RA樹(shù)脂組合橋面層雷達(dá)探測(cè)及三維仿真模擬

朱 哲 董文澎

探地雷達(dá)(Ground Penetration Radar,簡(jiǎn)稱GPR)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)[1]。隨著近年來(lái)大型橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁越來(lái)越多地出現(xiàn),橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也在材料、結(jié)構(gòu)層厚度、施工方法等方面發(fā)生了許多變化,特別是鋼箱梁橋面等特殊結(jié)構(gòu)層之上、超大載荷結(jié)構(gòu)物之上的鋪裝層設(shè)計(jì)為了滿足高強(qiáng)度、高粘結(jié)度(牢度)、高耐疲勞性等一系列要求,更多地采用了RA樹(shù)脂組合橋面鋪裝等一些新工藝,為了在RA樹(shù)脂組合橋面鋪裝厚度檢測(cè)中確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在利用探地雷達(dá)采集的路面層厚度圖像的基礎(chǔ)上,采用Delaunay三角剖分,利用計(jì)算機(jī)三維仿真重構(gòu)處橋面層,彌補(bǔ)了探地雷達(dá)單方面技術(shù)的不足,實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得高清晰的計(jì)算機(jī)仿真模型。本次檢測(cè)的工程項(xiàng)目為浙江省某橋橋面鋪裝層,本次橋面層質(zhì)量探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)的主要內(nèi)容有:檢測(cè)橋面層厚度及橋面層缺陷(橋面層結(jié)構(gòu)松散、破碎、脫空、沉陷、高含水區(qū)域及軟弱體等病害檢測(cè))。

1 橋面層三維數(shù)字化仿真實(shí)現(xiàn)

1.1 基于GIS的三維可視化仿真的基本原理

GIS是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)介于地球科學(xué)和信息科學(xué)之間的交叉學(xué)科,是在地學(xué)學(xué)科與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造等與計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

三維可視化仿真(Three-Dimensional Visual Simulation,3DVS)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合后形成的一種新型仿真技術(shù),其實(shí)質(zhì)是采用圖形或圖像方式對(duì)仿真計(jì)算過(guò)程的跟蹤、駕馭和結(jié)果的后處理,同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真軟件界面的三維可視化。

GIS與3DVS的結(jié)合[2,3]可發(fā)生在原始數(shù)據(jù)采集及仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)這兩個(gè)階段。二者有兩種結(jié)合方式:1)融合式:盡管這種集成方式的數(shù)據(jù)傳遞方便高效、操作簡(jiǎn)便,但開(kāi)發(fā)費(fèi)用高、周期長(zhǎng);2)通過(guò)建立二者的擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此間數(shù)據(jù)相互交換和信息共享。此方式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、費(fèi)用低廉,而且由于二者的相對(duì)獨(dú)立性及可擴(kuò)展性,便于系統(tǒng)的維護(hù)及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。本文采用第二種方式實(shí)現(xiàn)GIS與3DVS的結(jié)合。

1.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究與數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

三維仿真建模在數(shù)據(jù)庫(kù)選用何種商業(yè)軟件時(shí),應(yīng)考慮空間數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化、多源等特征,也就是能在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型中加入支持面向?qū)ο蟮墓δ?如支持類、方法、屬性等。

1.2.1 數(shù)據(jù)表組織

GIS數(shù)據(jù)具有明顯的專業(yè)分類與從屬關(guān)系,這種關(guān)系體現(xiàn)在各類數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)聯(lián),通過(guò)這種關(guān)聯(lián)建立數(shù)據(jù)信息之間的層次關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表和圖形屬性表中,采用約束條件實(shí)現(xiàn)表與表之間和表與圖元之間的關(guān)聯(lián)和信息傳遞。GIS信息在內(nèi)容上主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù):在空間上,主要體現(xiàn)以圖形數(shù)據(jù)為主線,通過(guò)圖元與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),來(lái)表達(dá)圖形數(shù)據(jù)的實(shí)體特征;在關(guān)聯(lián)關(guān)系上,描述空間圖元的屬性信息可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的屬性表,也可以是并列的多個(gè)屬性表和具有從屬關(guān)系的鏈狀表,即圖元和數(shù)據(jù)表的一對(duì)一或一對(duì)多關(guān)系。

1.2.2 數(shù)據(jù)表訪問(wèn)

本文數(shù)據(jù)庫(kù)擬在以太網(wǎng)內(nèi)部采用C/S結(jié)構(gòu),便于其他專業(yè)工作的開(kāi)展。作為用戶而言,希望從數(shù)據(jù)庫(kù)中取得的數(shù)據(jù)都是以對(duì)象的方式存在的,這些對(duì)象的信息一般分布在各數(shù)據(jù)表中,見(jiàn)圖1。

