企業級工程地質數據庫管理系統開發與應用*

曾慶有 葉晨峰 鄧國平 林 舟

(福建省交通規劃設計院有限公司 福州 350004)

隨著社會經濟的全面發展，我國的基礎建設取得了跨越式的發展。因此，勘測單位每年都要進行細致的工程地質勘測，并積累了海量的交通工程地質及工程勘察資料。但是現階段依照傳統的管理模式，勘察設計數據與資料極為分散且歸屬不明確。在紙質資料的歸檔與存儲過程中也容易產生遺漏或重復歸檔入庫的問題。數據的整合不完善，數據共享不暢通，導致管理者在工程建設過程中難以獲取有效數據成果輔以分析，而經常進行重復的現場勘測，效率低下。

針對工程地質龐大的數據處理工作，數據庫的創建是相關數據管理與分析的最佳解決方案[1]。因此，大量學者及地質工作者對此進行了研究與開發[2-5]。但現有的工程地質數據庫或是為特定的工程建立，或是局限于特定的需求與應用[6]。地質數據分布于不同系統之中，溝通低效，降低了地質數據利用的全面性與易用性。

本文以空間數據庫系統為基礎、GIS軟件為平臺，歷年來海量交通工程地質及工程勘察資料為主要信息來源，整合建筑物、市政基礎設施等信息，搭建了一套切實有效的工程地質數據庫管理平臺。該平臺能夠實現工程勘察設計數據的有效收集、共享與維護管理；提升項目管理水平，提高信息資源共享程度；初步實現輔助決策支持功能，提高決策的科學性，為建設項目的前期評估、仿真建設、運營管理乃至今后的改造、更新提供全生命周期服務。

1 工程地質數據庫設計

1.1 數據庫設計原則

本工程地質數據庫遵循以下4個原則進行系統設計。

1) 主題數據庫原則。面向地下工程地質勘察業務主題，為相關應用系統提供數據源并通過人性化界面提供業務處理。工程地質數據易于使用、管理和維護，滿足安全性需求。

2) 標準化原則。系統的建設要嚴格按照國家、地方和行業有關的標準和規范，如空間數據的分層編碼、數據的質量、元數據標準等。

3) 可維護原則。系統設計應標準化、規范化，按照分層設計，軟件構件化實現業務與界面分離，邏輯與數據分離，易于系統的擴展與維護。各類數據組織合理，不因系統運行時間長、數據量不斷增加而影響系統速度。

4) 全生命周期原則。滿足巖土工程從規劃、設計、施工、運維等階段工程地質數據的管理需求。

1.2 關鍵技術指標

本文工程地質數據庫能夠實現快速的工程地質數據錄入、查詢使用， 實現自動化、可交互的工程地質評價及專題地質圖形建模與管理功能。數據庫關鍵技術指標如下。

1) 工程地質數據平臺。提供完整、易用、先進的工程勘察各類數據入庫、數據檢查、數據查詢、標準化處理、專題圖顯示與交互查詢、地質數據分析處理等功能。

2) 數據接口。數據入庫模塊可對接理正、華寧等勘察軟件數據格式，實現鉆孔坐標轉換等。數據庫數據文件可導出常用格式的數據文件。

3) 移動端APP。具有工程地質數據庫查詢移動端APP，支持 Android操作系統。移動端 APP定位功能穩定準確， 可在權限范圍內隨時查看相關信息，滿足工程現場應用要求。

1.3 數據結構設計

數據庫通過一系列的數據表來實現。由于工程地質數據庫的內容龐雜，為了便于管理，將數據表按內容分為幾個大類，大類下含若干數據表，見表1。根據數據庫系統要求，每個表均含有表名、表號、表標識和表結構。

表1 系統數據表

2 數據庫開發與系統結構

2.1 數據庫平臺選擇

主流的工程地質數據庫多采用關系型數據庫，一般為SQL Server 和Oracle等數據庫平臺。本文數據庫根據勘察施工現場工作的特點，選擇MS SQL Server作為后臺數據庫平臺，具有較高的可靠性、可擴展性和讀寫性能。

