基于數(shù)據(jù)融合的工程地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)特征研究

　　摘要：為了推動智慧城市的規(guī)劃和管理工作，為減輕重慶市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，基于大數(shù)據(jù)分析管理和數(shù)據(jù)處理思想，采用大數(shù)據(jù)交匯融合技術(shù)，構(gòu)造了包括地區(qū)地層構(gòu)造及巖土材料參數(shù)值域等基礎(chǔ)特征信息的區(qū)域三維地質(zhì)模型�；�于數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像識別方法以及空間統(tǒng)計分析理論和插值方法，綜合利用MATLAB、ArcGIS以及BIM軟件，實(shí)現(xiàn)了對重慶市某區(qū)域地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)的虛擬地層插入、地層曲面擬合、三維實(shí)體模型生成、局部地形深化處理;根據(jù)Bayes參數(shù)估計理論，采用基于歷史大數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計值對工程實(shí)時采集的巖土測試試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修正，得到了各類不同地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)的期望值。

　　關(guān)鍵詞：圖像識別;地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù);Bayes參數(shù)估計理論;大數(shù)據(jù)分析;三維地質(zhì)建模

　　城市的快速和高質(zhì)量發(fā)展離不開地質(zhì)環(huán)境條件的支撐。全面掌握城市所處地質(zhì)條件，數(shù)據(jù)化地對城市地質(zhì)特征進(jìn)行描述對智慧城市的建設(shè)尤為重要。近年來，各種三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展迅速、功能穩(wěn)步提高，利于數(shù)據(jù)信息大力發(fā)展的政策使得三維地質(zhì)建模工作更有意義，更能服務(wù)于廣大國民經(jīng)濟(jì)[1]。

　　地質(zhì)論文范例：建筑工程地質(zhì)勘察的相關(guān)問題研究

　　目前，三維地質(zhì)建模能將地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)、地質(zhì)學(xué)理論與計算機(jī)三維可視化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而準(zhǔn)確反映地下空間內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的展布、相互接觸關(guān)系以及各地質(zhì)體物理力學(xué)或化學(xué)屬性等特征[2]。20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和地球空間信息科學(xué)的蓬勃發(fā)展，能夠反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及土體參數(shù)屬性變化規(guī)律的三維地質(zhì)建模技術(shù)得到了顯著發(fā)展，取得了眾多有意義的成果[3-8]。建立多維地質(zhì)信息系統(tǒng)，有利于一體化存儲、管理和處理地下–地上、地質(zhì)–地理、空間–屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維可視化地質(zhì)建模，有利于對地質(zhì)對象的總體把握和整體分析。

　　基于海量多源、異構(gòu)、異質(zhì)的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，構(gòu)建其三維地質(zhì)模型，可直觀而形象地展現(xiàn)地質(zhì)體和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而顯著提高對地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)資源和地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)知能力。目前，開展三維地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)和三維數(shù)字圖幅、數(shù)字礦山、數(shù)字油田、數(shù)字工程和數(shù)字地災(zāi)點(diǎn)地質(zhì)建模，已經(jīng)成為國際地質(zhì)部門和地質(zhì)科學(xué)界技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域[5-8]。對于城市地質(zhì)而言，三維地質(zhì)建模對地質(zhì)災(zāi)害防御和地下設(shè)施綜合管理具有巨大的作用，近20年來，三維地質(zhì)建模相關(guān)研究取得了許多可喜成果[9-18]，三維地質(zhì)建模與地質(zhì)大數(shù)據(jù)的融合研究受到了越來越多的重視[19-20]。

　　薛林福等[21]提出了分塊三維地質(zhì)建模方法，以斷裂、巖體邊界、不整合接觸面等為邊界，將較為復(fù)雜的三維地質(zhì)建模工作區(qū)分解為多個內(nèi)部構(gòu)造相對簡單的、建模難度較小的地質(zhì)單元，為開展復(fù)雜山區(qū)三維地質(zhì)建模提供了精確建模依據(jù);董梅等[22]利用GOCAD建立了北京市朝陽區(qū)某建筑場地的土層地質(zhì)模型，并提出了以Kriging插值和離散光滑插值相互結(jié)合來建立地層界面，以及采用GOCAD中的GRID功能代替SOLID功能建立三維地層實(shí)體的方法;王駿等[23]以重慶歌樂山典型背斜構(gòu)造區(qū)為建模研究對象，采用搜集資料–野外踏勘–室內(nèi)建模的工作路線，運(yùn)用SKUAGOCAD的workflow建模流程，建立了構(gòu)造模型，并運(yùn)用數(shù)據(jù)趨勢分析方法，建立了巖性模型。

