（环境工程专业论文）基坑开挖过程与降水漏斗三维可视化研究.pdf

摘要 本文基于可视化开发工具i d l ，以拦江大道地下通道基坑降水为研究背景， 建立了不同空间与时间尺度下的基坑地下水位的可视化模型，确定基坑地下水 位分布规律，针对基坑地下水位可视化处理，建立了空间插值、地下水位模型、 信息反馈的方法体系。通过基坑与水位体三维交互模型确定了基坑与地下水位 映射关系模型。 针对现场大量数据集，提出水位数据规整化模型以及基坑规整化模型，以 此为基础建立实测规则化模型与理论规则化模型。运用数值分析方法，通过建 立地下水位实测值与理论值相应监测点的误差模型，完成水位线数据加密与校 正，从而实现了反应施工断面地下水位线可视化模型。 以水位线模型为基础，运用克里格插值中的球面模型，完成水位数据三维 空间加密。通过三维像素映射与颜色插值模型，得出2 d 水位等势线面模型， 以及3 d 3 d y z 3 d x z 水位线面等模型。通过对比三维模型建模方法，选择线 框法与格网法构建了水位体模型、基坑开挖静态模型以及两者静态交互模型， 以提高模型解读精度与高度。 在水位体模型基础上，给出了基坑开挖模型建立原理以及模型构架。针对 基坑动态模型的初始态、过程态以及完成态模型，提出基坑开挖模拟系统的三 层结构( 界面层、动态模拟层与静态模型层) 。阐述了地下水位与基坑开挖交互 三维模型建立原理，以此为基础，提出了基于远程监控下的基坑开挖与地下水 交互系统构架。 关键字：水位线面体，基坑开挖，降水漏斗，可视化，i d l a bs t r a c t t h e p a p e r sd a t ai sf r o ml a n j i a n gr o a du n d e r g r o u n dp a s s a g ed e w m e r i n gp r o j e c t ， a n di t s r e s u l t si sa c h i e v e db yt h eu s eo ft h ev i s u a ld e v e l o p m e n tt 0 0 1 i d l t h er e s u l t s i n c l u d e sr e a l i z e i n gt h ew a t e rl e v e lv i s u a l i z a t i o no nt h ed i f f e r e n ts p a c ea n dt i m e s c a l e s ，a n dg e t t i n gt h et h ed i s t i l b u t i o np a t t e r n so ft h ef o u n d a t i o np i tg r o u n d w a t e r f o r t h ep u r p o s eo fv i s u a l i z i n gt h ef o u n d a t i o np i tg r o u n d w a t e r , t ob u i l dt h es p a t i a ls p a t i a l i n t e r p o l a t i o nm o d e l s ，g r o u n d w a t e rv i s u a l i z a t i o nm o d e l sa n dt h ei n f o r m a t i o nf e e d b a c k s y s t e m t h e n ，t h ef o u n d a t i o np i t g r o u n d w a t e r3 di n t e r a c t i v em o d e l sa r ed e s i g n e da n d r e a l i z e di no r d e rt oa c h i e v et h em a p p i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h ef o u n d a t i o np i ta n dt h e w a t e rl e v e l f i r s t l y , t oo v e r v i e wi d l - b a s e dv i s u a l i z a t i o nt h e o r ya n dm o d e l i n gp r o c e s s a n dt o b r i n gf o r w a r dt h eg r o u n d w a t e rg r i dm o d e la n dt h ed e e pf o u n d a t i o np i tg r i dm o d e l w h i c hi sb a s e di nt h ed a t as e t sc o l l e c t e da tt h es c e n e ：t oe s t a b l i s ht h eg r o u n d w a t e r c u r v ee r r o rm o d e lb yt h en u m e r i c a li n t e r p o l a t i o nm e 也o d s a n dt oc o m p l e t et