1引言

水利水电工程地质勘察周期长达数年之久，积累了大量的过程数据资产与成果资产。但这些资产分布零散，很难生成系统性的数字化成果^[1]。此外，目前工程地质勘察仍主要依靠纸质记录及二维图纸的生产方式进行生产，为此需要投入高于勘察市场要求的的人力与时间，难以满足日益紧张的勘察周期要求^[2][3]。

数字孪生是以数字化方式创建物理世界的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段^[4]。将数字孪生技术应用到地质勘察中，通过物联网技术实现工程项目地质勘察现场物理空间的感知与数据传输；通过三维实景技术与地质三维模型实现虚拟空间对真实物理空间的仿真模拟；通过人工智能算法等实现虚拟空间与物理空间的动态交互，从而实现从勘察外业数据采集与传输、数据存储与分析、三维地质建模、数据仿真与分析等勘察生产全过程的数字化，实现基本Bentley的数字孪生技术在勘察中的全方位应用。

2 Bentley数字孪生解决方案

数字孪生技术作为物理世界与虚拟世界数据实时交互、互相映射与融合的有效方式，使地质数据在实现无纸化与数字化的情况下，在实际地质生产工序之间紧密衔接、充分共享，解决了地质原始数据采集难点大、数据格式不一致、各环节的业务难以快速有效协同、缺乏统一实用的信息系统支撑等难题^[5]。

在工程地质数字孪生解决方案的软件及平台支撑方面，Bentley系列软件基于一个模型、一个平台、一个数据架构，具有良好的通用性与数据兼容性，在行业中得以广泛应用。具体而言，Bentley以MicroStation为基础图形平台、以ProjectWise为协同作用平台，形成了工程测绘（ContextCapture、Pointools及Descartes等软件）、地质勘察（gINT等软件）、岩土体设计分析（PLAXIS系列软件）、综合应用（LumenRT、AssetWise、Navigator等软件）为一体的数字化解决方案，为地质业务数据深度处理、地质软件开发应用和地质信息综合服务提供了高效的数字化应用平台，可较为全面满足工程地质生产数字化总体需求。

2.1方案的提出

将数字孪生技术应用到地质勘察中，利用数字化地质测绘技术与三维地质模型创建出真实工程区物理空间的虚拟实体，三维动态揭示工程区复杂的地质条件，为关键地质问题的模拟、分析、决策提供高保真的仿真场景，提高地质人员对地质体的认知，辅助设计人员对地质体的理解；通过高精度定位、移动互联等物联网技术实现工程项目地质勘察现场物理空间的感知与数据传输，进而实现地质物理实体与数字空间的双向映射、互相交互，随勘察阶段的不断深入及勘察数据的丰富，逐步提高地质数字孪生体的数据集成；通过三维地质建模动态更新、岩土数值计算分析等手段，不断提高地质数字孪生体仿真分析的精度，从而实现在勘察全过程中对地质条件认识的不断优化、预测。最终通过数字化交付的方式，将整个过程形成固定资产，如图1所示。

图1地质勘察数字孪生解决方案

2.2 技术路线

综合考虑地质勘察工作的总体需求，将基于Bentley的数字孪生技术服务于地质勘察工作，如图2所示，实现了勘察资料入库、外业数字化采集、内业数字化整理、三维地质成果、三维仿真分析、数字化交付等勘察生产全过程的数字化，有效避免了传统的手工填写数据表单和手绘二维图件导致的数据不直观、编录效率低、无法实时校核编录数据等弊端。

在工程地质虚拟环境的搭建中，主要利用ContextCapture、Pointools及Descartes进行实景建模及处理，基于MicroStation自主开发的三维地质建模系统完成了地质模型的建立，通过GEOPAK进行模型开挖模拟，在PLAXIS等软件中分析了地质体及坝体的力学特性，将地质三维成果在ProjectWise中与多专业进行协同设计，并在B/S端进行了数字化交付。

图2基于Bentley的地质数字孪生方案实施技术路线

此外，为更好满足勘察生产需求，中水北方勘测设计研究有限责任公司充分利用三维GIS、无人机倾斜摄影、工程数据库、三维地质建模等现代信息技术，进行了深度研发^[6]（如图3所示）：基于GIS平台研发了数字化采集模块，即三维地质数字化采集软件（桌面端）与数字化地质测绘软件（移动端），用于进行数字化地质测绘工作；基于SQL Server研发了三维地质信息数据软件用于进行地质数据的管理与分析；基于MicroStation研发了三维地质建模及出图软件，将前期勘察数据进行三维地质建模，建立起三维地质环境中核心的数字孪生体；更进一步，在MicroStation平台上完成与CAE软件的集成，完成了大型复杂三维地质模型快速转化为CAE模型，通过二次开发将相关仿真计算过程固化，形成标准化、自动化的计算流程，为地质勘察虚拟世界指导物理世界提供算力支撑。

