基于GeoStation的物探三维系统设计与实现

魏志云，徐震，3，许平，李成翔，3

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程数字技术有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江省工程数字化技术研究中心，浙江 杭州 311122）

随着物探技术的发展，三维物探成像技术能形象、直观地反映地下介质的形态和空间展布，国内外已广泛将物探三维技术理论和实践应用于油气、煤炭勘探等领域[1-2]，并形成了集数据采集、数据处理、成果解释为一体的三维地球物理勘探系统，实现了对地下介质属性的三维可视化。然而，在水电、铁路、城市建设等工程物探领域尚处于一维、二维成像阶段，其主要原因在于三维物探工作量较大、成本费用较高，且工程物探主要是对浅地层进行探测，地表噪声干扰较复杂。另外，由于工程地质钻孔成本比油气钻井成本低很多，为了更直接地了解地下地质结构，地质人员采取增加一定数量钻孔的方式来减少地球物理勘探的预测成本。

目前，工程勘测中的物探、地质、测量往往分别由不同单位或专业部门来完成，导致各环节相互独立，缺乏必要的沟通与协调。在软件研制方面，独自开发，自成体系，难以实现数据和成果的整合与共享，在一定程度上阻碍了多源数据综合研究方法的发展[3]。供物探、试验人员参考的工程地质信息和地形信息分别以图表结合文字勘察报告和二维地形图的形式表达，使得他们无法直观了解工程地质和地形条件，且工程地质人员只能从分散的物探、试验信息中提取有用信息，难以准确系统地把握各专业得到的信息量，必然会影响成果报告结论的可靠性。另外，物探、试验成果主要通过平面图、剖面图、统计图等形式呈现，技术人员结合勘察报告和地形信息绘制这些图纸是一项费时费力的工作。

随着我国物探三维成图要求越来越高，构建包括地球物理勘探、现场试验监测数据、施工地质等工程综合信息在内的物探三维展示分析系统显得尤为重要[4]。地质三维勘察设计系统GeoStation由中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（以下简称华东院）独立研制开发[5]，将分散的工程地质信息和地形信息系统地组织到一个模型中，并将这个模型通过三维形式直观表现出来。物探三维系统基于统一的三维CAD平台GeoStation，通过对物探专业三维可视化的深入研究，实现了物探、试验方案的三维模型展示，从模型中自动生成平面图、剖面图等，不仅节省了技术人员的时间和精力，而且有效提高了图纸精度。在协同作业方面，将勘测全专业的工作统一到同一个平台下，从生产管理层面实现了数据共享，通过建立物探数据库解决了物探专业数据导入、导出过程繁琐且易出错的问题，成倍提高了数据录入与输出效率，也提高了多专业间的协作质量。

1 系统关键技术研究

1）三维云图展示技术。针对传统二维物探存在的问题，系统对试验模型的三维数值模拟展开研究。根据物探试验得到的大量散点数据，采用特定的插值算法，计算得到场地范围内所有节点位置的试验数据信息；再将计算后的数据转换为工程综合信息三维展示分析系统FEInfo[6]能识别的edb文件，并将试验数据以三维云图的形式展示出来，如图1所示。

图1 波速三维空间云图效果

2）等密图技术。针对高密度电阻率法、浅层折射波法得到的成果剖面，系统对勘探剖面反演结果数据的等值线成图技术进行了深入研究，即利用数字地形模型（DTM）辅助绘制等值线图谱。基于GeoStation的物探高密度电阻率色谱绘制功能[7]已在物探高密度电法作业中得到应用。用户首先指定数据文件的位置，包括电阻率数据、边界坐标数据和测线坐标数据；然后调整每个数据范围对应的颜色，即可绘制电阻率等值线色谱图，效果如图2所示。