h e i n t e r p o l a t i o na n dc o r r e c t i o no fd a t ap o i n t s ；t h ev i s u a l i z a t i o nm o d e lo fd r a w d o w n c u r v ei nd i f f e r e n tc r o s s s e c t i o ni sc o m p l e t e d n e x t , t oi n t e r p o l a t et h e3 dg r o u n d w a t e rd a t a s e tb yt h ek r i g i n g ss p h e r i c a l m o d e l ，t h a ti sb a s e do nt h eg r o u n d w a t e rc u r v e s t h e n , p i x e lm a p p i n ga n dc o l o r i n t e r p o l a t i o nm o d e l si si m p l e m e n t e di no r d e rt or e a l i z et h e2 dd r a w d o w ns u r f a c e m o d e l s 、3 d 3 d y z 3 d x zd r a w d o w nc u r v e s u r f a c em o d e l s b yt h ec o m p a r i n gt h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gm e t h o d si no r d e rt os e l e c tt h er i g h tm o d e l i n gm e t h o d , w i r e f r a m ea n dg r i dm e t h o d s ，t ob u i l d3 dg r o u n d w a t e rm o d e l ，f o u n d a t i o np i tm o d e l a sw e l la st h e i ri n t e r a c t i o nm o d e l f i n a l l y , t og i v et h ef o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nm o d e l i n gp r i n c i p l e sa sw e l la st h e m o d e l i n gf r a m e w o r k f o rt h ep o u p o s eo fb u i l d i n gt h ei n i t i a ls t a t em d e l ，p r o c e s ss t a t e m o d e l sa n dt h ea c c o m p l i s h e ds t a t em o d e lo ff o u n d a t i o np i td y n a m i cm o d e l s t o d e s i g nt h es i m u l a t i o ns y s t e mo ft h et h r e e t i e ra r c h i t e c t u r ef o rf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n ，t h a ti n c l u d e st h ei n t e r f a c el a v e r d y n a m i cs i m u l a t i o n1 a y e ra n ds t a t i c m o d e ll a y e r b yt h ed e s i g n i n gt h eb l u e p r i n to ft h et h ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e n 3 dg r o u n d w a t e ra n df o u n d a t i o np i tm o d e l s ，t h ef r a m e w o r ko fr e a l t i m ei n t e r a c t i o n u n d e rr e m o t em o n i t o r i n gh a sg i v e n tt oi m p r o v et h ev i e wf i e l do fm a n a g e r sa n dt h e i r m a n a g e m e n te f f i c i e n c y k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rc u r v e s u r f a c e 3 ds o l i d , p r e c i p i t a t i o nd r a w d o w n ，i d l ， f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 课题研究的目的与意义 在基坑施工过程中，边坡失稳，极易造成事故，两多数事故是由缝下水弓| 起。 