)逼近曲面，一般在計(jì)算區(qū)域用不高于3次的多項(xiàng)式擬合，同時(shí)保證樣點(diǎn)上插值函數(shù)直至二階導(dǎo)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(shí)，具有較好的效果，但在大擾度情況下，時(shí)常出現(xiàn)多余拐點(diǎn)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(jìn)行局部的調(diào)整和修改。
　　參考文獻(xiàn)：
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　　[2]丁伯陽.巖土工程數(shù)字化原理與技術(shù)[M].北京：:科學(xué)出版社.2007.

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