（岩土工程专业论文）三维地层信息系统及其力学分析功能研究.pdf

摘要 本论文旨在将三维地层信息系统和有限元分析方法有机地结合起来， 建立一套既具有信息技术特点又能满足岩土工程需要的三维地层信息系 统。重点研究了以下儿个方面的问题: 1 、探讨了三维地理信息系统的有关基本问题，分析了三维地理信息 系统的数据模型和数据结构，指出了三维地理信息系统所面临的有利条 件和困难。 2 、根据对地下工程中有限元网格划分的基本原则和要求的研究，阐 明了三维地层信息系统中可视化网格不能直接用于有限元分析的原因。 研究了通过关键点类得到控制地层形状的关键点，再采用 自底向上的方 法建立有限元模型重新进行网格划分。 3 、提出了一种适于三维可视化和有限元分析的 l - w拓扑模型。由于 三维地层信息系统中地层模型是由地层上下面插值形成的格网对应连接 而成的六面体构成 ，所 以该模型通过对网格图的拓扑分析，能 自动得到 控制地层形状的关键点。 4 、研究了三维地层信息系统与有限元分析集成的方法。通过比较分 析，本论文采用了动态链接方法。 5 、对 3 2 位f o r t r a n 与v i s u a l c + 十 的混合编程进行了较为系统的探索 和研究.指出关键问题是如何使两种语言在标识符命名约定、参数传递 方式和参数数据类型上保持一致，并对此给出了具体的实施方法。 6 、 采用 c + + / o p e n g l( 前处理) 4f o r t r a n ( 计算) - c + + / o p e n g l( 后 处理)的混合语言编程方法编制了集成环境下有限元弹塑性分析及其前 后处理程序，实现了交互式鼠标拾取直线、画应力位移等值线、位移应 力矢量图、应力云图等。 7 、通过溪落渡水电站的实际应用，证明了三维地层信息系统与有限 元分析方法集成的有效性和实用性。 关键词: 三维地层信息系统 有限元方法 拓扑分析 集成 动态链接库 混合语 言编程 s t u d i e s o n t h r e e di me n s i o n a l s t r a t a i n f o r ma t i o n s y s t e m a n d i t s f u n c t i o n o f me c h a n i c a l a n a l y s i s wa n g c h u n x i a n g ( g e o t e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r b a i s h i w e i a b s t r a c t : t h i s t h e s i s a i m s t o s e t u p t h r e e d i m e n s i o n a l s t r a t a i n f o r m a t i o n s y s t e m ( 3 d s i s ) b y c o m b i n i n g 3 d s i s w i t h f i n i t e e l e m e n t me t h o d e f f e c t i v e l y , a n d t h i s s y s t e m h a s t h e s p e c i a l t i e s o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o 口 a n d s a t i s f i e s t h e r e q u i r e m e n t o f g e o t e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g . s e v e r a l a s p e c t s a r e s t u d i e d , i n c l u d i n g : 1 t h i s p a p e r d i s c u s s e s 3 d g i s s s o m e b a s i c p r o b l e m s , a n d a n a l y s e s 3 d g i s s d a t a m o d e l s a n d d a t a s t r u c t u r e s a n d p o i n t s o u t t h a t c u r r e n t l y 3 d gi s s d e v e l o p m e n t i s r e s t r i c t e d b y i n e f f i c i e n t 3 d d a t a m o d e l a n d d a t a s t r u c t u r e , d i f f i c u l t i e s o f 3 d d a t a a c q u i s i t i o n , l a r g e a m o u n t 3 d d a t a p r o c e s s i o n a n d s t o r a g e , a n d 3 d s p a t i a l a n a l y s i s . 