在施工前，施工中与施工后期等不同阶段实现对地下水掌握，能够使施工人员 合理安排施工进度，减少发生基坑水患可能，从而降低施工危险系数及其处理 成本，提离了企业决策与分析正确率。实现对地下水位的信息化与数字化管理 是解决此问题关键，也就是如何实现施工区域内地下水位的数据采集，处理与 分析，以及结果表达与信息反馈。 地下水位信息化与数字化的关键过程为水位可视化表达。按照水位可视化 表达的时间性可分为：静态可视化表达、动态可视化表达；以水位分析关联性 为标准，可分为：非关联水位可视化表达、施工过程关联表达，后者分析焦点 与基坑开挖过程。将时间性与关联性联合分析，又可分为四类：静态关联分析、 静态非关联分析、动态关联分析与动态非关联分析。其研究面有( 1 ) 静态数据的 线性、面域或体态的模型设计、空间插值、模型评估与信息反馈；( 2 ) 动态数据 的线性、面域或体态的模型设计、表达与预测分析；( 3 ) 关联数据体的信息表达 模型设计、插值关联性方法、静态关联分析与信息反馈，与动态信息关联分析 与预测分析。因而地下水位可视化可成为一个具有实践与理论研究意义的课题。 可视化技术熊把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、 产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物 理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模授和计算。为了让入 们更加直观的了解静态地下水位与在基坑开挖过程中的动态水位可视化变化， 本课题选择第四代科学计算可视化语言i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ( i d l ) 对施工 区域内的地下水位进行数据处理、分析、结果表达与信息反馈，实现地下水 位在计算机上的荐现。 本课题地下水位数据采集于拦江大道( 三环路二环路) 道路工程。该工程 南起始于鹦鹉立交，道路沿线分别与四新南路、会展南路、会展北路、四新北 路相交，j 艺壹于现状汪鹦路，道路全长2 5 0 7 8 7 米。该工程分为两部分：地面层 和下穿层。下穿层南北侧引道长为2 4 6 米，2 4 4 米，其主通道长4 8 0 米，共计 9 7 0 米，为本课题地下水位益测主要范围。监测施工区域的地面标高在2 1 5 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 9 0 m 之间，其地质分三层：表层填土( 0 4 - - 3 1 m ) ，第四系全新统冲湖积( 0 5 - - 8 3 m ) ，第四系全新统冲积( 0 8 , - - , 1 4 o m ) 。监测重点的主通道的开挖基坑呈长条 形，南北向长4 8 0 m ，东西向宽2 9 1 m ，开挖深度在8 1 0 - - - , 1 0 3 0 m 之间，采用的 施工工艺为分层开挖和全段面开挖。由于该场区承压水位高出隔水底板1 7 o m 左右，为确保坑底稳定，降低坑底承压水头高度，采用了减压降水。 本课题通过建立不同空间与时间尺度下的基坑地下水位的可视化模型，确 定了基坑地下水位分布规律，并得出针对基坑地下水位可视化处理的空间插值、 地下水位建模与分析、信息反馈的方法体系。同时，为加强对整个施工过程中 的水位动态管理与回放，建立了基坑开挖过程模型，并将其与水位三维模型叠 加，运用像素映射方法，实现基坑开挖与地下水位映射关系模型。通过水位可 视化分析，能提高基坑水患预测与应急能力，同时实现基坑施工的地下水位信 息化与数字化管理与决策。该课题研究方法和理论成果对于相似的课题的研究 具有引导意义。 1 2 基坑开挖过程研究现状 随着社会经济的发展以及国家城镇化进程的加快，我国的基础建设与高层 建筑正如火如荼发展着。作为人类立根之本的土地更是世界稀缺的资源之一。 为充分利用有限的优势土地资源，现今基础建设与高层建筑向着地球中心发展， 促进当代基坑工程的更近一步发展。 1 2 1 基坑开挖与支护方法 随着人类土木工程活动的发展，基坑工程成为当代赋予新旋律的岩土工程 课题。基坑工程就是自地面向下开挖一个地下空间【2 】，主要内容涉及基坑围护结 构设计和土方开挖。其发展规律是分析方法随之新的围护形式产生而出现。 早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到 了限制，产生了围护开挖。基坑的围护一般为垂直的挡土结构，更一般是在开挖 面基底下有一定插入深度的板墙结构。根据基坑的不同，板墙可以是悬臂式的、 单撑( 锚) 式和多撑( 锚) 式的或者是它们的多种组合。若按板墙结构所使用的 材料，可以分为钢板桩、柱列式灌注桩、水泥砼搅拌桩、地下连续墙等。基坑 2 武汉理工大学硕士学位论文 围护结构具有以下特点【l j ： ( 1 ) 基坑围护结构是临时的，安全储备较小，具有较大风险性，在施工过程 中应进行监测，并鹿有应急措施。 ( 2 ) 基坑工程具有很强的区域性，不同地区的工程地质条件和水文地质条 件都不同，且差别较大，露面基境围护结构设计及施王与开挖方式都应因地制宣， 只可作为借鉴，不要生搬硬套。 ( 3 ) 基坑工程综合性很强，不仅需要岩土工程的知识，也需要结构工程的知 识，否则不能正确地进行设计与施工。 ( 4 ) 基坑围护结构设计时土压力的确定是最基本的，同时也是很难准确掌 握的，在开挖过程中它是一个变量，睫开挖深度、宽度、墙体横向和纵惑位移、 地下水情况而变，在设计中必须同时考虑这些因素，只有同时考虑强度、稳定、 变形、土与墙体戆共同律用及开挖过程的设计方法才是沈较科学的。 由于放坡开挖需要较大的工作面且开挖土方量较大，但可以节约基坑围护 成本，对于基坑起到较好维护作用。支撑式要求支撑段的土体满足一定的抗剪 强度，虽获得基坑较大作业空间，但支撑构件影响基坑作用效率。常见支撑式 板墙结构见下p 】： ( 羔) 水泥土深层搅拌桩支护：其优点是采用重力式挡墙，不需要支撑，基堍 内挖土施工方便，搅拌桩施工时无环境污染，造价低廉且防渗性好，适用于开挖 深度3 钿的基坑。 ( 2 ) 钢板桩：用槽钢正反扣搭接组成，或用u 型和z 型截面的锁口钢板桩。 用打入法打入土中，完成支护任务后，可以回收重复利用，适用于开挖深度3 l o m 的情况。 ( 3 ) 钢筋混凝土板桩：桩长6 1 2 m ，打入地下后，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁 后，设置一道支撑或拉锚，用予开挖深度3 - 6 m 的基坑。 ( 4 ) 钻孑l 灌注桩挡墙：直径a 6 0 0 a 1 0 0 0 m m ，桩长1 5 - 3 0 m ，组成排桩式挡 墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁，用于开挖深度6 - - 1 3 m 的基坑。 ( 5 ) 地下连续墙：这种支护结构施工时对周围环境影响小，对土层条件适威 性强，墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性均较好，但其造价比较高，适用予开挖深 度达l o m 以上的基坑或施王条件较困难的情况。 ( 6 ) 锚喷支护：我国最早用于地铁工程，2 0 世纪8 0 年代初开始用于高层建筑 深基坑支护，在天然土层中，锚固方法以钻孔灌注为主，受拉杆件有粗钢筋、高强 武汉理工大学硕士学位论文 钢丝束和钢绞线等。 1 2 2 基坑开挖过程与变形监测 围护结构在基坑开挖过程起到重要的作用。其多样性也使得基坑在不同支 护方式下的基坑变形规律与特点也不同。当前对于基坑开挖过程中的变形监测 研究可以归结为两大类：一类是基于力学的基坑变形的研究，另一类为基坑变 形预测的研究。 基坑变形的力学分析方法研究主要集中在基坑开挖过程中支护结构的变 形、土压力与变形关系以及基坑开挖过程的数值模拟等方面，其主要理论与技 术有如下几个方面： ( 1 ) 弹性抗力法：基于地基反力法的弹性地基反力法1 4 。它始基于“w i n k l e r 假定的局部变形理论，并把土层当作弹性地基梁对待。同时，地基反力法的系 数使用“m ”法取值，土压力与水压力分算，且地面荷载按均布荷载考虑。它考虑 了支护结构与土的线性共同作用，并可有效地计入基坑开挖过程中多因素的影 响，同时，从支护结构的水平位移可以初步估计基坑开挖对周围环境的影响。 ( 2 ) 等值梁法：将主动土压力强度与被动上压力强度零点看作零弯矩点， 在净土压力为零点的地方将桩断开并看作2 个简支梁进行计算。其优点是计算 简单，在单支撑的基坑工程中依然有用。缺点是不能准确计算围护结构的位移， 属于强度控制设计方法【o j 。 ( 3 ) 静力平衡法：假定地基反力按直线分布，不考虑上部结构刚度的影响。 根据基础上所有的作用力按静定梁计算基础梁内力的简化计算方法。适用于地 基压缩性和基础荷载分布都比较均匀，基础高度大于柱距的1 6 ，且上部结构为 柔性结构时的柱下条形基础和联合基础，用此法计算比较接近实耐7 1 。但由于静 力平衡法不考虑基础与上部结构的相互作用，因而在荷载和直线分布的基底反 力作用下可能产生整体弯曲与其它方法比较，这样计算所得的基础梁不利截面 的弯矩绝对值一般还是偏大。 ( 4 ) 弹性线法：是假设墙前后土压力符合朗肯或库仑土压力理论，桩假设 为弹性体，桩底端的约束情况示桩端入土深度确定，是在悬臂或单撑( 锚) 情况 下常用的一种变形分析方法【8 】。但该方法是一种图解法，工程应用较为繁琐，且 影响计算精度。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 基床系数法：利用文克尔的假定，将横向力作用下的桩视为支承在弹 性地基上的梁进行分析，忽略土体的连续性，假定桩身在任何深度处的单位面 积上的抗力p 仅与桩在该点处的挠度y 有关。其特点是将土视为不同刚度 的弹簧，用比较简单的方法考虑土抗力与桩挠度间关系随深度的变化【9 】。在计算 中直接给定各层的抗力尹与位移譬的经验关系，但基前难以实际确定具体王 程条件下的p 叫曲线。 ( 6 ) 弹性地基杆系有限单元法：根据萁结构受力特性，将挡结构的各个 组成部分理想化为杆系单元，并沿竖向将挡土结构划分成有限个单元，且各节 点应满足变形协调条件。根据静力平衡条件，作用在结构节点的外荷载必须与 单元内荷载相平衡，单元内荷载良未知节点位移和单元劲度矩阵求褥。