图3基于数字孪生技术的研发产品

2.3实施流程

勘察工作利用基于Bentley的工程地质勘察数字孪生解决方案，具体项目应用时，主要分为三维数字化采集、地质数据管理、三维地质建模与仿真分析、数字化交付等内容，如图4所示。

图4 地质勘察数字孪生技术实施流程图

3 关键技术说明

3.1基于三维实景的数字化地质测绘技术

目前，工程地质测绘仍主要以纸质图纸、手工记录、人工室内二次整理资料的方式进行生产，存在携带设备多、数据采集完整性差、多专业资料共享难等问题，造成整体工作效率低下，且易存在人为错误，工作模式可追溯性差，信息化和标准化程度低。基于三维实景的数字化地质测绘，通过在高精度三维实景上快速提取地质点、线等信息，实现了地质测绘的内外业一体化、图库一体化，有效解决了上述问题。

首先，利用ContextCapture生成高精度大比例三维实景模型，建模流程如图5所示。三维实景建模以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知工程区复杂的地质场景，形象直观反映地物的外观、位置、高度等属性；可应用于外业地质编录，如对地质结构进行识别、提取、拟合、产状分析等；也可快速定位不良地质现象，如通过三维实景展现危岩体、滑坡、泥石流等地质灾害的空间分布，量测影响范围、分析体积方量、监测灾害动态等。总之，三维实景模型为充分展示复杂地质条件真实效果和测绘级精度提供了保证。

图5 三维实景生成流程图

其次，将高精度的三维实景模型以.osgb格式导入数字化采集模块，模块中集成软硬件设备，形成桌面端与移动端两大软件，按照“先内业—后外业—再内业”的工作模式，主要完成外业数据的便捷采集、管理、分析、处理等工作，如图6所示。

图6数字化采集模块工作模式

具体而言，在工程地质测绘时，可将前期收集到的纸质图纸、CAD矢量图纸、GIS数据等资料通过影像纠偏、坐标配准等手段进行标准化，并基于遥感卫片或区域地质图绘制出初始的地质界线等地质要素，集成多种图源制作成数字化的融合底图。基于移动端的融合底图、高精度定位等功能辅助地质人员快速定位到初始的地质界线附近，并通过野外对地质现象的判断复核修正相应的地质界线，完善对工程区某工程部位的认识，并逐步形成对整个工程区的整体地质条件的正确认识。对工程区整体的认识又可反过来验证和提高对工程区局部地质条件的认知水平（见图7）。

图7数字化地质测绘工程应用思维导图

最终，通过在GIS平台上融合ContextCapture生成的高清晰三维实景模型，还原了满足地质测绘需求的三维地质环境，构建起数字化地质测绘的基础，实现了地质测绘从纸质向电子、从二维到三维、从单一到多源和从分散到集成的转化，使测绘工作向着科技含量更高、自动化程度更强的大数据方向发展。

3.2 基于MicroStation的三维地质建模软件研发

三维地质模型是复杂地质条件的三维可视化，是工程地质信息的重要承载者，构成了工程地质勘察数字孪生体。MicroStation具有强大的建模能力及通用便捷的二次开发接口，为三维地质建模方面的专业研发提供了平台支撑。

首先，为满足工程地质勘察领域生产的具体要求，在用户和MicroStation的二次开发接口之间建立一个公开的开发框架。在这个开发框架中充分使用MicroStation提供的EC和XA技术来进行“工程模型”的数据存储；使用Handler技术来进行“工程模型”的绘制以及各种图形模型的编辑；使用Dependency技术来完成“工程模型”各个图形之间的关联感知；在框架中设立“工程模型（HchxXAObject）”。围绕这个“工程模型（HchxXAObject）”，优化并利用MicroStation提供的大多数图元接口以及逻辑，即采用全新的更易用的接口去实现HchxXAObject的创建、删除、修改、显示等过程。框架内部将对该HchxXAObject对应的各种“几何模型”进行管理，也就是HchxXAObject中将记录所有的图形。当创建一个“工程模型”的时候，需要自动创建和这个“工程模型”相关的所有的“几何模型”，同样的，修改，删除等各种对“几何模型”的操作，将会由框架对其所属的“工程模型”下的其它所有的相关“几何模型”进行自动操作。

