GIS發(fā)展對(duì)巖土工程的影響

鄧賢國(guó) 裴桂紅

(西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都610500)

GIS的發(fā)展與測(cè)繪科學(xué)的發(fā)展水平息息相關(guān)，對(duì)它的定義至今尚沒有國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)科和領(lǐng)域?qū)IS的定義有所差別.陳述彭等將GIS定義為:由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的，通過對(duì)地理數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識(shí)，為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策服務(wù)的系統(tǒng)[1].我國(guó)GIS在巖土工程中的運(yùn)用雖然較晚，但是它的發(fā)展卻相當(dāng)迅速，極大的促進(jìn)了巖土工程的信息化.隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，尤其是“十一五”期間公路、鐵路，大壩、跨海橋隧等數(shù)量眾多的大型項(xiàng)目的上馬，GIS已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害、地下工程、工程預(yù)測(cè)等方面.由于工程建設(shè)的需要，GIS在巖土工程中的運(yùn)用越來越廣泛，同時(shí)GIS技術(shù)本身的發(fā)展也使GIS對(duì)巖土工程影響也越來越深.我國(guó)GIS運(yùn)用于巖土工程主要開始于20世紀(jì)80年代，在此期間GIS的發(fā)展經(jīng)歷了解析測(cè)繪、數(shù)字化測(cè)繪和信息化測(cè)繪三個(gè)階段，不同測(cè)繪階段GIS有著不同的發(fā)展水平和特點(diǎn)，在巖土程工中的運(yùn)用以及對(duì)巖土工程的影響也大不相同.尤其是現(xiàn)在我國(guó)正處于信息化測(cè)繪發(fā)展階段，GIS在測(cè)繪中的地位越顯突出，它推動(dòng)著各行各業(yè)信息化的迅速發(fā)展，為巖土工程信息化的發(fā)展提供了一個(gè)重要的時(shí)機(jī).

1 解析測(cè)繪階段GIS技術(shù)開始運(yùn)用于巖土工程

20世紀(jì)80年代至90年代初，我國(guó)測(cè)繪技術(shù)處于解析測(cè)繪階段，在此期間光電測(cè)量?jī)x器大量使用，航測(cè)技術(shù)從模擬攝影測(cè)量向解析攝影測(cè)量發(fā)展，機(jī)助制圖技術(shù)廣泛應(yīng)用，我國(guó)地理信息系統(tǒng)技術(shù)起步并得到較快發(fā)展，人們開始將GIS的理念和方法運(yùn)用到巖土工程實(shí)踐當(dāng)中.1993年龐忠和、鄔倫以廣東花縣芙蓉嶂地區(qū)新構(gòu)造研究為例，將GIS方法與遙感技術(shù)及傳統(tǒng)地質(zhì)方法相結(jié)合，綜合研究了我國(guó)南方花崗巖地區(qū)新構(gòu)造[2].這一階段我國(guó)開始了利用GIS技術(shù)研究和解決巖土工程問題，從此我國(guó)巖土行業(yè)逐漸走向數(shù)字化、信息化.但是，當(dāng)時(shí)我國(guó)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)才起步，GIS和計(jì)算機(jī)人才也相對(duì)較少，GIS理念還未流行，為解決巖土工程問題而開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)很少也比較落后，很多關(guān)于利用GIS技術(shù)解決巖土問題的方法，大多還僅停留在理論的研究階段，并未真的利用到實(shí)際生產(chǎn).

2 數(shù)字化測(cè)繪階段GIS對(duì)巖土工程的影響

2.1 數(shù)字化測(cè)繪階段GIS技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)90年代我國(guó)測(cè)繪技術(shù)處于數(shù)字化測(cè)繪階段.所謂數(shù)字化測(cè)繪就是指測(cè)繪工作生產(chǎn)過程的數(shù)字化、測(cè)繪產(chǎn)品形式的數(shù)字化和測(cè)繪保障的數(shù)字化，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化.這個(gè)時(shí)期“3S”技術(shù)(遙感 RS、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS)迅速發(fā)展，形成了“3S”集成技術(shù)，此間，GIS實(shí)現(xiàn)功能的提升化，管理數(shù)據(jù)的海量化.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取變得容易起來，在此期間我國(guó)建成了1:1000 000、1:250 000和1:50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，為GIS系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持.隨著 GIS的發(fā)展，其理念越來越為人所了解，GIS技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛運(yùn)用和發(fā)展，GIS人才層出不窮，專業(yè)GIS人員開始研究GIS在其他行業(yè)的應(yīng)用，而其他行業(yè)中很多工程技術(shù)人員也越來越注重利用GIS來解決本行業(yè)問題.在GIS軟件平臺(tái)方面，我國(guó)不但引進(jìn)國(guó)外具有代表性的專業(yè)軟件如:ArcGIS、MapInfo、Geo－Media、MGE等，還研制出了大量具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GIS軟件平臺(tái)，其中具有代表性的有Supermap、MapGIS、GeoStar、TopMap、VRMap 等，GIS 軟件平臺(tái)變的豐富起來.