其忽略 了部分土的侧压力【lo j 。 ( 7 ) 增量法：对于围护结构，取单位宽度进行计算，把萁作为受压力俸 用下的弹性地基梁，土对围护的作用可以像w i n k l e r 模型一样用一系列的土弹 簧来表示，而弹簧的刚度系数i ( 由定义k = n 来确定。为由弹性力学中的 b o u s s i n e s q 解求彳罨的位移，n 为相应的力【1 。其应用于多撑或多锚式的板桩墙 结构的计算，对软土，还需考虑基坑底以下的土压力。 ( 8 ) 出瘸邦男法：其假设在粘地层中，地下连续墙作为底端自耄的有限 长梁，且在开挖面以下土的横向抵抗反力采用线性分布的被动土压力，而开挖 面以下地下连续墙弯矩为零的点假想为一个铰，忽略铰以下的挡土结构对铰以 上挡土结构的剪力传递【1 2 1 。 在具体研究时，针对研究对象的特性，可以选择上面各种方法与原理的组 合或比较分析的方法，来确定合适当翦工程的基坑变形分析方法。除利用上述 的变形分析方法外，还可以借助各种数学方法对基坑未来可能的变形进行预测。 所有的预测都以统计分析，数值分析以及现代新发展数学模型作为预测方法模 型，常见的预测方法如下： ( 1 ) 多元线性回归分析：属于数理统计方法，是研究一个变量与多个因子 之间非确定关系的最基本方法。其在变形观测数据处理与变形预报中主要涉及 两个方面：变形成因分析和变形预测预报。由于变形值与自变量之间存在同一 时刻的相关性，没有能体现观测穿列的时序性，穗互依赖性与变形的继续性， 从而，用此方法建立的变形预测模型是一种静态模型。 ( 2 ) 趋势分析法：是对基坑变形表现出的一种随机性褥又有规律性的一种 武汉理工大学硕士学位论文 认识。用该法处理的结果，是一种定量分析的结果。常见的趋势分析模型有多 项式趋势模型、指数趋势模型、双曲线趋势模型、逻辑蒂斯模型以及龚伯茨模 型，它们都属于回归分析系列。由于该法对于大样本能够很好模拟，但是遇到 稀疏样本就表现力很弱。通常只用它来得出变化基函数，而后选择其它模型。 ( 3 ) 时间序列方法：是指采用参数模型对所观测到的有序的随机数据进行 分析与处理的一种数据处理方法，承认数据的有序性和相关性，并通过数据内 部的相互关系来辨识系统的变化规律，常用使得建模方法将系统的输出看作是 在白噪声输入下的响应。经常使用的时间序列模型有滑动平均模型( m a 模型) 、 自回归模型( a r 模型) 、自回归一滑动混合模型( a r m a 模型) 。应用上述模型需 要经过适当的变换提取其中的趋势变化，获得平稳时间序列，且在具体的预测应 用中，白噪声序列的均值，往往不为零，不完全符合其在时间序列分析理论上的 要求，但其限制条件少，计算操作简单，且适合应强。 ( 4 ) 灰色模型方法：以灰色模块为基础，以微分拟合法建立的模型，根据系 统的行为的特征数据，找出因素本身和因素之间的数学关系。其预测会因时间的 外推而逐渐失真，不过可以通过模型的残差修正，提高模型的预测精度。其优 点是建模所需要的信息少，对无规律或服从任何分布的任意光滑离散的原始序 列，通过生成序列建模，并可保持原系统的特征，反映系统的实际情况。 ( 5 ) 神经网络方法：利用输入输出样本集对神经元进行训练，也即对网络 的权值和阈值进行学习和调整，以使网络实现给定的输入输出映射关系，具有 插值功能。常用的神经网络模型有径向基函数神经网络( m 3 f ) 与递归神经网络 ( r n n ) 。神经网络的结构是影响模型预测精度和计算效率的重要因素，具体需根 据工程的地质条件和施工情况来决定节点数，一般可通过试算法或遗传算法来 优化网络结构。在基坑的变形预测方面的研究尚处于研究中。 ( 6 ) 突变理论：是利用微分拓扑对奇点的性质进行研究，用于描述自然界 中的不连续与突变的现象。而基坑的变形所引起的滑坡是一种突变现象因而可 以用该方法来研究基坑变形的预测预报。常见的突变模型有7 种初等模型，是 状态变量的高次方程。该方法是研究不连续临界行为现象的有力工具。作为变 形的动态瑰丽掌握，一定要搞清楚突变阶段，这样才有利该理论在基坑变形中 的运用。 ( 7 ) 卡尔曼滤波方法：将状态变量引入到滤波理论中，用信息和干扰状态 空间模型描述它们的协方差函数，使状态空间描述与离散时间序列联系起来， 6 武汉理工大学硕士学位论文 而不是需求滤波器冲击响应的明确表示式。在使用该方法分析基坑变形时，要 提高状态模型的精度，同时还要考虑模型噪音与量测噪音的统计性。在使用该 方法时，要根据具体情况而用。 1 2 3 基坑开挖过程与可视化 随着计算机硬件购置成本的日益降低，特别是图形卡价格的降低，使得越 来越多的科学家与工程师迫切需要能将传统的纸质数值、图像图形或公式，转 变为数字内容，实现数据再现，从而更直观的、更容易获取隐藏在数据中的规 律或性质。对于基坑开挖过程中所涉及的数据，其来源于非肉眼所能观察的， 即隐蔽性，从而使得其对可视化提出跟迫切的要求。而现阶段，计算机图形技 术已从传统可在计算机上展示，发展到三维体可视化阶段，无论是模型构造， 三维体在二维屏幕上的展示，以及三维体逼真表示，现在都已基本成熟。对于 其运用于基坑开挖方面，现具有可实现依据。 基坑开挖方面的可视化主要类别依据为基坑开挖过程研究重点，即开挖过 程中为保证基坑安全所采取的基坑支护方案，以及基坑安全监测评估。