岩土工程勘察场地立体空间建模与可视化信息管理

肖武威

（中南华鼎武汉岩土工程有限公司，湖北 武汉 430000）

随着当代信息技术的不断发展，数学建模技术的不断增强，基础数学的不断进步，其在各类工程中的应用也一步一步地展开普及。当代地理信息技术是时代基础上的多层次信息技术产业不断结合的产物，其对于地质勘探具有较为深远的意义，而其在工程领域也存在很深的发展空间。在岩土工程实施过程中，需要对工程场地进行实时勘测并将所得信息进行有效的规模化处理，从而合理且高效地利用相关信息，对此，地理信息技术的应用就显得必不可少。而且，随着岩土工程质量要求的不断提高，原有的二维建模技术已经不能够满足新时期岩土工程的发展需求，对于信息化建模方式所提供的三维建模技术的要求就达到了极高的指标。而由于三维建模技术所衍生的高信息量，如何合理科学地对可视化信息进行管理也成为了关键问题。文章将通过议论对该问题进行进一步探讨论述。

1 立体空间建模概述

立体空间建模是空间建模的一种，其基本概念是先构造出原始数据，并根据原始数据建立派生数据，并通过对于这两组数据之间相关系数等有关变量的分析进行合理化运用，从而对空间中的信息进行收集，并通过这些信息对空间中的现象或是变化作出解释或预测。立体空间建模是建立在对三维空间地图的剖析之上的，其根本是二维空间建模的嵌套使用，而基本的空间建模又叫做“地图建模”，空间建模的结果是建立起对于该场地地图的相关模型，该模型可以简化空间站许多复杂变量或因素，将其进行标准化分析与表示，从而帮助分析人员规划所要完成的分析过程，对相关信息或数据进行深层次剖析，以支持实际问题的解决。

立体空间建模的实际过程与空间分析是恰恰相反的，可以看作是空间分析的一个反过程，如果是空间分析是由数据进行分析并指向分析结果，那么立体空间建模就是由分析结果开始，通过处理过程对初步信息的获取进行分析，从而建立起空间结构框架。

立体空间建模的基本步骤是，首先要对立体空间系统进行详细的分析与构建。对立体空间中所要分析系统的各方面状态、因各种因素所导致的变化情况等进行分析，从而展开深层次描绘与构建，以合理科学地构造系统数据体系。在掌握了外部信息之后，就要从理论层面进行下一步的分析。依据地理学的基本观点和该立体空间的具体特点等进行深度分析，并根据理论知识进行推理计算，对空间中各因素相互影响的关系进行深层次探究，从而确定建模的准确性。

在此基础上。为了方便下一步的数据处理与建模流程，可以使用降维分析的方法对已有的变量进行处理，尽量减少不重要的参数，从而为模型框架的搭建提供便利。也可以利用主成分分析法确定几个主要成分，从而对其他变量进行适当删减。在这之后，要根据具体情况对地质状况进行深层次分析，并依靠专业人员的分析与判定决议，从而确定分析模型的测量参数。在此之后，就可以根据所确定的参数与各类主要变量对该立体空间进行模型建立，并根据模型开展工程。

2 对可视化信息管理的论述

信息可视化并非单门学科，而是学科交融的产物，其主要目标在于将概念化的事物通过可视化方式进行呈现，比如将枯燥无味的代码通过生动形象的影像资料进行展现。其可以将刻板的枯燥通过各种合适的折线图、饼图或是柱形图进行表示与比较，从而使得数据的分析与处理过程更为方便简洁。可视化信息管理是信息处理的重要发展，其能够大大提高信息处理效率。

可视化信息管理能够更加便捷地对信息进行处理与运用，并且降低信息管理难度，其可以做到想要管理的地方一目了然。在这种情况下，如果出了异常情况，管理人员与信息处理人员能够第一时间发现并进行指正，从而大大减少工程中的错误率。同时，其能够更加直观地对信息进行反映，即使是普通职工也能轻易对其进行分析，可以大大提高工程运行效率。