其次，三维地质建模软件架构采取三层结构，即数据、业务逻辑和交互。基础框架分为五个部分，如图8所示，分别为视图交互类库、地质数据类库、自定义元素类库、几何库、核心库。

图8三维地质建模软件基础框架

最终，三维地质建模软件基于MicroStation  API，采取Managed C++和Native C++混合编程，并利用Winform作为交互界面，融合优化的网格曲面生成算法、数模联动技术、二三维联动技术等核心技术，实现了基于数据驱动的正向三维地质建模。

3.3 CAD/CAE数值仿真及数字化交付

3.3.1 CAD/CAE数值仿真

BIM软件所建立的三维地质模型因复杂性、数据结构不兼容等原因，无法将其直接转化为CAE计算模型，而且网格数量多达几十万甚至上百万之多，在转化为CAE模型之前，对地质网格进行粗化是不可或缺的前提工作。在工程地质三维设计方面，集合BIM/CAE两大体系的优势，完成对地质勘察设计整个过程的优化，可大大加快设计的周期及提高设计质量。

首先，为更好实现工程地质CAD/CAE一体化，并使其能够有更为广泛的适用性，根据现有BIM/CAE平台数据特征，建立了专用的三维数值仿真软件接口数据集数据结构。

该数据结构的建立为数据集功能实现和扩展奠定了良好的基础，数据按层次划分为点、线、面、单元、体、模型六个层次，具体如图9所示。

图9三维数值仿真软件接口数据集数据结构

其次，建立了完整空间几何元素之间的求交运算，为空间几何元素预处理模块提供了基础计算工具，提出了基于kriging差值算法的多边形网格重构技术和空间曲面综合产状计算方法。

然后，提出了基于矩阵表达式的二维、三维块体自动生成算法，实现了基于空间曲面的三维几何模型生成；并基于Delaunay 三角剖分提出了四面体网格生成算法。

最终，在MicroStation中实现了CAE计算文件自动生成和调用和展示功能。

3.3.2 数字化交付

勘察成果数字化过程涉及计算机、GIS、测量、勘察、航飞、建模等多专业。数据成果包括地形测量数据、地质测绘数据、实景建模数据、勘探数据等。这些成果通过地质数据库进行管理，并通过三维地质建模软件进行可视化。

数字化交付系统基于B/S架构开发，前端GIS渲染引擎使用了当前流行的基于WebGL的Cesium框架；后台基于SpringBoots，结合GDAL，以地理信息数据模型为依托，实现了地形分析、三维地质模型分析和地质成果分析的功能。

具体操作过程为：将MicroStation中的三维地质模型的几何信息和属性信息通过研发的插件PowerBIM无损导入信息系统中。信息系统功能包括数据管理、成果展示和辅助分析三个模块。辅助分析实时展示地质数据的变化和模型的动态更新，如钻孔的增加带来的数据增加和模型局部改动。

4项目实践

4.1 项目概述

西藏PZ水利枢纽为大（2）型水利工程，工程等别为Ⅱ等。工程主要建设任务是保证下游3.95万亩灌区灌溉需求、向流域及周边缺电地区提供电力，结合城乡供水，并为改善区域生态环境创造条件。枢纽主要由挡水、泄水、发电、供水等部分构成。大坝采用沥青混凝土心墙砂砾石坝。坝顶高程4329.00m，坝长613.50m，最大坝高108.0m。

工程建设受复杂区域条件影响，地质勘察不利因素多：地质条件复杂，地质构造发育，地质数据获取过程繁琐；地质勘察人员及工期紧张，传统勘察方式难以满足进度要求；位于高寒、高海拔地区，勘察环境恶劣，工作开展难度大；外业地质测绘区域广，测绘点、线状展开，整体性与系统性差；生态环境脆弱，水土保持及环境保护要求高。勘察工作利用基于Bentley的工程地质勘察数字孪生解决方案，走通了勘察全过程数字化的技术路线，实现了地质勘察三维正向设计，保证了勘察工作的顺利开展。

4.2具体应用

4.2.1三维数字化采集

面对工程区高寒、高海拔及人工测绘难度大等问题，通过基于三维实景的数字化地质测绘技术高效完成了测绘任务。具体实施过程为：j对工程区进行高精度无人机倾斜摄影，获取高清晰图片；k将无人机采集的图像导入ContextCapture三维实景建模软件，软件通过空三计算、重建阶段的参数设置等计算过程，输出结果为三维实景模型，能够满足大比例地质测绘需求；l将三维实景模型导入三维地质数字化采集系统桌面端（简称“桌面端”），形成初步的融合底图；m在移动终端实现地质点、钻孔、地质界线线的外业数字化采集；n在桌面端完成地质勘测内业数据的整理、分析，形成数字化的地质外业成果，如图10所示。