2 a c c o r d i n g t o t h e b a s i c p r i n c i p l e o f fi n i t e e l e m e n t m e t h o d m e s h g e n e r a t i o n , t h e r e a s o n i s g i v e n t h a t t h e v i s u a l i z a t i o n g r i d i n 3 d s i s c a n t b e u s e d i n f e m. t h e k e y p o i n t s t h a t c o n t r o l t h e s h a p e a r e g o t b y t h e k e y p o i n t c l a s s , t h e n u s i n g t h e m e t h o d o f t h e b o t t o m u p t o b u i l d s o l i d m o d e l , n e w g r i d s a r e g e n e r a t e d . 3 l o c a l - wh o l e ( l - w) m o d e l w h i c h i s s u i t e d t o 3 d v i s u a l i z a t i o n a n d f e m i s p u t f o r w a r d . a s t h e s t r a t a m o d e l s a r e f o r m e d b y h e x a h e d r o n s t h a t a r e l i n k e d b y c o r r e s p o n d i n g g r i d s o f t h e t o p a n d b o t t o m s t r a t a s u r f a c e s , t h e k e y p o i n t s t h a t c o n t r o l t h e s t r a t a s h a p e a r e g o t b y t o p o l o g i c a l a n a l y s i s o f t h e g r i d c h a r t . 4 t h e i n t e g r a t i o n m e t h o d s o f 3 d s i s a n d f e m a r e s t u d i e d . b y a n a l y z i n g , d y n a m i c - l i n k l i b r a r y ( d l l ) a r e a d o p t e d . 5 t h e m e c h a n i s m o f 3 2 - b i t f o r t r a n a n d v i s u a l c + + m i x e d - l a n g u a g e p r o g r a m m i n g i s s t u d i e d . t h e k e y i s s u e i s t h a t n a m i n g c o n v e n t i o n s , a r g u m e n t p r o c e s s i n g , a n d d a t a t y p e s m u s t b e t h o u g h t f u l l y a n d c o n s i s t e n t l y r e c o n c i l e d b e t w e e n t h e t w o l a n g u a g e s , a n d a s e r i e s o f e f f e c t i v e m e a s u r e s h o w t o c a r r y o u t t h e m i x e d - l a n g u a g e p r o g r a m m i n g a r e s t u d i e d . 6 u s i n g c + + i o p e n g l ( p r e p r o c e s s i n g ) 令f o r t r a n ( c o m p u t e ) 今c + + / o p e n g l ( p o s t - p r o c e s s i n g ) , a 2 d e l a s t o - p l a s t i c f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s p r o g r a m a n d i t s p r e p r o c e s s i n g a n d p o s t - p r o c e s s i n g p r o g r a m h a v e b e e n d e v e l o p e d a n d i m p l e m e n t e d u s i n g m o u s e t o p i c k u p b o u n d a r y - l i n e i n t e r a c t i v e l y , d r a w i n g c o n t o u r a n d v e c t o r c h a r t o f s t r e s s a n d d i s p l a c e m e n t , a n d c l o u d o f s t r e s s a r e i m p l e m e n t e d . 