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(dòng)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(xiǎn)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(jì)、圖像識(shí)別方法以及空間統(tǒng)計(jì)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(duì)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(jì)理論，采用基于歷史大數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計(jì)值對(duì)工程實(shí)時(shí)采集的巖土測(cè)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(shí)別;地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù);Bayes參數(shù)估計(jì)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(kāi)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(duì)城市地質(zhì)特征進(jìn)行描述對(duì)智慧城市的建設(shè)尤為重要。近年來(lái)，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(guó)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(wèn)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(jì)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(lái)，隨著計(jì)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(chǔ)、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(duì)地質(zhì)對(duì)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(duì)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(kāi)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(guó)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(duì)于城市地質(zhì)而言，三維地質(zhì)建模對(duì)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(lái)，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(lái)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(gè)內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的、建模難度較小的地質(zhì)單元，為開(kāi)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(yáng)區(qū)某建筑場(chǎng)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(lái)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(lè)山典型背斜構(gòu)造區(qū)為建模研究對(duì)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(shì)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(wèn)題、發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合三維建模的現(xiàn)狀提出了“相關(guān)部門應(yīng)對(duì)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(tái)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(duì)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(jì)分析的功能，并結(jié)合重慶地區(qū)收集到的7萬(wàn)余條典型巖土材料數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)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(wú)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�；�于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖像識(shí)別方法以及空間統(tǒng)計(jì)分析理論和插值方法，綜合利用MATLAB、ArcGIS以及BIM軟件，對(duì)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(jì)理論，對(duì)工程實(shí)時(shí)采集的巖土測(cè)試試驗(yàn)參數(shù)采用基于歷史大數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計(jì)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(jì)3456個(gè)。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(kāi)，無(wú)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(wú)充填，開(kāi)口1~3mm，局部充填鈣質(zhì)，延伸長(zhǎng)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(kāi)口2~5mm，無(wú)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(shí)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(duì)巖樣CT掃描切片進(jìn)行中值過(guò)濾、二值化處理和精細(xì)化加工，之后再對(duì)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(jì)算。

　　基于EDS能譜分析技術(shù)對(duì)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(lái)進(jìn)行巖樣微結(jié)構(gòu)中的元素測(cè)定。在每個(gè)巖樣切片的掃描電鏡圖像中至少選取3個(gè)微結(jié)構(gòu)EDS能譜分析區(qū)，對(duì)每個(gè)微結(jié)構(gòu)區(qū)均進(jìn)行元素測(cè)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(shí)別與分類。采用SN0745-60U2K型2K測(cè)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(wàn)，并具備自動(dòng)尋邊、HDR高動(dòng)態(tài)、自動(dòng)存儲(chǔ)等功能，整體上操作簡(jiǎn)便，對(duì)巖樣物理力學(xué)測(cè)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(cè)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(shí)結(jié)合Softmax回歸模型等共同構(gòu)建巖(土)性材料的識(shí)別模型，并對(duì)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(gè)卷積層，然后連接一個(gè)最大池化層，再設(shè)兩個(gè)卷積層，再連接一個(gè)最大池化層，最后連接11個(gè)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(duì)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(guò)加權(quán)評(píng)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(shí)別，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)、高效、可靠地分類。

　　在訓(xùn)練過(guò)程中，對(duì)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(píng)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(píng)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(guò)圖像像素點(diǎn)組成深度學(xué)習(xí)的輸入層，利用多個(gè)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(shí)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(jì)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(duì)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(guò)引進(jìn)以距離為自變量的半變差函數(shù)來(lái)計(jì)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(guò)設(shè)計(jì)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(duì)地質(zhì)巖性進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用單一軟件進(jìn)行三維地質(zhì)建模會(huì)存在一些弊端，導(dǎo)致一些缺陷，無(wú)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(jì)。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(guò)程中，涉及多方面的技術(shù)問(wèn)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(wèn)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(kù);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(gè)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(jì)分析理論，在ArcGIS軟件中通過(guò)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(shí)別及機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)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(duì)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(cè)試試驗(yàn)參數(shù)，利用貝葉斯理論對(duì)空白區(qū)同類巖性材料的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，可獲得相應(yīng)的巖土材料物理力學(xué)參數(shù)估計(jì)值，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)融合中巖土材料參數(shù)不足的問(wèn)題。

　　3)利用實(shí)際獲取和計(jì)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]童亮.GOCAD在某橋基三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.TONGL.Thestudyonapplicationofthree-dimensionalmodelinginabridge'sfoundationbyusingthesoftwarenamedGOCAD[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2009.(inChinese)

　　[2]張洋洋,周萬(wàn)蓬,吳志春,等.三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建模實(shí)例[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2013,32(3):403-409.ZHANGYY,ZHOUWP,WUZC,etal.Thedevelopmentstatusof3Dgeologicalmodelingtechnologyandmodelinginstances[J].JournalofEastChinaInstituteofTechnology(SocialScience),2013,32(3):403-409.(inChinese)

　　[3]AKPOKODJEEG.Theengineering-geologicalcharacteristicsandclassificationofthemajorsuperficialsoilsoftheNigerDelta[J].EngineeringGeology,1987,23(3/4):193-211.

　　[4]DASSARGUESA,BIVERP,MONJOIEA.GeotechnicalpropertiesoftheQuaternarysedimentsinShanghai[J].EngineeringGeology,1991,31(1):71-90.

　　[5]ZHULF,ZHANGCJ,LIMJ,etal.Building3Dsolidmodelsofsedimentarystratigraphicsystemsfromboreholedata:anautomaticmethodandcasestudies[J].EngineeringGeology,2012,127:1-13.

　　作者：劉漢龍1，章潤(rùn)紅2，劉東升3，仉文崗1,2

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