　　李青元等[24]從多角度全面總結(jié)了三維地質(zhì)建模技術(shù)的用途、現(xiàn)狀、存在問題、發(fā)展趨勢，并結(jié)合三維建模的現(xiàn)狀提出了“相關(guān)部門應(yīng)對三維地質(zhì)建模示范工程制定總體風(fēng)格、基本內(nèi)容一致，又適合本行業(yè)專業(yè)特點(diǎn)的專用標(biāo)準(zhǔn)”。易宗旺等[25]利用區(qū)域調(diào)查中的地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等各種資料，在三維地質(zhì)建模系統(tǒng)(GeoBIM)平臺中進(jìn)行三維地質(zhì)建模等。

　　劉東升等[26]研發(fā)了巖土材料特征大數(shù)據(jù)管理及分析軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對巖土材料大數(shù)據(jù)實(shí)施收集、傳輸、分類、篩選、管理和統(tǒng)計分析的功能，并結(jié)合重慶地區(qū)收集到的7萬余條典型巖土材料數(shù)據(jù)對該地區(qū)的典型巖土材料特征進(jìn)行分析。由于既往積累的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)相對較分散，盡管總量巨大，但缺乏整合和必要的分析，使得其成為“死數(shù)據(jù)”，未能建立起城市地質(zhì)基礎(chǔ)特征系統(tǒng)，無法為智慧城市規(guī)劃和建設(shè)提供幫助。

　　筆者基于重慶市地勘單位已有的大量巖土勘察與地形地貌數(shù)據(jù)資源，基于大數(shù)據(jù)分析管理和數(shù)據(jù)處理思想，采用大數(shù)據(jù)交匯融合技術(shù)，構(gòu)造重慶市區(qū)域三維地質(zhì)模型，生成了包括地區(qū)地層構(gòu)造及巖土材料參數(shù)值域等基礎(chǔ)特征信息的重慶區(qū)域地質(zhì)條件圖譜。基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像識別方法以及空間統(tǒng)計分析理論和插值方法，綜合利用MATLAB、ArcGIS以及BIM軟件，對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了虛擬地層插入、地層曲面擬合、三維實(shí)體模型生成、局部地形深化處理;采用Bayes參數(shù)估計理論，對工程實(shí)時采集的巖土測試試驗(yàn)參數(shù)采用基于歷史大數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計值進(jìn)行修正，得到了各類不同地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)的期望值。

　　1鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)

　　收集地質(zhì)鉆孔數(shù)量共計3456個。由收集到地質(zhì)鉆孔分布可知，地質(zhì)勘探點(diǎn)主要分布在朝天門區(qū)域。

　　1.1空間幾何參數(shù)

　　根據(jù)鉆孔資料和區(qū)域資料顯示，研究區(qū)域的巖層產(chǎn)狀110°∠6°。地層巖性為砂、泥巖互層，巖層層面裂隙張開，無填充，結(jié)合差，為軟弱結(jié)構(gòu)面。區(qū)域范圍內(nèi)主要有兩組裂隙，其產(chǎn)狀分別為：

　　1)L1產(chǎn)狀170°∠78°，裂隙間距0.8~1.5m，裂面平略呈波狀，裂面多呈黑灰色，無充填，開口1~3mm，局部充填鈣質(zhì)，延伸長約1~3m，貫通性較差，裂隙面均為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差;2)裂隙產(chǎn)狀235°∠81°，裂隙間距1.0~2.5m，裂面粗糙呈波狀，多呈閉合狀，局部開口2~5mm，無充填，貫通性較差，裂隙面均為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差。據(jù)地面調(diào)查及鉆探揭露，部分區(qū)域內(nèi)出露地層巖性有第四系人工填土層、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖及泥巖。

　　1.2物理力學(xué)參數(shù)