图10 基于三维实景的数字化测绘成果

4.2.2坝址区三维地质建模

坝址区出露地层分别为白垩系昂仁组第一段（K_1-2a¹）地层、第四系（Q）松散堆积物及侵入岩，其中，K_1-2a¹根据地层岩性、沉积韵律并结合岩体的工程地质特征，大致可分为8个工程地质岩组（层），即K_1-2a^1-X1~ K_1-2a^1-X8。通过三维地质建模，将覆盖层、岩性（层）等进行了三维可视化展示，并利用二三维联动技术修正网格面，动态更新三维地质模型。当模型固化后，通过布尔运算，生成坝址区三维地质体模型，如图11所示，为工程决策提供地质条件支撑。

图11坝址区三维地质模型

4.2.3数值仿真分析与数字交付

通过基于MicroStation开发的CAD/CAE数值仿真程序，将建立好的三维地质模型快速转化为含高保真地质信息的三维数值计算模型，为工程重要部位岩土体的变形与稳定性进行力学分析，为水工设计及时便捷的提供定性分析。图12展示了料场边坡CAD/CAE数值仿真计算结果在MicroStation“光滑-缺省”及“消隐-缺省”两种显示样式下的展示方式。

图12料场边坡CAD/CAE数值仿真分析

在对工程区地质数字孪生平台建设时，利用三维仿真技术、BIM、GIS技术，构建全场景数字化平台，搭建真实的三维数字场景，结合勘察布置、水工方案，形成基础工作平台，使管理决策在可视化状态中进行，支撑多专业协同工作的动态化、精细化和科学化，服务于工程各参建方，平台界面如图13所示。

图13项目数字孪生系统展示界面

4.3应用成效

基于Bentley平台的数字孪生地质勘察技术首次在本项目勘察全过程得到了应用，实现了地质信息的数字化采集、存储、数据驱动、参数化建模、模型动态更新的地质勘察三维设计，通过表1分析可知，方案提高工程地质专业内外业的工作效率，提升了地质勘察工作的精准度与可靠度，使勘察总体设计效率比目前的状态提升至少60%，极大提升了勘察的生产效率与产品质量，降低了生产成本。

表1数字孪生方案与传统方式成效对比分析表

5小结

基于Bentley的数字孪生方案为勘察搭建了三维数字化场景，使勘察全过程具备了三维可视化仿真分析能力，降低了地质勘察工作的难度、保障了勘察质量，可显著降低工程成本；同时，数字化勘察有助于提升地质数据的利用率，减少环境破坏，保障绿色施工，有着明显的生态效益；此外，方案建立的数字化平台能够促进勘察工作时的有效沟通，形成信息共享、开放的协同设计环境，为用户提供一体化多方位的决策支持服务，大幅提升工程勘测设计服务水平。

面对工程数字化、信息化及智能化建设蓬勃发展的大趋势，仍需深化基于Bentley的地质勘察数字孪生方案在生产各环节中数字化快速作业技术路线，不断提升在地质数据外业智能采集、地质数据管理与挖掘、地质成果三维可视化展示与分析、地质资源跨平台全面共享等业务方面的应用，在地质生产理念和管理模式上进行转变和创新。

参考文献:

[1]李进敏，朱夏甫. 浅谈工程地质内外业一体化平台的研究[J].水利规划与设计，2018，2018(02)：81-84.

[2]杨顺群，郭莉莉，刘增强.水利水电工程数字化建设发展综述[J],2018,37(08):75-84.

[3]齐菊梅.工程勘察数字采集信息系统[C]. 中国水利水电勘测设计协会.水利水电工程勘测设计新技术应用.北京：中国水利水电出版社，2018：498-504.

[4]陶飞，刘蔚然，刘检华等，数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018,1(24):1-18.

[5]王国岗，赵文超，陈亚鹏等. 浅析数字孪生技术在水利水电工程地质的应用方案[J].水利技术监督，2020，5:309-315.

[6]赵文超,王国岗,陈亚鹏.水利水电工程三维地质勘察系统研发综述[J].中国水利,2021,(20):46-49.

作者简介：陈亚鹏（1969-），男，教高，主要从事工程地质勘察方面的工作，E-mail：chen_yp@bidr.com.cn

作者简介：王国岗（1988-），男，硕士研究生，工程师，主要从事工程地质勘察及地质三维信息化研究工作。联系电话：13662110849；E-mail:121213153@qq.com。