7 t h e a p p l i c a t i o n i n x i l u o d u h y d r o p o w e r p r o v e s t h e i n t e g r a t i o n o f 3 d s i s a n d f e m t o b e e f f e c t i v e a n d r e a s o n a b l e . k e y w o r d s : t h r e e d i m e n s i o n a l s t r a t a i n f o r m a t i o n s y s t e m , f i n i t e e l e m e n t m e t h o d , t o p o l o g i c a l a n a l y s i s , i n t e g r a t i o n , d y n a m i c - l i n k l i b r a r y , m i x e d - l a n g u a g e p r o g r a m m i n g 第一章绪论 第一章 绪论 i . 1引言 当今社会的发展，信息技术和空间应用己成为其重要特征之一。自 从美国前副总统戈尔于 1 9 9 8 年 i 月提出“ 数字地球” 6 2 ) 的概念以 来， 世界各国一直对此高度重视。所谓数字地球，可以理解为对真实地球及 相关现象统一的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化的手段来处 理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并 使普通百姓能够通过一定的方式方便地获得他们所想了解的有关地球的 信息。数字地球包括地球大部分要素的数字化，网络化，智能化，可视 化全过程。通俗的讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个 地球环境的时空装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地 为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。而 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m s , g i s ) 正是迎合这一时 代特征的产物。随着我国国民经济和计算机技术的发展，g i s的应用也 正迅速地朝着社会化g i s 方向发展， 其应用正逐步扩展到我们社会生产、 生活的各个领域，如政府管理、国土资源、城市规划、市政建设、测绘/ 制图、土地/ 房产、电力/ 电信、水利、交通、环境保护、石油、地质、 地震、农业、 林业、公安、消防、 气象、 航空/ 航天、 军事、 税务、 统计、 金融保险、防灾减灾等 1 ,3 ,4 ,6 4 ,6 7 ,7 1 ,1 2 ) ，展示了极强的应用前景。江泽民 同志在十六大报告中5次提到“ 信息化” 三字，其中明确指出: “ 信息化 是我国加快实现工业化和现代化的必然选择” 。 可见， 信息化时代的到来， 正以不可阻挡之势改变着传统的技术、传统的生活方式，甚至传统的思 想观念。迎接信息化带来的机遇和挑战，是每个研究领域必须面对的重 大课题，岩土工程也不例外。 岩土工程是把岩体和土体作为建设环境、建筑材料和建筑物组成部 分! 2 j 使人类在地壳表面和地壳浅层进行的工程活动，如基坑工程、地 基处理工程、地下工程 ( 隧道、洞室) 、边坡工程、水利水电工程、地震 地质工程等。各种类型的岩土工程或修筑在岩土介质之上，或修筑在岩 上介质乙中出于对工程安全和经济效益的考虑人们必须研究人工构 筑物同岩土介质的相互作用，而岩土介质的稳定性是岩土工程成败的关 三维地层信息系统及其力学分析功能研究 键。近几十年来，人类进行了不计其数的岩土工程，循着勘测今设计令 施工令运行的规律进行运作。在这个过程中，以数据图表、文字、图纸 的形式积累了 大量的资料， 但是这些资料缺乏有效的管理和充分的利用。 举例来说，城镇建设的蓬勃发展，每一处建筑都要钻探，都要打桩，成 千上万的钻孔早已把城区主要地区的地层结构调查清楚了。但遇到新的 工程，还得再从头勘探，原因是分散的局部的资料未能进行收集、归纳 分析，不能资源共享;其次，这种资料表达方式也不能保存，不便查询、 检索。岩土工程的全过程，是一个不断获取数据分析数据和处理数据的 过程，是一个包含时空效应的四维问题，传统的资料表述形式不便及时 进行补充、修改和更新，人工档案管理对于越来越多的资料将显得无能 为力，且无法体现出工程资料的价值。因此，这些工程数据和资料，作 为岩土工程的一种资源，迫切需要开发、利用。以高新信息管理技术、 数据库管理技术和可视化技术建立的岩土工程信息管理系统，可以对庞 大的岩土工程资料进行管理，提高数据再利用、再分析和可视化程度， 极大地提高工程效率，进一步利用人工智能专家系统，建立知识推理模 型，实现工程的智能化决策，从而充分体现工程信息的价值。随着科学 技术的发展，信息化施工技术也应用到岩土工程施工的全过程，以便及 时发现 问题和险情。 由此可见，在岩土工程短短几十年中的发展中，信息管理、信息利 用的理念以及信息技术的应用己经深入到岩土工程的方方面面。