2.2 數(shù)字化測(cè)繪階段GIS促使巖土工程信息化、

可視化的出現(xiàn)和運(yùn)用

數(shù)字化測(cè)繪階段GIS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高水平，GIS人才充裕，軟件平臺(tái)發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取方便，GIS在巖土工程中的運(yùn)用逐漸發(fā)展和成熟起來.隨著GIS在巖土工程中應(yīng)用的加強(qiáng)，巖土工程信息化和可視化越來越明顯，對(duì)具體巖土工程數(shù)據(jù)的管理、分析、處理變得越來越自動(dòng)化、清晰化[3].GIS在工程勘察管理、環(huán)境評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害、工程預(yù)測(cè)、工程專家系統(tǒng)等方面得了廣泛的運(yùn)用并取得了巨大的工程效益.

1)GIS與工程勘察管理

已有的工程勘察資料對(duì)后續(xù)的勘察、設(shè)計(jì)、規(guī)劃都有著十分重要的作用.它在一定程度上能夠宏觀地描述區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)情況，提供一定的地形地貌數(shù)據(jù)及其人文環(huán)境等信息.這些信息能夠?yàn)槌蹩碧峁┲匾膮⒖夹畔ⅲ屛覀兊某蹩本哂兄笇?dǎo)性，從而提高初勘的效果.對(duì)一些一般意義的工程，我們甚至可以根據(jù)現(xiàn)有的勘察信息直接制定詳細(xì)的勘察方案.因此，充分收集和利用現(xiàn)有勘察資料進(jìn)行分析和處理，可以更好的指導(dǎo)勘察工作，節(jié)省大量的人力物力，提高工作效率.由于，GIS既可以組織管理海量數(shù)據(jù)，又能進(jìn)行空間地理信息的分析和處理，因此收集區(qū)域內(nèi)各種勘察資料，利用GIS平臺(tái)建立一個(gè)區(qū)域巖土工程勘察系統(tǒng)具有十分重要的意義.這個(gè)系統(tǒng)不僅能描述區(qū)域內(nèi)的巖土工程概況，而且具有分析功能，能幫助人們?cè)诳辈煸O(shè)計(jì)、區(qū)域規(guī)劃等方面迅速地作出適當(dāng)?shù)臎Q策.現(xiàn)在很多的部門和單位在這方面做出了大量相關(guān)的研究并取得了很好的成果.杜大宗建立了大慶油田巖土工程地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有巖土工程勘察資料的實(shí)時(shí)處理、分類存儲(chǔ)、查詢檢索、綜合統(tǒng)計(jì)功能.用戶可方便地進(jìn)行圖形和屬性的雙向查詢，數(shù)據(jù)的空間分析.該系統(tǒng)在大慶油田區(qū)域規(guī)劃，大型產(chǎn)能和化工項(xiàng)目的選址，地下輸油輸氣管道防腐，建立大慶典型地層模型等方面產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4].

2)GIS與環(huán)境評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害

環(huán)境變化、地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素都與其空間位置的分布密切相關(guān).利用GIS技術(shù)管理其相關(guān)信息并進(jìn)行空間分析既能幫助人們很好的了解其現(xiàn)狀，又能根據(jù)各個(gè)影響因素建立相關(guān)模型，對(duì)環(huán)境變化和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展從不同空間和時(shí)間尺度作出定量或半定量地評(píng)價(jià)，從而作出環(huán)境變化和災(zāi)害發(fā)生的超前預(yù)報(bào)，幫助制定優(yōu)化的防災(zāi)減災(zāi)方案.陶麗娜、唐勝傳等利用組件式GIS技術(shù)開發(fā)了了邊坡支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將地理信息、工程技術(shù)等有機(jī)地融為一體，不但能對(duì)公路沿線邊坡進(jìn)行管理，還能對(duì)邊坡模型進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的治理方案[5].李娜、高德政基于GIS技術(shù)，利用層次分析法對(duì)嘉陵江上游地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為科學(xué)的開發(fā)嘉陵江流域自然資源，合理利用與保護(hù)開發(fā)地質(zhì)環(huán)境，開展對(duì)該流域地質(zhì)災(zāi)害防治及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，提供了重要參考依據(jù)[6].李明霞、李玉起等借助GIS相關(guān)理論和方法，以ArcGIS軟件為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域的砂土液化分級(jí)預(yù)測(cè)，為基于有限資料下的大區(qū)域砂土液化判別及預(yù)測(cè)提供了可行有效的途徑[7].1998年底開展的國(guó)土資源大調(diào)查，進(jìn)行了“地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)及防治決策支持系統(tǒng)”的開發(fā)研究，該系是一個(gè)面向全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和評(píng)價(jià)的綜合信息系統(tǒng)[8].