2.2 開發架構

系統的整體架構為B/S架構，即瀏覽器/服務器架構，分布性強、維護方便且共享性強。B /S 架構將極少部分事務邏輯在前端 (Browser) 實現，主要事務邏輯在服務器端 (Server) 實現，形成3層結構。這樣使得客戶端電腦負荷簡化[7]。系統采用NET、JAVA 、MVC 3層架構設計，以及基于SOA和微服務架構模式，將數據文件存儲共享、工程勘察數據查詢管理、數據統計分析應用等業務邏輯均放在服務器后端實現。 同時云服務提供多重安全保護與數據備份措施， 保證數據安全保密性。

2.3 數據庫整體結構

系統架構主要分為數據層、業務層、展現層、安全體系4個部分。

2.3.1數據層

服務器數據庫接入勘察數據，勘察資料文檔數據、地質專題圖數據等多源數據，并可接入百度地圖、天地圖等提供的API。

工程地質數據庫主要包含3種不同的數據類型，即文檔數據庫、空間數據庫和屬性數據庫。針對不同類型的數據按照數據處理入庫流程嚴格執行，包括地質數據收集整理，制定建庫標準、地質數據入庫前處理、數據檢測、地質資料入庫等，保證入庫數據準確且不重復。數據的整理、檢查與入庫流程見圖1。

圖1 數據收集、處理與入庫流程

圖形數據按照點、線、面分類作為單獨圖層存儲。地形底圖掃描成柵格文件后，首先進行校準，然后矢量化錄入并校正誤差。一幅底圖由多個圖層組成，便于編輯與查詢。屬性數據是對地質實體的詳盡描述，是空間實體的特征數據，在圖元和外掛屬性數據庫建立的基礎上進行，一般對照圖形直接編輯輸入并進行數據檢查。

2.3.2業務層

通過接口封裝及ASP.NET MVC框架控制業務邏輯，對接數據接口，整合業務平臺，以滿足前后臺業務系統需求。前臺業務系統主要包括注冊登錄、圖件瀏覽、現場定位、信息查詢、統計分析等。后臺業務系統主要包括勘察數據入庫、文檔管理、元數據管理、用戶權限管理等。

2.3.3展現層

基于B/S架構的數據庫能夠實現將主要的業務需求事務在前端 (Browser) 實現，通過平臺無縫接入主流瀏覽器(谷歌瀏覽器、IE瀏覽器、火狐瀏覽器等)進行展示與用戶交互。

2.3.4安全體系

安全體系通過終端安全、傳輸安全、應用安全來保障整個架構的安全。數據的存儲基于MD5加密算法保證安全，網站基于SSL保證傳輸層安全。數據的交換接口開發采用可靠的數據交換同步技術，有效實現數據隔離以保證安全性。

3 數據庫功能與應用

本文工程地質數據庫管理系統主要為勘察企業進行工程勘察數據管理工作服務，能夠滿足目標用戶的絕大部分功能需求。

3.1 功能模塊劃分

工程地質數據庫管理系統在功能上劃分為4個主要的功能模塊，包括GIS模塊、數據管理、數據統計與分析、權限管理。

1) GIS模塊。支持多種地圖(百度、天地圖等)，提供基礎的地理地圖管理功能。包括地圖的顯示、縮放及測量，地圖與衛星影像圖的切換等。

2) 數據管理。實現工程項目圖文檔資料整理入庫功能，包括項目的添加、更新、刪除及圖文信息的上傳與下載；實現勘察數據信息的查詢與檢查功能，包括以地圖或列表形式的項目信息索引、以GIS圖來統一展現鉆孔信息等。

3) 數據統計。對勘察鉆孔中的地層數據進行歸類處理并保存入庫；根據選取的鉆孔統計區域地質信息，原狀土、擾動土參數統計信息，原位測試統計信息；根據選取的剖面孔生成勘察剖面圖；以通用勘察軟件格式導出相應區域工程地質數據。

4) 權限管理。對菜單功能進行管理配置；系統管理員在后天配置賬戶的具體權限，不同級別的賬戶擁有不同數據和功能權限；實現用戶賬號的注冊及分角色管理。

3.2 權限管理

工程地質數據庫管理系統根據勘察設計流程中人員的不同職責，對系統用戶進行角色的劃分，如系統管理員、項目負責人、審核人員、專業技術人員和一般用戶等。管理員在具備后臺管理權限情況下，在“角色管理”子菜單下添加、編輯、刪除角色信息并通過授權按鈕分配相應的菜單及數據訪問權限，系統權限管理信息見圖2。