地理信 息系统的发展和新兴学科的交织渗透为岩土工程的信息化奠定了坚实的 基础，同时岩土工程的信息化也成为数字地球体系的重要组成部分。 1 . 2国内外的研究现状与文献综述 1 . 2 . 1地理信息系统的发展概况与动态 地理信息系统 ( g i s )是计算机科学、地理学、测量学、地质学、地 图学等多门学科综合的技术 8 ,9 ,6 7 ， 是一个采集、 存储、分析和显示地学 信息的计算机系统，是一种决策支持系统。二维 g i s 始于二十世纪六十 年代的机助制图，经过近 4 0年的发展， g i s已发展成为一门较为成熟的 空间数据处理技术和方法， 己深入应用到社会的各行各业中。 成熟的g i s 功能包括如下几部分: 第一章绪论 数据获取 在 g i s中，客观世界中的实体被表达为表示位置的空间数据和表达 实体特征的属性数据;数据获取过程即是客观实体数据化的过程，从数 据结构上，g i s能接受矢量或栅格数据;从表达形式上，g i s数据可以 是二维平面数据，也可以是三维，甚至是多维数据。 数据管理 g i s技术成熟标志之一是其数据管理能力，数据显示、查询、更新、 维护为数据正常使用与实时更新提供了保证。 空间分析功能 g i s与一般信息系统的区别就在于 g i s的空间分析功能，其内容包 括:拓扑关系，数据提取、缓冲、叠加等，这些功能可 以客观地模拟现 实世界中地质现象与周围环境的关联关系。 输出功能 输出是对数据处理及空间分析结果的表达，常以图形、图表等可视 化形式表征。 现在市场上流行的 g i s软件很多，有 e r s i公司的 a r c / i n f o . a r c / v i e w , a r e g i s , i n t e g r a p h公司的 m g e , g e o m e d i a , g e o m e d i a w e b m a p , m a p i n f o公司的 m a p i n f o ，国内有中国地质大学的 m a p g i s ，武汉大学的 g e o s t a r ， 北京大学的c i t y s t a r等。 但二维 g i s存在着自身难以克服的缺限，它本质上是基于抽象符号 的系统，不能给人以自然界的本原感受。二维 g i s只能处理平面 x , y 轴上的信息，不能处理铅垂方向 z轴上的信息。它在表达上通常是将 : 值投影到二维平面上进行处理， 因此对于同一( x , y ) 位置的多个 z 值不能 表达1 3 1 随着应用的深入，第三维的高程信息显得越来越重要。一些二 维 g i s和图象处理系统虽已能处理高程信息， 但它们并未将高程变量作 为独立的变量来处理， 而只是将其作为附属的属性变量对待， 虽然能够表 达出表面起伏的地形，但不具有地形下面的信息，因此它们在国际国内 被称为 2 . 5 维的系统或称面三维。实际上，面三维的g i s本质上仍然是 二维g i s 系统。 地形面三维的表达将z 值投影到一个模型上， 显示时x , y 、 z 三个轴均被显示，其模仿人类从某点观察的视觉，使三维对象看起 来像真正的三维对象一样。但是面三维技术有两个明显的缺点，即它表 达的对象内部是空的，不具备应有的信息。虽然它能表现邻近的多个表 面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。只有将这类 三维地层信息系统及其力学分析功能研究 现象置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三维问题， 如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。这是三维空间表 达与二维g i s 、地形面三维表达的本质区别之一。 世界的本原是处在三维空间中的:三维空间表达考虑多个 z值的出 现，将多个( x , y , z ) 观测点结构化为实体域。随着 g i s应用的深入， 人们 越来越多地要求从真三维空间来处理问题，应用要求较为强烈的部门是 石油、采矿、地质、岩土工程、海洋、气象等领域。三维g i s 加上时间 维方面的处理即为四维g 工 s o 当前g i s 发展中的热点有 5 - 7 ,2 5 - 2 7 ,6 5 , 7 2 1 , ( 1 ) 组件( c o m p o n e n t s ) g i s 的研究 c o m p o n e n t s g i s 是一种新的g i s 开发思想， 它是将g i s 功能分散制作 成 a c t i v e x c o n t r o l和 a u t o m a t i o n ， 这些标准的 a c t i v e x c o n t r o l和 a u t o m a t i o 。可以被任何支持它们的开发环境所调用， 以便在原有的或新 开发的信息系统中加入 g i s功能。目前国际上比较流行的 c o m p o n e n t s g i s 软件有e s r i 的m a p o b j e c t s , m a p i n f o 公司的m a p x 等。 ( 2 ) i n t e r n e t 或 i n t r a n e t g i s 的研究 信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户间信息交换与信息 查询。