基坑开 挖可视化技术与方法的研究概况如下三个方面：可视化支护系统设计、基坑监 测数据可视化分析以及开挖过程中相关土体与岩体的物理参数的可视化等。 在可视化支护系统设计方面，主要从支护几何结构可视化设计，支护结构 力学参数表达可视化，支护结构加荷载或卸荷载条件下的监测数据可视化，及 其支护结构系统的控制的可视化。薛飞在其论文【1 3 】中详细阐述了可视化结构支 护的相关支护设计技术，以及可视化相关技术，并给出了在o p e n g l 下的实现实 例，及其工程实例。此是国内较全面介绍可视化结构支护系统的文献。现阶段 支护结构可视化设计正逐步从传统纸质，二维面设计到三维空间体方向过度， 其表达内容更加丰富与生动。 基坑监测数据除包含支护结构所涉及的土体沉降、位移，结构体的变形外， 还包含了基坑边坡外的水位、深部变形以及基坑开挖进度相关参数。监测数据 的可视化除对各种收集数据单独处理外，还对各种有关联的数据进行空间的多 维关联可视化表达。马永胜在其论文 1 4 】中提出了基于线性插值的二维流场数值 模拟可可视化；杨朝晖在其论文【1 5 】中较全面提出了针对地面沉降数据的二维与 三维可视化实现方法。目前，工程与科研的监测数据正逐步从传统数值分析向 7 武汉理工大学硕士学位论文 数值可视化转变，其能够直观表达现状，呈现问题关键。 基坑开挖相关可视化就是土体物理参数可视化。这也是当前研究重点之一。 张渭军在其论文【1 6 】中以三棱柱体作为基本体元来实现三维地质体可视化。该方 法通过对三角形的自分解并且充分考虑地质体内所存在的断层等地质现象，在 引入虚拟钻孔的基础上，建立三维模型，该模型通过自分解而实现地质体内部信 息的显示。孙国庆等在论文【1 7 1 中针对数字三维岩土工程勘察报告的需要，构造 了基于层状地层的三维工程地质模型，详细介绍了模型的地层分区、地层层面 等值线、三维显示等处理算法，并以o p e n g l 为图形处理库实现了该可视化系统。 周翠英等在其论文【1 8 】中文针对体建模，提出了一种通过块体理论构造三维地层 的新方法。该方法将地层区域内部结构面和边界面作为某虚拟岩体的裂隙面， 这些裂隙面可将地层区域全部切割成有限块体；将虚拟岩体的剩余部分切割成 一定数目的无限块体和有限块体，利用块体理论中块体的矢量判别法判别出地 层区域内的有限块体，并求出其顶点坐标及其在各侧面上的排列顺序后，即完 成三维地层的构造和剖分过程。目前对这块可视化的研究重点集中于不同地质 结构上的土体或岩体几何模型构造上面。 基坑开挖过程与可视化结合针对开挖施工过程可视化，目前还没见到相关 专题研究，本文会在地下水可视化研究中，最后添加其实现相关技术，及其实 例过程。可视化对于基坑开挖过程中的相关数据的信息化管理与可视化应用提 供了良好应用技术基础，具有广阔应用前景。 1 3 地下水研究现状 作为水资源的重要组成部分，地下水资源已经成为人类生产、生活与社会 经济中重要的组成部分。随着水资源短缺日益加剧，对于地下水的研究越来越 重视。现阶段各个省份、市、区都建立了相应的地下水监测站网、监测规范与 监测规划，其中对于地下水的监测、保护与环境研究提高到一个新的阶段。 地下水的研究主要分布在如下几个方面：( 1 ) 地下水的监测站网的设计与优 化，实现低投入，高监测效果；( 2 ) 地下水监测方法的研究，与远程监测技术的 更新，提高监测数据的空间尺度；( 3 ) 地下水监测数据的分析与预测，重点在于 如何实现地下水位变化与区域或局部地表垂直沉降关联分析；( 4 ) 地下水监测的 信息化，数字化管理等方面的研究，以提高对地下水相关信息的掌握与处理的 武汉理工大学硕士学位论文 能力。以上各方面的研究都未能实现突破性进展，下面各节将对各个方面的研 究现状做个概况。 地下水监测最早开始与欧洲。它们从2 0 世纪7 0 - 8 0 年代开始。地下水质 监测网的发展一般根据家国需要和水文地质条件决定，大都是全国范围的，且 各国监测譬的大都不圈，可分为两类：地下水质益测、地下水量监测。其中地 下水量监测网由多种类型的观测点组成，大部分为钻井和挖掘井，还有管井和 泉水并，观测变量大多数相同：地下水位、地下水温、泉水位稻泉水流量，观 测质量和取样方法由不同国家的技术标准决定。由于地下水监测投入巨大，而 且选测点也影响这测量效果，从而监测网优化研究成为新的热点。 地下水监测网优化的基标是以最低费用来获褥满足管理露标的最有效的信 息，选用不同的水文地质分析和数学模型定量化计算相结合的研究方法，来满 足确定麴雷标和经费投入。优化内容包括监测井结构、监测井密度、监测井布 局、监测项目、监测频率、监测井级别、监测方式、监测记录模板、监测信息 管理等。当前应用的优化方法主要是定性或半定量法，包括水文地质分析法、 克立格法、聚类分析法、信息熵法、卡尔曼滤波法、数学规划模型法等【1 9 1 ，其 中水文地质分析法是基础。现阶段的研究重点是从定性或半定量方法，转变到 定量或数字化方囊上。戴长雷在其论文【l 霹中做了详缨阐述。 随着技术的进步，地下水监测已经从传统的手工逐点监测，室内分析，出 图与报表等方法，转变到监测站内置霸动检测设备，采用无线或短波方法，实 现监测数据的无线传输，同时室内设备接收数据，能够按照预先设置参数准确， 输出相关图表与报表。