3)巖土工程GIS專題系統(tǒng)

在實(shí)際工作中我們可以針對(duì)具體的工程實(shí)際開發(fā)出相應(yīng)的GIS系統(tǒng)，從而方便我們進(jìn)行項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)分析.根據(jù)具體情況，我們可以直接采用GIS軟件也可以直接運(yùn)用高級(jí)語言開發(fā)自己需要的系統(tǒng).馬明國(guó)、管頻基于遙感圖像利用Arc－View采用相應(yīng)的模型計(jì)算出了甘肅省公路工程各區(qū)域的困難指數(shù)，為甘肅公路規(guī)劃提供了參考[9].李元海、朱合華開發(fā)了巖土工程施工監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高級(jí)語言做的底層開發(fā)無需其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)支撐，主要以隧道、基坑和邊坡工程施工監(jiān)測(cè)為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)指導(dǎo)工程信息化施工、變更設(shè)計(jì)與科學(xué)研究具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值[10].

3 信息測(cè)繪階段GIS促進(jìn)巖土工程的信息化和專業(yè)化

3.1 信息化測(cè)繪階段GIS的特點(diǎn)

以2003年“國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪設(shè)施項(xiàng)目(大專項(xiàng))”成功驗(yàn)收為標(biāo)志，我國(guó)開始了由數(shù)字化測(cè)繪向信息化測(cè)繪轉(zhuǎn)化和過度，我國(guó)測(cè)繪事業(yè)進(jìn)入了信息化測(cè)繪建設(shè)新階段.目前對(duì)信息化測(cè)繪還沒有一個(gè)明確的定義，簡(jiǎn)單的說，它是在數(shù)字化測(cè)繪的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，是以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、空間化，信息處理自動(dòng)化、智能化，信息服務(wù)社會(huì)化、多樣化、網(wǎng)絡(luò)化為特征的測(cè)繪模式.它的數(shù)據(jù)來源一是數(shù)字化測(cè)繪階段的數(shù)據(jù)成果，二是依靠現(xiàn)代更加強(qiáng)大的測(cè)繪手段實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的地理信息數(shù)據(jù).其中第二點(diǎn)是信息化測(cè)繪達(dá)到高級(jí)階段才能實(shí)現(xiàn)的，目前我們只能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速更新，離實(shí)時(shí)更新還有一段距離.信息化測(cè)繪的直接服務(wù)則是通過GIS來實(shí)現(xiàn)的，如果把信息化測(cè)繪比著一個(gè)精彩紛呈的大舞臺(tái)，GIS就是精彩節(jié)目的呈現(xiàn)者，其他測(cè)繪技術(shù)則是幕后工作者.信息化測(cè)繪階段，GIS展現(xiàn)著信息化測(cè)繪的各種優(yōu)點(diǎn):功能取向服務(wù)化、數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、信息共享法制化、信息服務(wù)社會(huì)化等.這些優(yōu)點(diǎn)必然會(huì)使GIS對(duì)巖土工程產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響.