图2 电阻率色谱效果图

3）超前地质预报建模技术。探地雷达、TSP等预报方法都是为了寻找结构面和异常地质体，因此结构面和异常体的位置确定尤为重要。TSP超前地质预报是利用人工激发的地震波在波阻抗差异界面上产生反射的原理，对隧道掌子面前方以及周围邻近区域地质状况进行预报。目前成果报告中的结构面多以二维形式表达，难以了解结构面的空间展布特征。通过对TSP超前地质预报建模技术的研究，能在三维视图中准确还原已知结构面，消除超前地质预报结果不能与三维洞室综合展示的弊端，用户只需将TSP中成果导入到系统数据库即可实现超前地质预报建模。TSP三维模型效果如图3所示。

图3 TSP三维模型展示

2 系统设计与实现

2.1 总体设计

结合物探、试验专业的相关需求，明确物探、试验数据格式和成果展示方式，总结实现物探三维系统的具体方法和关键技术，本文提出了基于GeoStation的物探三维综合解决方案，包括符合物探专业特点的数据管理模式、基础框架和建模标准流程等。通过构建具有行业特色的物探数据库和物探三维建模系统，依托典型物探工程实现三维数字化技术在物探三维系统中的应用，最终实现物探信息的一体化高效管理和利用。

2.2 架构设计

系统框架主要由物探数据库和若干业务子模块构成。物探数据库是物探三维系统的基础数据来源，能为全过程的工程内容提供统一的存储管理机制，同时建立的网状、能记录历史状态的信息模型能将工程内容有机关联起来，并向子模块提供统一的数据服务；业务子模块包括数据管理子模块、三维建模与分析子模块、二维出图子模块等，各子模块均按需求独立开发、构建服务，采用DBS、GPS、RS、GMS、CNS等先进的计算机和信息技术，实现物探数据库与业务子模块、子模块与子模块之间的数据交换。其逻辑架构如图4所示。

图4 物探三维系统逻辑架构图

2.3 功能设计

2.3.1 物探数据库

物探数据库采用SQL Server数据库管理程序开发，通过ADO.NET进行链接，实现了物探数据的分类与分级管理。通过提供底层的数据库操作，运用数据记录的级联更新、删除和数据视图等功能，方便用户进行协同编辑、远程共享等操作。经过多个大型物探工程项目的应用发现，数据库内容较全面，数据库表共计20多张，内容包括地球物理勘探（浅层折射波法、弹性波CT、钻孔剪切波测试、声速测井、钻孔电视观察、高密度电阻率法、平洞声波测试、平洞地震波测试等）和岩体力学测试（高压压水试验、岩体强度试验、岩体变形测试、地应力测试等）。

2.3.2 数据管理子模块

数据管理子模块包括物探、测试两类数据的导入、编辑、保存、导出和查询统计等功能。基于数据库中已有数据，通过数据挖掘、数据分析技术，实现数据的查询与分析，生成个性化定制的统计报表，并支持将查询的统计结果一键导出至Excel模板文件，从而实现快速、高效、精准的数据分析，提高工作效率，加快项目开展进度。该模块主要实现以下功能：

1）数据导入导出功能是指对浅层折射波法、弹性波CT、钻孔剪切波测试、声速测井、钻孔电视观察、高密度电阻率法、平洞声波测试、平洞地震波测试等地球物理勘探数据进行快速导入导出。

2）数据统计查询功能是对勘探对象的试验数据进行查询统计，包括平洞和钻孔测试数据的统计。

通过该模块可实现对原始数据的进一步筛选分析，从而让用户从多角度、多维度了解项目的工程概况和综合物探条件，为管理者决策提供现代化的技术支持，保证项目的安全、优质、经济运行，提高企业效益。

2.3.3 三维建模与分析子模块

三维建模与分析子模块是系统的核心模块，是模型三维可视化的基础，包括超前地质预报建模、试验数据三维云图展示等工具。该模块主要实现以下功能：

1）通过导出超前地质预报专业软件TSPwin数据，在三维洞室模型中准确还原掌子面预测的三维结构面模型，并与洞室模型综合展示，从而直观了解开挖前方可能遇到的不利状况。