例如德国h t 公司研制的h t 地下水数据采集器和g w b a s e 地下水管理软件，具有采集、传输、处理数据自动化程度高，使媚方便，操作 简单，使用寿命长凳特点，单机独立内置g p r s 远程自动传输设备，信息系统可 震于创建选择参数时闻变化视频，帮助观测和了解地下水分布和污染物状况【碉。 可见自动化程度较高的监测系统能比较好实现监测系统的数字化与信息化管 理。其监测数据分析与预测成为室内工作的重点了。 监测数据分析与预测主要依据当地的监测规范，来确定当前地下水质各种 参数值，与国家确定的国家标准，来分析当前区域地下水的水质环境状况。分 析方法主要结合离散监测站数据，通过各种空闻插僮的方法，对未知空闻点， 进行动态预测，完成地下水的水质环境或地下水量的模拟。通过比较不同时间， 不同空闻段的地下水质与逢下水量空闻布局模拟，确定该区域地下水相关信息。 9 武汉理工大学硕士学位论文 这些信息最后以等势线，等位线等图形可视化的方式表现出来。下面总结地下 水方面的可视化表达。 地下水资源动态监测管理中的可视化是利用计算机图形图像技术，对采集 的大量地下水动态监测数据进行处理，将评价区域地下水的赋存环境、运动规 律和动态特征直接展现在人们眼前，被人的视觉直接感知，为地下水资源评价 模型的建立提供依据，并最终为地下水资源的科学管理和科学利用奠定坚实的 基础。杨旭，黄家柱，杨树才等在其论文【2 l 】中阐述了针对第四纪地层的复杂性和 各评价区域，研究了采用利用离散控制点建立不规则三角格网及采用混合体绘 制技术对地下水水位、水温、流场等动态监测数据进行三维可视化的初步研究 和实现方法，其比较形象的表达地理空间的“真实 形态特征及各属性要素的 空间关系。胡卓玮，宫辉力等在论文【2 2 】中采用虚拟现实及时雨可视化方法，研 究了地下水及其赋存地质体的空间数据建模与数据库存储技术，实现了基于 o p e n g l 图形库实现了地下水、地质体、相关地表信息、等水位线、地下水流向 等的3 维可视化，设计并实现了基于纵断面快速生成算法的可视化空间分析功 能。地下水可视化这块更多将水所赋存物，及其关联要素考虑到模型的设计中， 提高了模型信息富度。 1 4 可视化技术发展过程与现状 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换 成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉 及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成 为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。可视化技术 发展阶段有可分为三个步骤：科学计算可视化、数据可视化、信息可视化。下 面详细介绍各个阶段的发展技术与相关内容。 1 4 1 科学计算可视化 剖面技术的出现弥补了曲线与曲面整体信息丢失的缺点，该技术更多的应 用于医学。它主要应用数据对象就是c t 扫描的二维数据。其实现原理为通过某 些更有效的算法，把大量的二维信息重构、叠加成能真正准确显示人体的三维 l o 武汉理工大学硕士学位论文 物质场分布，做到生成图像能反映出细小的物质差别。该三维成像技术很好帮 助医学人员确定病情，但是该技术具有天生标量性，生产数据成本高，结果操 作与分析具有局限性。因丽后期发展到体绘制技术。 基于传统图形学的可视技术对于三维数据场建模形成三维形体后，将三维 形体投影n - 维平面上，逶过形体的深度信息，产生立体感，但是这种图形只 是表示了三维形体空间表面的效果，没有揭示三维数据场的内部的变化规律， 体绘制技术克服这种局限性，对它的不同层次、材料、特饿的各个组成部分，在 一幅图像中整体表现出来，得到的是三维体数据的全局图像。它不通过几何造 型等其它的中间转换手段，是直接对一个三维标量场或者矢量场进行操p 引。 体绘制的基本原理是从数据场出发，将体空闻的每一体元都看成是能够接 受或者发出光线的粒子，每个粒子都分配一光强及一定的透明度，沿着视线观 察方向将这些粒子投影到二维图像平面上，计算每个粒子对整体所千# 的贡献， 累加起来就可以得到一幅透明的投影图形。其算法大都用离散方法加以实现， 如l w e s t o v e r 提出的以物空间为序的体绘制法的m l e v o y 提出的以像空间为 序的体绘制算法，其实质可概括为三维数据场的重新采样和对采样结果的图像 合成两个主要过程。现在阶段主要研究重点为体绘制的实时性。 科学计算可视化技术虽然在软硬件和处理算法主都取得很大进步，但是在 很多方面有待提高和完善，主要分为下面几个方面：( 1 ) 科学可视化的算法和数 据结构，对于计算密集的可视化过程，算法和数据结构上的一点小的改进和提 高，能显著的加快可视图象的显示速度；( 2 ) 高速网络科学计算可视化，发展一 些有效的并行算法和网络技术，为超级计算提供一个有效的分析计算环境；( 3 ) 分布式环境式体绘制，采用分布式环境，实现体绘制成为可视化关注的焦点。 ( 4 ) 可视技术的图形加速设备，专门用于体绘制的真三维显示器或者说直接体 显示设备( d d v d ) ，这是可视硬件设计人员应尽快解决的闻题。 。4 2 数据可视化 随着可视优技术发展，及其涵盖内容的丰富，蜃来提出了数据可裰化的概 念。数据可视化是对大型数据库或数据仓库中的数据的可视化，它是可视化技 术在非空闻数据领域的应用，使人们不再局限于通过关系数据表来观察和分析 数据信息，还能以更直观的方式看到数据及其结构关系。