由于g i s能提供丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能，因 此g i s 正在成为i n t e r n e t ( 国际互联网) 或 i n t r a n e t ( 企业局域网) 的一个 主要内容。建立 工 n t e r n e t g i s的主要目的在于以下几个方面:1 )远距 离空间数据共享与信息查询和交换;2 ) 为公众提供g i s 服务;3 ) 建立大 规模甚至超大规模的空间网络信息系统;4 ) 为其它学科的研究提供基础 信息资料。目前用于 i n t e r n e t g i s系统开发的工具主要有 e s r i的 m a p o b j e c t s i m s ( i n t e r n e t m a p s e v e r ) 和 a r c v i e w i m s , m a p i n f o公司的 m a p x t r e m e 以及网络版的a u t o d e s k 等. i n t e r n e t g i s 主要由空ib j 数据 库、i n t e r n e t 应用程序及用户界面几个部分组成。 ( 3 )真三维和时空四维g i s的研究 三维 g i s一直处于理论研究阶段，虽然有具有部分功能的三维 g i s 系统问世，但其功能远远不能满足人们分析问题的需要，原因主要是三 维g i s 理论不成熟，其数据结构和拓扑关系一直没有解决。另外三维基 础上要表达的实物极其复杂，数据量十分大，很难建立一个有效的、易 于编程实现的三维模型。 ( 4 )开放型( o p e n ) g i 5 的研究 第一章绪论 目 前一种多用户、跨平台的 o p e n g i s技术正在被国外的许多研究机 构、政府部门和高等院校所研究和开发利用。开放型g i s的研究和应用 使得各政府部门及企业之间不同格式的数据能够方便地互访，有利于网 络g i s及分布式 g i s空间数据库的建立， 使g i s的应用领域及其功能大 大拓宽。 ( 5 ) g i s与其它系统或软件集成的研究 随着 g i s应用的深入以及向产业化发展，越来越多的 g i s研究人员 意识到g i s分析能力的缺乏已经成为 g i s 进一步发展的障碍，集成作为 多种技术融合的手段毫无疑问将为g i s 的深入应用提供有效的帮助【 5 4 1 g i s , g p s及 r s的 3 s集成，g i s与专家系统、神经网络的集成，g i s在 某些专业领域 ( 如岩土工程、边坡工程)与数值分析方法 ( 如 f e m 、极 限平衡方法)的集成等都是进一步研究的内容。 1 .2 . 2 g i s在岩土工程中的应用概况 近年来，很多研究学者将 g i s技术应用于岩土工程中，并取得了良 好的效果。主要表现在 以下几个方面: ( 1 )商业化 g i s软件方面的应用:国内外一些成熟的软件，如 a r c i n f o , a r c v i e w , m a p i n f o , m a p g i s等，已 广泛应用在滑坡、地质灾 害、水资源利用等方面。 ( 2 )数据库信息管理方面:g i s最初的应用主要表现在数据库管理 方面。例如日本大阪地区历时 1 0余年建立了大阪湾地层数据库信息系 统， 钻孔数达到 3 0 0 0 0个。台北市 8 0 年代起开始建立 “ 大地工程资料库 ( g e d b s ) 1 1 . 1 4 1 ，由 地图资料库子系统、 数据资料库子系统和地层剖面 图 子 系 统三部 分组成， 可 提供 许多 有关 岩土 工程的图 件， 如建 筑或 载力 等高线图、 大地工程分区图、 敏感地质图等。 武汉市勘测设计研究院 1 9 9 7 年建成的“ 武汉市工程勘察信息系统” 包括五个功能模块， 即资料管理、 资料检索、统计分析、图表输出和信息处理等功能。这些系统能够对勘 察数据进行编辑、存储、检索和查询，也能提供一些剖面图、等值线图 等，但是它们都是常规的二维应用系统，不能对数据体进行整体分析， 这无疑制约了 g i s在岩土工程中的应用。 ( 3 )可视化方面:岩土勘察和量测获得的岩土信息是一些离散的数 据，面对这些岩土信息，岩土工程师必然提出这样的问题:如何运用这 些资料来推断其在研究区内的发育分布规律。即使能够预测岩土信息在 区域的分布情况，面对大量的输出数据，岩土工程师仍然可能会觉得难 三维地层信息系统及j 力学分析功能+ a 1 究 于想象和分析。图形图像是最直观的数据解释，而且岩土工程师习惯于 用图件来反映岩土信息，自然会希望利用计算机来显示结构面等在岩土 体中的分布状况。因此，空间地质模型及可视化系统的研究和应用是工 程地质和岩土工程勘察评价领域计算机应用的必然趋势。三维地质可视 化模型研究是当前三维 g i s 、岩士工程、数学地质、石油地质、化探、 石油物探、水文地质与工程地质等研究的前沿和热点【 1 5 - 2 3 1 ，也是快速、 及时地再现地质岩土体三维信息及综合分析的有效途径。国外己经出现 了一些应用于岩土工程中的三维可视化系统。比较典型的有以下三种: 由美国 x o x公司开发的 s h a p e s ,采用格状模型 ( c e l l u l a r )的几何形 体表示模型，较为成功地解决了n维曲面相交计算及与此相关的问题; 由 加拿大l y n x g e o s y s t e m s公司开发的l y n x ， 采用一种棱柱的体元表 示法建模，可以对钻孔、测井记录、t i n模型等进行综合管理:法国研 制的 g o c a d软件8 3 1 ，基于表面内插技术 d s i ( d i s c r e t e s m o o t h i n t e r p o l a t i o n ) .