　　為揭示擬建模區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、元素組成以及力學(xué)性能，采用傳統(tǒng)鉆孔巖樣試驗(yàn)和基于圖像識別技術(shù)的方法獲取地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)�；�于CT、SEM掃描和三維重構(gòu)技術(shù)的巖樣孔隙率確定，運(yùn)用Avizo8.0軟件對巖樣CT掃描切片進(jìn)行中值過濾、二值化處理和精細(xì)化加工，之后再對每組切片進(jìn)行數(shù)字巖芯重構(gòu)、孔吼模型建立、孔裂隙提取以及孔隙率計算。

　　基于EDS能譜分析技術(shù)對巖樣元素組成規(guī)律進(jìn)行確定。采用Quanta250掃描電子顯微鏡和配套的X射線能譜儀來進(jìn)行巖樣微結(jié)構(gòu)中的元素測定。在每個巖樣切片的掃描電鏡圖像中至少選取3個微結(jié)構(gòu)EDS能譜分析區(qū)，對每個微結(jié)構(gòu)區(qū)均進(jìn)行元素測定分析，將三者的平均值作為最終結(jié)果。

　　基于巖石細(xì)觀圖像深度學(xué)習(xí)的巖性智能識別與分類。采用SN0745-60U2K型2K測量電子顯微鏡進(jìn)行巖樣細(xì)觀圖像拍攝，電子放大倍數(shù)為15~180倍，拍攝圖像像素高達(dá)1600萬，并具備自動尋邊、HDR高動態(tài)、自動存儲等功能，整體上操作簡便，對巖樣物理力學(xué)測試結(jié)果影響小。巖樣端面細(xì)觀圖像經(jīng)細(xì)致篩分后，將其中的70%作為訓(xùn)練集、20%作為驗(yàn)證集、10%作為測試集，分別運(yùn)用Inception-v3、Xception、NASNetLarge和InceptionResNetV2四種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及GoogleNet圖像分類模型，同時結(jié)合Softmax回歸模型等共同構(gòu)建巖(土)性材料的識別模型，并對其進(jìn)行循環(huán)訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

　　Inception-v3深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)展示，該模型首先是3個卷積層，然后連接一個最大池化層，再設(shè)兩個卷積層，再連接一個最大池化層，最后連接11個不同的Inception結(jié)構(gòu)混合層。其余深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不再列出。采用該方法對所采集的4種典型巖樣圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、偏移處理生成深度學(xué)習(xí)的樣本，隨后，基于Inception-v3、Xception、NASNetLarge和InceptionResNetV2四種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用遷移學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)巖石細(xì)觀圖像集分類的深度學(xué)習(xí)模型，最后使用集成學(xué)習(xí)算法，通過加權(quán)評估得出最終的判別結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)巖(土)性材料圖像特征的提取與識別，并對其進(jìn)行自動、高效、可靠地分類。

　　在訓(xùn)練過程中，對訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中的巖石圖像分別進(jìn)行了檢驗(yàn)評估。訓(xùn)練結(jié)果顯示：Inceptionv3深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在循環(huán)訓(xùn)練1000次后，其訓(xùn)練集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率達(dá)到92.77%，驗(yàn)證集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為76.31%;Xception深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在循環(huán)訓(xùn)練300次后，其訓(xùn)練集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為93.30%，驗(yàn)證集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為78.27%。

　　NASNetLarge深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在循環(huán)訓(xùn)練300次后，其訓(xùn)練集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為90.52%，驗(yàn)證集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為74.74%;InceptionResNetV2深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在循環(huán)訓(xùn)練300次后，其訓(xùn)練集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為90.81%，驗(yàn)證集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率為78.81%。經(jīng)加權(quán)評估后，最終訓(xùn)練集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率將達(dá)到95%以上，驗(yàn)證集中的巖石細(xì)觀圖像分類準(zhǔn)確率高于80%。相比于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該深度學(xué)習(xí)方法通過圖像像素點(diǎn)組成深度學(xué)習(xí)的輸入層，利用多個深度可分離卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建復(fù)雜的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最終得到的模型在巖石巖性的識別與分類上具有更高的魯棒性和泛化能力。此外，集成學(xué)習(xí)算法的運(yùn)用顯著提高巖石細(xì)觀圖像分類的準(zhǔn)確率，使得巖性判別結(jié)果更加可信。