数据可视化技术的基 武汉理工大学硕士学位论文 本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素表示，大量数据集构成的 数据图像，同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示，可以从不同的维 度观察数据，从而对数据进行更深入的观察和分析。主要的可视化技术按照其 实现原理不同可以划分为基于几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、 基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术等方耐2 3 】。 基于几何的可视化技术包括s c a t t e rp l o t s 、l a n d s c a p e s 、p r o j e c t i o np u r s u i t 、 p a r a l l e lc o o r d i n a t e s 等等，是以几何画法或几何投影的方式来表示数据库中的数 据。利用平行坐标法开发【2 4 的系统包括p a r a l l e lv i s u a le x p l o r e r ( i b m ) 、 x m d v ( m a t tw a r d ) 、a v s e x p r e s s ( v a nw i j k ) 等等。这个方法的优点在于，对于较 少的数据集能使用户在二维平面上看到每个数据的n 维属性，对于大型的数据 集能反映出各维属性之间的关系和数据在各维属性之间的走向趋势。 面向像素技术的基本思想是将每一个数据项的数据值对应于一个带颜色的 屏幕像素，对于不同的数据属性以不同的窗口分别表示【2 5 1 。面向像素技术的特 点在于能在屏幕中尽可能多地显示出相关的数据项，对于高分辨率的显示器来 说，可显示多达1 0 6 数量级的数据。该技术是由德国慕尼黑大学的d a k e i m 提 出的，并且开发了v i s d b 可视化系统。 基于图标技术的基本思想是用一个简单图标的各个部分来表示n 维数据属 性【2 6 1 。基于图标的可视化技术包括c h e m o f f - f a c e 、s h a p ec o d i n g 、s t i c kf i g u r e s 等，这种技术适用于某些维值在二维平面上具有良好展开属性的数据集。根据 枝形图方法( s t i c kf i g u r e s ) 开发可视化系统有e x v i s 等。 基于层次的可视化技术的基本思想是将n 维数据空间划分为若干子空间，对 这些子空间仍以层次结构的方式组织并以图形表示出来【27 1 。利用基于层次的可 视化技术开发的系统主要有：h y p e r b o l i ct r e e s ( x e r o x ) ，i n f oc u b e ( s o n y ) ，e l a s t i c w i n d o w s ( h c i l m a r y l a n d ) ，t r e em a p ( h c i l m a r y l a n d 等。 除上述可视化技术外，还有其它可视化的技术和方法如d v e t ( d a t a v i s u a l i z a t i o ne n v i r o n m e n tt 0 0 1 ) 、h d e y e 算法的簇可视化、t a b l el e n s 系统、x g o b i 的动态和交互技术、3 d 技术、基于图形技术等等，这些技术正处于研发与成熟 阶段。 1 4 3 信息可视化 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 从科学计算可视化到数据可视化，从数据可视化到信息可视化，每一步都 是对前者内涵与外延一次拓展。信息可视化其主旨在于揭示空间数据、非空间 数据以及像文本、符合等非数字型信息的内部联系或规律。在信息可视化技术 分类中，共有五个分类角度【2 8 】：即数据类型、显示类型、交互方式、任务分析 和基于模型的分类。显示方式的分类与数据可视化分类方法相似。其他分类角 度如下所示。 w e h r e n d 和l e w is 提出了按任务分析进行可视化技术的分类。这些任务是 指那些与应用领域无关的任务。他们将用户的任务分为1 0 类【2 9 1 ：定位 ( l o c a t i o n ) 、识别( i d e n t i t y ) 、区分( d i s t i n g u i s h ) 、分类( c a t e g o r i z e ) 、聚类( c l u s t e r ) 、 分布( d i s t r i b u t i o n ) 、排序( k a n k ) 、实体比较( c o m p a r ew i t h i ne n t i t i e s ) 、关联 ( a s s o c i a t e ) 和相关( c o r r e l a t e ) 。z h o u 和f e i n e r 在1 9 9 8 年扩展了上述思想。一 方面，他们将可视化的任务抽象成可视化含义( v i s u a li