可考虑不确定数据，对地质褶皱现象便于处理:由美国 d y n a m i c g r a p h i c 公司研制的i v m ( i n t e r a c t i v e v o l u m e m o d e l i n g ) ， 在模型 上使用规则三维栅格空间模型， 每个栅格结点都带有可计算的特性信息， 其主要优点是具有对连续三维空间中的各种现象进行建模、现实、分析 的能力。但该系统对属性不连续变化的对象，如矿石类型的表示和处理 有一定的困难。 迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟的完整的能集数据库管理、 查询、可视化显示、较为完善的分析功能、评价和辅助决策为一体的三 维 g i s系统。 1 . 2 . 3三维地层信息系统的研究 以地理信息系统的发展和广泛应用为背景，紧密结合岩土工程的特 点，我们提出了三维地层信息系统 ( t h r e e d i m e n s i o n a l s t r a t a i n f o r m a t i o n s y s t e m , 3 d s i s )的概念。3 d s i s 是进行工程勘察和量测数 据资料的数据库管理、真三维地质建模、地层信息处理、有限元分析的 软件系统. 它以工程勘探和设计施工资料、 工程地质、 岩土力学为基础， 结合计算机技术、信息技术、有限元分析技术等的最新成果，研究开发 具有自主版权的信息系统，最终形成具有鲜明特色的面向岩土工程的应 用 软 件 产 品 19 -2 3 1 三维地层信息系统的基本框架结构为: 第一章绪论 l 二 程地质信息程基础结构信息 原始数据 地 f - 管网信息地下洞室信息 地 层 智 能划 分 专 家 系统 数据库子系统 力学 参数 优 化 图形显示子系统分析子系统 有限元分 析子系统 专家系统 决策 智预估 任意 地层 旋转 移动 缩小 放大 基于i n t e r n e t 视 频会议的咨询 专家 系统 切割 分层 剖面 显示 图1 . 1三维地层信息系统基本框架 三维地层信息系统研究的主要内容及关键技术: i三维数据结构的研究 三维数据结构的研究一直是 3 d g i s研究的热点和难点，是 3 d g 工 s进 一步发展的基础，直接影响到其分析功能。三维现象随着研究领域的不 同，描述空间实体的方法存在较大的差异，不可能设计一种数据类型来 适合所有的应用领域，应根据研究领域的空间分布特性，设计出相应的 三维空间数据结构。岩土工程处理的对象是经历了漫长的地质历史年代 而生成的复杂的地质体，需要研究有效的适用的三维数据结构，既能充 分反映地层的特点又便于数据的管理和操作，这是实现系统高效显示和 分析的基础。 2三维地质模型的建立和显示技术 三维地层信息系统及其力学分析功能研究 随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模技术越来越受到地学界 的重视，并成为地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模 ( 3 d g e o s c i e n c e m o d e l i n g ) ， 就是运用计算机技术， 在三维环境下， 将空o il 信 息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图 形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术p l 。这一概念最早是 由加拿大s i m o n w . h o u l d i n g 于 1 9 9 3 年提出的。这方面的研究在国外开 展得较早，到目前，已经形成了相当的规模，各类软件层出不穷，像 ma p t e k 公司的v u l c a n , g e m c o m s o f t w a r e i n t e r n a t i o n a l 公司的g e m c o m , k i r k h a m g e o s y s t e m s 公司的m i c r o l y n x 等等，而国内在这方面的研究进 行得较晚，很多工作才刚刚起步，u -t it 待发展。 对三维地层对象进行建模和可视化表达比二维问题复杂的多。它涉 及到原始数据的存储结构问题。地层层面插值算法的有效性与准确性问 题 。 三维地层信息系统中三维地层模型是建立在以岩性为要素的单一体 划分的基础之上的。采集到的数据样本主要是各岩层、土层的分界点， 这些采样点具有有限、离散、稀疏、不规则等特点，借鉴已有二维空间 数学建模的理论和实践经验，三维地层信息系统中采用的是多层 d e m 建模。 3三维空间中的分析技术以及系统与外部分析软件的集成技术 随着 g i s应用的深入以及产业化的发展， g i s以其先进的空间数据管 理和空间分析在各个领域都得到了长足的进步。然而，g i s系统本身提 供的分析功能远远不能满足工程模型的需求， 因为工程模型往往涉及状 态、过程和关系， 需要建立复杂的力学或数学模型， 而基于空间位置的 g i s系统仅考虑了实体的空间位置和属性。