2）依据空间插值得到的网格节点试验数据，采用工程综合信息三维展示分析系统FEInfo中的图形渲染技术，通过颜色按所有节点试验数据的大小进行区分处理，不同颜色代表不同的试验数据，最终得到场地试验模型数据的三维云图显示结果。

2.3.4 二维出图子模块

二维出图子模块主要包括展示图和等密图两个部分，展示图主要对声速测井、平洞声波、平洞地震波、钻孔剪切波等拾取数据进行一维成图显示，可用于检查采集资料的预处理以及分析数据随采集深度的变化趋势等；等密图主要针对高密度电阻率法、浅层折射波法得到的成果剖面，实现对勘探剖面反演结果数据的等值线成图和输出。

2.4 系统实现

物探三维系统以GeoStation平台数据库为基础，对物探、试验原始外业数据、中间处理过程以及成果图展示等内容进行了研究开发，实现了统一CAD平台的数据入库管理、成果出图展示、三维属性建模分析等功能模块，解决了二维CAD设计平台不直观、工作效率低等问题。针对物探专业应用数据接口，研究了物探信息数据提取、导入等相关技术，实现了规范化的设计环境与物探数据库的无缝对接以及工程数据提取、数据导入的自动化；研究了试验模型的三维数值模拟，利用空间插值算法进行试验参数的空间插值拟合，并将插值结果与地质模型在GeoStation系统中进行三维综合展示，如图5所示。利用弹性波CT反演成果数据，在GeoStation中进行成果数据的点云成图（图6），展示效果与第三方Surfer软件一致，且能展示连续测量的长剖面云图，为地铁建设前期的溶洞专项勘察提供综合预测依据。

图5 岩溶波速参数的三维可视化综合展示

图6 某地铁区间段弹性波CT连续剖面成果图

物探三维系统在华东院物探项目中有较全面的应用，先后投入到华东院或子公司负责勘察设计的锦屏二级水电站、安徽金寨抽水蓄能电站、衢江抽水蓄能电站、宁海抽水蓄能电站、杭州地铁3号线等多个大型及以上水电和岩土项目中。在这些工程的项目勘察阶段，系统为每个项目建成了保持更新的物探数据库。通过系统的部署，改变了企业物探业务生产模式，信息化引领了生产流程、技术标准化的提升，为企业跨单位/部门提资提供了快捷通道，将传统图档级协作上升为数据共享协作，大幅提高了生产效率和产品质量。

3 结语

本文基于GeoStation平台，开发了物探三维系统，重点阐述了超前地质预报建模、等密图、三维云图展示等关键技术；并将该系统技术应用于实际物探项目中，取得了良好效果。通过上述研究与应用，得出以下结论：

1）物探三维系统提供了全新的三维展示和分析手段，有效弥补了传统二维生产平台在整体分析、交互解读和出图效率方面的不足。系统不仅支持水电项目超前地质预报建模，能对TSP预报的成果数据进行三维空间分析，快速实现预测结构面的三维可视化；而且能对岩土工程物探项目弹性波CT反演结果进行三维DTM拟合，再通过辅助绘制等值线图谱，建立该弹性波的矢量等密图；还能对试验模型进行三维数值模拟，并将其插值结果在同一平台进行三维综合展示。

2）通过建立物探数据库，解决了数据导入、导出过程繁琐且易出错的问题，成倍提高了数据录入和输出效率。系统提供了基于物探数据库的自动绘图功能，提高了二维出图质量和效率。

3）物探、试验专业和地质专业都基于同一平台开展工作，有助于物探专业与其他专业设计人员的沟通和交流，实现更好的协同。系统改变了现有生产流程和习惯，将勘测全专业工作统一到一个平台下，从生产管理层面实现了数据共享，帮助物探专业从基于Excel的数据管理和共享方式转换为更加高效便捷的基于数据库的数据管理和共享方式，大大提高了多专业间的协作质量和效率。