而且可视化信息管理有助于简化运营程序，也有助于维持信息的安全与信息秩序的稳定。可视化信息能够做到信息透明化，有助于统一工程人员对工程的认识，这对于工程人员的工作状态也是极大的鼓舞。同时，也可以最大程度上减少因对信息掌握不完全造成的失误或是工程疏漏，其在岩土工程行业的运用前景是十分广泛的。

3 立体空间建模思路的构建

岩土工程勘察场地立体空间建模与可视化信息管理所应当注重的因素较多。首先，由于岩土工程中测量得出的数据所对应的领域以及特征差异较大，数据来源较为广泛，数据类型比较丰富，建立可视化信息管理系统的难度会变得较大。对此，应当采用适度降维的方式，通过对各种变量之间的相互转换实现通过少部分变量替换多变量的表示方法，从而实现多源异构数据的耦合。

其次，通过对可视化信息管理技术的利用，以及立体空间建模的方式，尤其是三维空间的建模，能够使得测绘观察者更加系统地对各类地质特征进行综合性分析，从而提高岩土工程勘察的准确性，从而在工程过程中对场地取得更深层次的了解。在建立起可视化的立体空间完全模型之后，对于其空间限度也有了一定把握，那么就可以对空间状态进行具体估量，并据此对已掌握的信息进行实时修正，从而在设计工作中使工作人员对各类空间属性保持更准确地估量，而这离不开信息化的实时操作。因此，需要安排人员进行该方面的操作，以确保信息更新的实时性与准确性，从而提高信息处理效率。

4 岩土工程的勘察场地立体空间建模与可视化信息管理过程

岩土工程的场地勘察以及立体空间建模是一个复杂的过程，根据沿途空间的空间延展性将其分为三个部分，各部分之间大致以地面为分割依据。第一部分为处于地面层上方的岩土结构以及建筑物等人工构筑物，可以通过视觉检测技术等先进物联网技术对其位置以及轮廓面等进行确定；第二部分是地面本身，包括其凸起与凹陷等地形特点和结构。第三部分是地下的土壤结构、之前因岩土工程留下的痕迹抑或是各类资源、生物多样性等。这三部分的立体空间建模因其影响因素不同所得的结果是大为不同的，需要对其进行单独分析。

首先，地面以上的部分主要是人工建设的建筑物抑或是各类基础设施等。对此，可以通过基于现代物联网输入技术所研发的视觉识别技术来对其施以检测。可以在测量器具中定义一个基本长度，然后通过各种映射方法来定义不同距离下测量的长度指标，从而进行多次测量，多维度地对地上设施的位置以及各长宽等信息进行采集，并输入系统，以获取多维信息，并根据预设算法进行数据处理，从而得出其大致数据。而对于其形状也可以通过定义像素点的方式近似看作一个个正方形的拼接，从而将数据单位化，更有利于可视化处理。

而对于地面的数值则应当对钻孔地点进行详细统计，并测量高程点，对各类建模指标建立不同程度的测量。基于高程点等信息，高程模型采用基于离散高程点生成的不规则网络结构，生成算法主要有退火算法、蚁群算法等，测量时可以通过现代物联网技术中的智能感应技术进行测量，主要在于了解各处海拔位置等因素的细微差别以及所造成的影响。而其他地面物质可以根据蚁群算法的原理对各处通路进行探索从而模拟仿真得出最优解决方案，以完成地面部分的建模。

而地下部分在初步测量的基础上，也可以通过蚁群算法进行路径探索等，并将其结果与地面部分进行拼接，通过皮尔逊分析法检测拼接程度来确保其准确性。另一方面，对于地下部分的岩土工程过程而言，对地质结构和地层分布的勘察的建模以及可视化信息处理的核心内容。对于极少部分路线繁多、地形复杂的区域而言，蚁群算法的优势就体现了出来。