正如中国测绘学会地图学与 g i s 专业委员会( 1 9 9 7 ) 所指出的， 当前g i s 进一步发展面临的主要问题之 一是: “ 以数据的采集、 储存、管理和查询功能为主的g i s不能满足社会 和区域可持续发展在空间分析、 预测预报、 决策支持等方面的要求， 直接 影响到 g i s的应用效益和生命力”【 “ 。而另一方面， 工程应用模型通常 都是相对独立于 g i s在各自 领域内发展， 例如有限元工程计算模型等专 业工程模型， 其规模和程度有时和 g i s 一样复杂和繁杂， 目前 g i s 还不能 有效地处理空间和时间数据结构的可变性， 这就需要进行 g i s与工程模 型的祸合来解决实际的工程问题。一方面可以发挥 g i s在空间数据操作 方面的优势， 另一方面改变 g i s应用系统中相关工程模型开发工作效率 第一章绪论 低的局面， 弥补 g i s 在各专业计算模型方面的不足。 有效的分析手段是三维地层信息系统进一步发展与深入应用的保 证，也是进行评价决策的依据与基础。目前岩土工程中的数值分析方法 发展较为成熟，但由于它们与三维g i s 在数据结构上有很大差别，从而 难以为g i s直接使用，或根本无法使用。这在很大程度上限制了g i s的 应用范围。 将其与 g i s的集成增加 g i s分析能力，毫无疑问将为 g i s的深入应 用提供有效的帮助。集成技术目前主要有三种结构:对称结构，嵌入结 构，动态连接结构。其中动态连接结构较好地体现了w i n d o w s的优点， 而且开发速度较快，是发展趋势之一。 1 . 3三维地层信息系统及其力学分析功能研究的目的和意义 1 . 3 . 1岩土工程信息化和可视化发展的需要 建立三维地层信息系统是城市建设发展和国家重大基础设施建设发 展的客观要求。与岩土工程活动十分密切的环境地层是一个非常复杂的 地质体，其物理、化学和力学性质在空间上具有随机性。岩土类介质具 有高度的不连续性、非均质性、各向异性和蠕变时效特性等，地层荷载 受地壳运动和周围环境的作用也呈明显的不确定性。地层环境的复杂性 和不可见性给岩土工程设计与施工带来了巨大的困难。随着经济的快速 发展，城市建设日新月异，每年新增的建筑物数以千计，这些建筑物无 疑不涉及到地层浅部信息的获取，同时也在改变着这些信息。然而，由 于目前还没有一个能集查询、分析、评价和辅助决策为一体的地层信息 管理系统，在城区建设中出现的一些问题日渐突出.客观上对建立一个 能准确、直观反映城区地层情况，便于分析决策的信息系统提出了迫切 要求。同样，随着国民经济建设和国家重要基础设施建设的蓬勃发展， 各种工矿区建设的可行性研究、远景规划和生产发展也迫切需要在这些 地域建立相应的地层信息系统。 三维地层信息系统的建立，是岩土工程中需求迫切、富有挑战性的 一项工作，它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，把零星、局部、基本的解释结果在三维空间中综合起来， 并对开挖、施工过程进行模拟和分析，可以有效地减少工程开发的决策 三维地层信息系统及其力学分析功能研究 风险。 1 . 3 . 2岩土工程信息共享的需要 当前我国提出了用 “ 信息化带动产业化 ，用信息化改造传统产业” 口号，而岩土工程就属于 “ 传统产业”之列，必须通过信息化来带动其 发展。通过多年的生产建设，在石油、矿山、水利水电和城市建设等工 程范围内地质调查过程中积累了大量的实测资料和地层信息资源，然而 由于长期缺乏对这些资料的统一管理和分析，导致大量工程进行重复勘 察，造成资金浪费，因此如何有效地利用业已获取的地层数据，尤其是 在城市建设中，建立区域地层信息系统，实现资源共享，是迫切需要解 决的任务。通过把己有的工程建立数据库，可以使今后不再做重复的工 作，然后对已有的数据进行再开发，可以使今后的工程更加省工省钱， 更加安全。实现地层信息共享，全面进行信息数据管理、分析、评价、 支持科学决策，是城市建设和国家重要基础设施建设迈入现代化行列的 主要标志之一，具有深远的科学意义。 1 . 4论文研究的思路和主要内容 地理信息系统的广泛应用，为解决岩土工程的许多问题提供了新的 思路和方法。 目前 g i s 在岩土工程中应用主要是解决以下几个问题: i地 层勘探资料、 数据库的管理( 包括数据的编辑、 存储、 检索、 查询) ; 2根 据建立的数据库绘制一些图表， 如剖面图、等值线等。3三维可视化。 4 三维可视化技术与数值分析方法的有效结合。岩土工程的关键问题是岩 土工程的稳定性分析，这是影响设计和施工的首要问题.因此，如何将 新型的地理信息系统技术和发展较为成熟的数值分析方法有机结合，使 两者互相促进，相互补充，更好地发挥各自的优势，更好地服务于岩土 工程，是一个值得探讨的问题，这也正是本论文进行研究的基本出发点 和着眼点。有限元方法是本论文重点考虑的计算方法。 论文的基本思路:鉴于用来实现三维地质体可视化功能的网格与有 限元分析的网格有很大的差别，难以相互使用或根本无法使用，本论文 对三维地理信息系统的数据结构和地下工程有限元分析网格划分的方 法、原则等要求进行了研究，阐明两者不能相互直接调用的原因。接着 研究三维可视化网格和有限元分析的网格的种类和分解简化方法，通过 第一章绪论 对网格图的拓扑分析，得出控制地层形状的关键点，再采用 自底 向上的 方法进行重新划分网格。