　　2地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與建模

　　2.1三維地質(zhì)空間幾何數(shù)據(jù)分析與建模

　　為了解決數(shù)據(jù)與成本的矛盾，基于空間統(tǒng)計分析理論選擇合適的插值方法，利用有限的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合其他相對準(zhǔn)確、精度較高的高程數(shù)據(jù)。常用的空間插值方法有三角剖分法、距離倒數(shù)加權(quán)法、最小曲率法、最近鄰點(diǎn)法、Kriging方法，其中，Kriging方法通過引進(jìn)以距離為自變量的半變差函數(shù)來計算權(quán)值，由于半變差函數(shù)既可以反應(yīng)變量的空間結(jié)構(gòu)特性，又可以反映變量的隨機(jī)分布特性，利用Kriging方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值往往可以取得理想的效果。

　　另外，通過設(shè)計變差函數(shù)，Kriging方法很容易實(shí)現(xiàn)局部加權(quán)插值，克服了一般距離加權(quán)插值結(jié)果的不穩(wěn)定性。因此，采用Kriging插值對地質(zhì)巖性進(jìn)行預(yù)測。利用單一軟件進(jìn)行三維地質(zhì)建模會存在一些弊端，導(dǎo)致一些缺陷，無法完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。因此，綜合利用MATLAB、ArcGIS以及BIM軟件進(jìn)行精細(xì)化三維地質(zhì)建模。

　　2.2空間幾何模型與物理力學(xué)參數(shù)模型的融合

　　地質(zhì)數(shù)據(jù)多源性是三維地質(zhì)建模最大的特點(diǎn)，模型構(gòu)建的關(guān)鍵是將這些數(shù)據(jù)有效地融合以提高模型的應(yīng)用效率，指導(dǎo)工程設(shè)計。因此，在分別建立了三維地質(zhì)的空間幾何模型和物理力學(xué)參數(shù)模型后進(jìn)行數(shù)據(jù)的交匯融合，形成既包含幾何信息又包含物理信息的三維地質(zhì)模型。在數(shù)據(jù)交匯融合的過程中，涉及多方面的技術(shù)問題，具體而言包括統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例尺、地表和地下數(shù)據(jù)的有效融合，以及主要數(shù)據(jù)和次要數(shù)據(jù)的有效融合等問題，主要包括：

　　1)統(tǒng)一所有具有多源、多尺度、多分辨率的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例尺，構(gòu)建可以作為后期模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)源和約束數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫;2)基于地表填圖和遙感解譯的地質(zhì)數(shù)據(jù)以及鉆孔、中段平面圖、勘探線剖面圖、物探解譯的深部地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合和插值處理;3)覆蓋整個建模區(qū)并足以構(gòu)建模型的主要數(shù)據(jù)和次要數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的有效融合。

　　3典型區(qū)域三維地質(zhì)模型

　　3.1空間幾何模型建模及深化處理

　　基于空間統(tǒng)計分析理論，在ArcGIS軟件中通過插值分析得到地層模型。為便于在Civil3D中建模，將建立的三維雜填土、砂巖以及泥巖地層模型轉(zhuǎn)換為等高線模型輸出。

　　4結(jié)論

　　1)利用大量的巖土材料勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源，結(jié)合先進(jìn)的巖土參數(shù)試驗(yàn)方法、圖像識別及機(jī)器學(xué)習(xí)方法對巖土材料物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)分析管理和數(shù)據(jù)處理思想，采用大數(shù)據(jù)交匯融合技術(shù)，將試驗(yàn)和收集所得的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)(幾何數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù))進(jìn)行分類篩選�；�于已有鉆孔數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)插值方法對空白區(qū)虛擬鉆孔的幾何特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推送，有效生成了虛擬數(shù)字鉆孔。

　　2)基于已有的巖土材料試驗(yàn)測試試驗(yàn)參數(shù)，利用貝葉斯理論對空白區(qū)同類巖性材料的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計，可獲得相應(yīng)的巖土材料物理力學(xué)參數(shù)估計值，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)融合中巖土材料參數(shù)不足的問題。

　　3)利用實(shí)際獲取和計算生成的鉆孔地質(zhì)特征數(shù)據(jù)，從幾何特征和物理特征兩方面進(jìn)行大數(shù)據(jù)融合進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，得到了一定區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)巖層特征的三維空間分布及物理力學(xué)特征完整表達(dá)模型，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地層結(jié)構(gòu)特征描述的數(shù)字化和可視化。

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　　作者：劉漢龍1，章潤紅2，劉東升3，仉文崗1,2

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