3.2 信息化測(cè)繪階段GIS在巖土工程中的應(yīng)用及展望

1)巖土工程勘察設(shè)計(jì)一體化

2002年包惠明、胡長(zhǎng)順提出了基于GIS的巖土工程勘察設(shè)計(jì)一體化的設(shè)想.其主要思想是:利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理能力，把勘察資料數(shù)字化、數(shù)據(jù)庫化.同時(shí)加強(qiáng)勘察和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的交流，勘察階段提供給設(shè)計(jì)階段提供設(shè)計(jì)需要的內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式;通過WebGIS服務(wù)器在勘察、設(shè)計(jì)單位內(nèi)部和各工種之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，做到數(shù)據(jù)的區(qū)域共享，實(shí)現(xiàn)巖土勘察設(shè)計(jì)一體化[11].巖土工程勘察設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)結(jié)果如圖1所示.這個(gè)設(shè)想是在我國(guó)即將進(jìn)入信息化測(cè)繪時(shí)提出的，具有很強(qiáng)的先見性和現(xiàn)實(shí)性.信息化測(cè)繪的宗旨是服務(wù)[12]，它向各行各業(yè)提供專業(yè)格式的、實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).其中對(duì)地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字地面模型(DTM)、遙感正射影像等成果的調(diào)用在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用;信息化測(cè)繪要建立的強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，對(duì)實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)的區(qū)域共享提供了強(qiáng)有力的支持.信息化測(cè)繪的這些優(yōu)點(diǎn)全是巖土工程勘察設(shè)計(jì)一體化所必須的，而GIS是息化測(cè)繪成果的表達(dá)者，因此GIS的運(yùn)用勢(shì)必會(huì)推動(dòng)巖土工程勘察設(shè)計(jì)一體化取得巨大的進(jìn)步.

圖1 勘察設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 system structure of survey and design Integrated

在實(shí)際工作中為了加強(qiáng)勘察設(shè)計(jì)的一體化，我們還要加強(qiáng)勘察數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)使用數(shù)據(jù)和信息化測(cè)繪共享數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一或互轉(zhuǎn)，對(duì)專業(yè)需要的而共享平臺(tái)沒有提供的數(shù)據(jù)要積極主動(dòng)的測(cè)取，同時(shí)在一定的營(yíng)運(yùn)模式下這些數(shù)據(jù)在保證準(zhǔn)確的情況下有可能也會(huì)提供給共享平臺(tái)，豐富共享平臺(tái)數(shù)據(jù).勘察設(shè)計(jì)一體化是巖土工程信息化的一個(gè)重要體現(xiàn)，也是未來巖土工程信息化的主要方向.

2)信息化測(cè)繪階段GIS在巖土中的應(yīng)用將更加廣泛和專業(yè)

信息化測(cè)繪階段相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取變的十分的容易，GIS平臺(tái)也更加的專業(yè)和方便，GIS在巖土工程中的應(yīng)用必然會(huì)更加的廣泛.現(xiàn)在的巖土工程GIS系統(tǒng)更多的是對(duì)GIS軟件平臺(tái)良好的地學(xué)信息采集、存儲(chǔ)、分析和顯示功能的簡(jiǎn)單運(yùn)用，而巖土工程本身是力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、建筑科學(xué)等學(xué)科的交叉和融合，這勢(shì)必要求巖土工程GIS系統(tǒng)具有各種相關(guān)專業(yè)的分析模型，如模糊數(shù)學(xué)模型、數(shù)量化理論模型、信息論模型、人工智能模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、及各種專家系統(tǒng)模型等[13].巖土工程GIS系統(tǒng)是針對(duì)實(shí)際的問題而建立的，只有針對(duì)實(shí)際的問題在系統(tǒng)中建立起準(zhǔn)確的模型，才能夠在存儲(chǔ)和管理好工程數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用相應(yīng)數(shù)據(jù)作出精確的分析，得到正確的結(jié)論.徐幫樹、徐建華等就利用相應(yīng)算法研究了邊坡巖土數(shù)值分析相關(guān)數(shù)據(jù)的GIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，提出了基于柵格的六面體有限元網(wǎng)格生成和基于TIN的三棱柱有限元網(wǎng)格的生成方法，并利用Arc－GIS 9.0、Ansys 7.0 實(shí)現(xiàn)了有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成[14].

4 結(jié)束語

在不同的發(fā)展階段，GIS在巖土工程生產(chǎn)中發(fā)揮著不同的作用，隨著GIS技術(shù)的提高，它勢(shì)會(huì)必促進(jìn)巖土工程生產(chǎn)、管理的信息化.我國(guó)正處在邁入和建設(shè)信息化測(cè)繪的初級(jí)階段，GIS會(huì)得到前所未有的發(fā)展，我們應(yīng)該把握這個(gè)時(shí)機(jī)，提高GIS在為巖土工程服務(wù)的能力，更好解決實(shí)際工程問題.同時(shí)，我們還要認(rèn)識(shí)到在巖土工程生產(chǎn)中GIS是為巖土工程服務(wù)的工具，要完成好巖土工作必須做好基礎(chǔ)資料的收集，完成好必要的野外調(diào)查試驗(yàn)、室內(nèi)分析實(shí)驗(yàn)等工作，并且針對(duì)具體問題進(jìn)行研究建立相應(yīng)模型.只有全面深入的做好這些工作，我們才能運(yùn)用GIS更好的解決巖土工程的實(shí)際問題.

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