采用动态链接的方法研究了三维地理信息系统 和有限元分析方法的有效集成， 采用 c + + / o p e n g l( 前处理)4 f o r t r a n ( 计算)令 c + + / o p e n g 以后处理) 的混合编程方法编制了有限元分析程 序，该程序具有 良好的前后处理功能，并给出了算例。最后给 出了溪落 渡水电站的应用实例。 研究的主要内容: 第一章 绪论。阐明了岩土工程信息化和可视化的必要性，介绍了地 理信息系统的发展热点和在岩土工程中的应用现状。介绍三维地层信息 系统研究主要内容、关键技术和研究意义，并给出了论文研究思路和主 要内容。 第二章 3 d g i s的基本问题研究。 给出了3 d g i s的定义和功能， 讨论 了3 d g i s与2 d g i s的本质区别， 分析了3 d g i s的数据模型和数据结构， 指出了3 d g i s 进一步发展所面临的有利因素和困难。 第三章 三维地层信息系统。主要介绍三维地层信息系统目前实现的 功能。 第四章 地下工程有限元网格划分的原则和方法。地下工程有限元网 格划分有一定的原则和要求，以此阐明了三维地层信息系统中可视化网 格不能直接用来作有限元分析的原因。介绍了网格划分的几种方法。 第五章 适于三维可视化和有限元分析的l - w拓扑模型。 研究了三维 可视化网格与有限元分析网格的种类、相互转化和简化形式，研究了网 格图的拓扑分析，利用整体节点的拓扑分析可以自动寻找控制地层形状 的关键点，提出了一种适于三维可视化和有限元分析的 l - w 拓扑模型. 第六章 3 d s i s与 f e m集成的研究。研究了g i s集成的方法，3 d s i s 与f e m集成采用动态链接的方法， 研究了动态链接库的建立以及v i s u a l c + + 与f o r t r a n的混合编程， 编制了集成环境下二维有限元弹塑性分析及 其后处理程序。 第七章 将本文的研究成果应用于溪落渡水电站的左岸，结果表明了 3 d s i s 与f e m集成的有效性与实用性。 第八章 结论与展望。给出了论文的几个主要结论，并指出了今后需 要进一步研究的几个问题。 三 维地层信息系统及j 力学分析功能研究 第二章 3 d g i s的基本问题研究 2 . 1 3 d g i s的定义和功能 2 . 1 . 1 3 d g i s的定义 从不同的角度出发， g i s 有3 种定义2 6 1 ( 1 ) 基于工具箱的定义g i s是一个从现实世界采集、存贮、转换、 显示空间数据的工具集合: ( 2 ) 数据库定义g i s是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据 能被索引和操作，以回答各种各样的问题; ( 3 ) 基于组织机构的定义g i s是一个功能集合，能够存贮、检索、 操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团 体和组织结构， 提供解决环境问题的各种决策支持。 基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义 强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构 和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。 t u r n e r 认为 “ g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ”主要用来区分纯 粹的二维g i s 与三维g i s 8 4 1 。为强调在三维任务如地质或地貌应用上的 扩展， 人们创造了术语“ g e o s c i e n t i f i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g s i s ) 8 6 1 . 这个词后来被修改为一 个缩写形式 “ g e o - i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) 8 5 1 , 为区分三维 g i s与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业 g i s ，这 里 倾向 于b r e u n i g 的 观点 ( 8 6 1 ， 用g i s 指 代“ g e o - i n f o r m a t i o n s y s t e m . 认为三维g i s 是布满整个三维空间的g i s ， 与传统的基于平面的二维g i s 或2 . 5 维 g i s明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间 分析的伸展方向上。三维g 工 s 加上时间维方面的处理即为四维g i s . 2 . 1 . 2 3 d g i s与2 d g i s 的本质区别 真正的3 d g i s 和2 d g i s 的本质区别在于数据分布的范围( 3 ) 个二维系统来说， 维平面的坐标， 含义也不相同。 t e r r a i n mo d e l , 可以用一个表达式， = f ( x ,y ) 来表示它。其中 是对应于此点的属性值。对于不同的 “ 层 ” ， 对于一 y是二 表示的