蚁群算法的基本原理是如同蚂蚁分泌信息素一般，在走过的路径中散播一种信息。若是最后能遇到食物，即能达到目标点或是完成目标等，则将该路线的逻辑变为真，否则为假，假的路线不再进行探索。每一维度的路线都会有若干这样的蚁群出动，从而通过逐一探索的方式取得最优解。这样虽然运行效率不够高，但是对于工程质量是可以保证的，因此在各类工程中是比较实用的。而对于地下部分的信息处理采用蚁群算法，将会取得事半功倍的效果。

5 可视化信息处理的思路与原理

在岩土工程勘察场地立体空间建模与可视化信息管理方面，基于其“立体”及“可视化”的相关特性，可以基于编程语言python中turtle二维库的多层次嵌套进行建模。对于勘察中的每一个研究对象，可以通过智能检测技术将其轮廓画出，并基于微积分原理将其轮廓划分为若干细小单位，每一个单位越是细小越好，之后进行每一处的单位数测量，并扫描到数据库中，通过python程序将其各角度视图画出并进行拼接。在角度选取时，应当尽量确保划分足够细致，每一个角度与其相邻角度的差异足够细微，从而能够减少拼凑时因精确度差异造成的影响。依照此原理将每一部分的各面剖图画出并注意拼凑，即可得出整体的可视化信息图。在此基础上，我们可以对此进行管理。

将不同物体的不同面依照当代物联网技术中的智能扫描技术扫描到电子管理设备中，然后通过程序设置将岩土工程勘探中常用的物品输入至电脑中。当拿到一个由许多二维剖面图拼凑而成的三维剖图时，可以根据其剖面特征与库中原有剖面特征作对照，从而判断其剖面性质并进行处理。在此基础上，可以对其进行进一步识别，将其与库中的剖面特征依据一定的相关系数（如皮尔逊系数等）进行鉴别，从而找出与库中相似度最高的物品或地形，并根据设置好的程序对该物品实施标准化上色或是信息标注等。若是相似度均低于50%，则可以列入备选库中，等待进行人工识别。

为避免出现数据异常或是因地形过于复杂导致的数据问题，可以将每一个单位物品通过多种相关性系数与数据库中拟定的常用物质进行多次拟合识别，从而减少偶然性和控制其相似程度的稳定性。若出现在多种不同相关系数下某物品或单位地形的数据特征与库中数据均不同的情况，则将其列入备选库中，人工进行识别并在识别后加入库中分类并定义信息标注或是上色等。若一种相关系数所得结果与其他相关系数所得结果不同，则依照较多相关系数共同结果来对数据进行处理，从而进行下一步标注等。

在对地形和物品均进行相关操作后，可以按照坐标进行三维空间建模，并通过程序再次检验其正误。由于工程量较为巨大，可以多次进行建模并通过与实际勘测结果进行比对或是进行二次勘测以减少实验误差，同时依照适当的逻辑对其进行可视化信息管理，包括将其保存在数据库中或是转化成代码的形式留存在程序库内以确保勘测结果的稳定性，也能够减少数据丢失的可能。

6 结束语

传统二维建模技术在三维空间建模方面有所欠缺，而文章利用微积分的思想通过许多二维建模面的不断拼凑从而构建起三维建模方式，并通过科学有效的检验原理来保障建模结果的准确无误性。同时，以该三维空间建模原理为基础，通过智能化输出手段，直接利用程序实现同步将勘测信息转化为可视化信息，提高了信息的利用率与转化率。岩土工程勘察场地立体空间建模与可视化信息管理其实是通过一条逻辑链条顺下来的，可视化信息管理的目的是将立体空间建模所取得的信息加以适当延伸与利用，从而增强前后联系，这无疑是提高岩土工程质量的良好方式。同时，在空间建模方面，这也是一种崭新的思路，不仅可以用于立体空间建模，更可以将这种拼凑法作为质量检验等其他工作中的监测指标，以促进产业的发展。文章的整体思路在于将立体空间建模与可视化信息管理融为一体，从而为岩土工程质量提供保障，这有利于岩土工程行业的发展。