根據(jù)勘察資料提供的鉆孔信息,將其數(shù)據(jù)入庫(kù)管理,其中鉆孔表記錄橋面層信息,主要內(nèi)容有橋面層編號(hào)、鉆孔編號(hào)、巖土名稱、層底深度、地層厚度等,“鉆孔基本信息表”記錄鉆孔或勘察點(diǎn)的信息,主要內(nèi)容有鉆孔編號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、孔口標(biāo)高等,它們是三維建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表。也可以通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)文件直接記錄建模所需信息,主要包括橋面層控制點(diǎn)個(gè)數(shù)、橋面層數(shù)、鉆孔數(shù)、控制點(diǎn)編號(hào)、點(diǎn)的三維坐標(biāo)、橋面層厚度、與橋面層的相鄰關(guān)系、鉆孔編號(hào)等信息。

2 工程應(yīng)用與實(shí)踐

2.1 虛擬鉆孔數(shù)據(jù)的提取

圖2為探地雷達(dá)在橋面層檢測(cè)后的處理圖像,由圖中可以清楚地看到橋面鋪裝層的分層情況,在擬控制斷面布置虛擬鉆孔。

許多學(xué)者都從事鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立和基于離散點(diǎn)信息建立地質(zhì)模型的研究工作[4,5]。從鉆孔柱狀圖中將不同層的分界點(diǎn)取出作為建模數(shù)據(jù)源,該數(shù)據(jù)源是本文三維橋面層建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),采用二分拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述鉆孔信息,如圖3所示。

2.2 橋面鋪裝層三維數(shù)字模型的建立

在三維GIS構(gòu)模法中以表面構(gòu)模法、塊段構(gòu)模法、線框?qū)嶓w構(gòu)模法的應(yīng)用最為廣泛,與之相應(yīng)的基于面的數(shù)據(jù)模型及基于體的數(shù)據(jù)模型也就成為當(dāng)前三維GIS數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。許多學(xué)者[4-7]在三維地層方面有相應(yīng)的研究,比如有學(xué)者提出以廣義三棱柱為基本體素來(lái)表達(dá)三維地層體,與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型為廣義三棱柱(GTP)模型。GTP是專門(mén)針對(duì)實(shí)際地質(zhì)鉆孔出現(xiàn)偏斜而提出的一種可以不受三棱柱棱邊平行(即鉆孔垂直)限制的體元構(gòu)模方法,并將GTP構(gòu)模稱為其特例。而且,基于TIN邊退化和TIN面退化,可以由GTP導(dǎo)出Pyramid模型和TEN模型。GTP構(gòu)模原理是:用GTP的上下底面的三角形集合所組成的TIN面來(lái)表達(dá)不同的地層面,然后利用GTP側(cè)面的空間四邊形面來(lái)描述層面間的空間關(guān)系,用GTP柱體來(lái)表達(dá)層與層之間內(nèi)部實(shí)體。

基于鉆孔的三維建模方法分為兩個(gè)主要步驟,即首先由鉆孔孔口坐標(biāo)點(diǎn)做Delaunay三角剖分形成表面TIN,然后將TIN中的每個(gè)三角形沿鉆孔向下擴(kuò)展生成三棱柱。具體生成三維橋面層如圖4所示。

2.3 與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的交互

在建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中,將各個(gè)構(gòu)筑物分配唯一的ID號(hào),這樣就將面向?qū)嶓w和面向工程的概念統(tǒng)一起來(lái),且通過(guò)唯一的ID號(hào)進(jìn)行連接。在屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)相應(yīng)圖層中的圖元來(lái)查找與之相對(duì)應(yīng)的屬性,使用條件查詢可根據(jù)特定的邏輯表達(dá)式作為查詢條件,查詢符合該圖元分布的邏輯條件,條件查詢語(yǔ)言可表達(dá)如下:select from database where列名=“”。

3 結(jié)語(yǔ)

以GIS結(jié)合三維可視化仿真技術(shù)(3DVS),實(shí)現(xiàn)新型RA樹(shù)脂橋面層模型重構(gòu)是本文的研究重點(diǎn)。本文利用CAD圖形平臺(tái),結(jié)合探地雷達(dá)掃描圖像結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了橋面層三維模型直觀描述和信息的高效應(yīng)用與科學(xué)管理,而且提供了實(shí)用的應(yīng)用模型,并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果的可視化表達(dá),給橋面層設(shè)計(jì)與決策提供了一個(gè)科學(xué)、形象、直觀的輔助分析手段,有助于推動(dòng)橋面層設(shè)計(jì)與管理工作的可視化、數(shù)字化發(fā)展。本文在重構(gòu)時(shí)著重利用虛擬鉆孔,另外還可以發(fā)展利用探地雷達(dá)二維剖面圖像重構(gòu)三維橋面層結(jié)構(gòu),此項(xiàng)研究正在進(jìn)行當(dāng)中,具有廣闊的發(fā)展空間。

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