圖2 系統權限管理信息

用戶點擊“用戶管理”子菜單按鈕，可注冊用戶人員并分角色給該用戶，用戶列表中提供查看、編輯、刪除等管理功能。

3.3 信息檢索與展示

系統用戶在終端點擊“項目查詢”按鈕可在主頁地圖上查詢展示已入庫的工程項目信息，地圖上每1個星標代表1個項目工程，點擊圖標顯示該項目的概況信息見圖3。在項目信息卡上用戶可查詢該項目所屬的鉆孔空間位置信息與地層分層信息，其顯示界面見圖4。在此信息卡上統計有該項目的鉆孔統計信息與土工原位測試統計信息、下載瀏覽該項目的文檔資料等。

圖3 工程概況信息展示

圖4 鉆孔信息展示

在地圖上點擊 “操作”按鈕，支持以工程編號、工程名稱、工程負責人，以及工程類型為關鍵詞模糊匹配篩選查詢相關的項目工程；也可通過半徑搜索查詢某一地點周邊范圍內的項目工程，項目檢索示意見圖5。

圖5 項目檢索

3.4 項目管理

用戶通過“基礎數據庫”菜單下的“項目管理”子菜單進行項目的添加、上傳數據、更新及刪除等操作。

點擊數據庫系統終端的“添加項目信息”按鈕，其顯示界面見圖6，可在地圖上點擊定位項目的坐標信息，并填寫該項目的工程編號、名稱等相關內容，最終保存入庫。用戶選取坐標類型后，可將勘察成果數據解析并導入系統數據庫，系統會對地質勘察數據進行預檢，提示錯誤信息或標明異常描述。

圖6 添加項目信息

上傳成功后的項目會在項目列表中列出，用戶可點擊表頭以自定義排序顯示項目信息，每個項目工程均提供編輯、更新、刪除功能，并提供工程文檔上傳功能，以在線文檔管理形式在不同終端下載瀏覽，其項目管理頁面見圖7。

圖7 項目管理頁面

3.5 數據統計分析

以鉆孔數據為例。鉆孔數據入庫后可在地圖模塊上統一集成展示。用戶可任意選擇鉆孔組成1個項目并標定入庫。點選每個鉆孔可查看該標準孔的概要信息與分層信息，并可生成鉆孔柱狀圖見圖8。

另外，通過拉框或選擇多個鉆孔可以生成鉆孔對比柱狀圖見圖9。

圖9 鉆孔對比剖面圖

為實現鉆孔數據的標準化重復利用，系統可自定義標準化地層，并在建庫過程中將鉆孔數據轉化為標準地層，其標準地層參數見圖10。此外，數據庫還能夠批量選擇鉆孔進行區域地層統計。在統計的基礎上基于各項地層數據智能分析地層條件。如根據場地內標貫孔信息判別場地液化類型等。

圖10 標準地層管理

在指定區域內，鉆孔數據、土工試驗數據、原位測試數據能夠進行統一管理、統計與展示(見圖11)，并能根據用戶需求進行擴展，方便用戶分析該區域工程地質特性，為工程決策提供綜合全面的信息來源。相應的統計結果可以自動整合成測試數據報告并提供下載。

圖11 工程測試統計數據

4 結語

本文設計并開發一套切實有效的企業級工程地質數據庫管理平臺，基于空間數據庫系統和GIS軟件平臺，能夠高效整合多項目、全周期、多類型的城市交通工程及工程地質勘察數據。該數據庫管理平臺克服了傳統勘察數據利用不足、資料分散的缺點，實現了工程地質數據的信息化存儲、線上有效管理、智能化的高效共享和整合利用，可為覆蓋區內抗震規劃、項目工可研究、地質災害評估等提供服務，同時節約工期與資源，實現地質數據的二次經濟效益。

隨著數據庫源數據的不斷擴充與完善，覆蓋區域的不斷擴展，利用大數據算法，能夠進一步對工程地質數據進行存儲整合，對其潛在價值進行深度挖掘，其服務的領域將擴展至城市規劃、抗震規劃、地下管網布局、工程選線、工可研究、地質災害評估及前期立項等諸多方面，智能化分析程度也將進一步提升，具有廣闊的應用前景。