空地融合數字工程勘察技術體系研究

李清波

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

工程勘察是保障工程建設順利實施的重要基礎。全面、準確、快捷地采集和處理各類工程勘察信息，分析評價主要工程地質問題，提出合理的工程處理措施，是工程勘察的主要任務。傳統勘察作業方式效率低下，需要耗費大量人力物力［1］。隨著計算機、移動通信、3S、BIM等信息技術的不斷發展，工程勘察領域全流程的數字化、信息化技術研究逐漸深入。工程勘察行業在信息化技術發展的推動下，從傳統的“紙筆”模式逐步走向信息化、智能化工作模式［2］。

作為工程建設的基礎與環境，巖土體存在性質不均一、空間不連續等特征，全面、準確地獲取工程勘察信息存在一定難度；而且工程勘察數據類型繁多、結構復雜，傳統勘察手段、勘察工具的信息化基礎薄弱，不同環節間的勘察數據傳遞不暢［3-4］。在此基礎上的數據分析、模型表達、工程評價也還存在諸多問題，工程勘察信息化的技術鏈條還不完備［5］。同時，工程勘察涉及的專業眾多，不同專業的工作環境和作業手段有差異，其信息化發展水平參差不齊。對于水利水電、能源、交通等國家重大工程建設領域，大范圍、長線路、艱險區的工程勘察數字化、信息化水平還有待提高，如何構建完善的數字工程勘察技術體系，是工程勘察行業信息化建設迫切需要解決的技術難題。

針對上述需求與自身工作需要，筆者在勘察業務流程、工作模式、技術手段的基礎上，依托國家“863”計劃、水利部“948”項目等重大科研項目和南水北調西線、黃河古賢、涇河東莊等重大水利工程項目，綜合運用高精度遙感、InSAR、無人機、圖像識別、移動GIS、數據庫、BIM等技術，在工程勘察數字化、信息化方面進行了全面的探索和實踐，從而總結了工程勘察全流程信息化工作模式，提出了數字工程勘察的定義，建立了空地融合數字工程勘察技術體系。

1 勘察信息技術現狀與不足

在數據采集方面，隨著信息技術在勘察領域應用的逐漸深入，勘察內外業一體化技術得到顯著提升，國內多家單位先后研發了勘察信息采集系統［6-9］，實現了地質測繪、勘探、物探、現場測試及室內試驗信息的數字化采集。同時，高精度遙感解譯、InSAR變形監測和無人機攝影測量等技術，在大范圍、長線路、艱險區勘察信息采集方面的應用不斷增加［10-12］，取得了常規手段無法比擬的技術效果。但這些技術在勘察領域的應用，多為單一手段的技術應用，協同化、一體化的信息采集相對較少。而智能鉆探、智能測試、智能識別等勘察信息采集技術多處于研究階段［13］，尚未完全形成生產力。

在勘察數據管理方面，不同單位的數據格式、存儲形式和管理方式各不相同，勘察數據存儲分散、碎片化嚴重［14］。工程勘察數據管理多針對勘察過程中采集的結構化數據，對于不同來源或非結構化的數據管理相對較少。住建部頒布的《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》明確要求勘察設計類企業要“研究構建支持異構數據和多種采集方式的工程勘察信息數據庫，實現工程勘察信息的有效傳遞和共享”。但企業級的勘察信息數據中心或數據庫，多處于相對封閉的狀態，上下游的數據流動不暢，無法充分發揮專業數據服務能力。

在勘察數據應用方面，數據的統計分析、報表生成、圖件繪制、成果輸出等基礎應用已實現信息化，理正、華寧等商業軟件在勘察工作中應用廣泛［15］。利用勘察數據進行巖土分析設計的商業軟件較多，在工程領域的應用較為普遍，如Dips、Slide、FLAC3D、理正分析設計等軟件。但這些巖土分析設計軟件的數據和模型格式各不相同，已有的三維地質模型與分析計算模型不能共享，分析結果與支護設計無法自動交互，不利于工程勘察全流程的一體化應用。

在三維地質建模與勘察信息展示方面，隨著三維建模技術的發展，勘察數據逐漸由二維平面進入三維空間，三維模型和BIM應用愈發普遍。但不同行業的三維建模軟件各不相同，三維展示效果和應用深度也存在較大差異［13］?？辈煨袠I缺乏能夠被普遍接受和廣泛應用的三維建模軟件［16］，大多建模軟件與勘察數據、分析設計軟件還存在接口或轉換問題，在一定程度上制約了三維地質建模技術的推廣應用。

目前，勘察信息技術應用主要集中在各個環節，不同環節間的數據傳遞不暢，勘察全流程信息技術研究相對較少，缺乏完善的數字化工程勘察技術體系，僅北京理正、南京庫侖、深圳秉睦等公司提出了巖土BIM框架、工作流程或整體解決方案，也開發了部分專業軟件，但距離行業全流程技術應用還存在一定的差距。

2 數字工程勘察技術體系

數字工程勘察是以工程所處的地質環境為對象，以傳統工程勘察為基礎，以3S技術與新一代信息化技術為手段，以高效解決工程勘察與巖土工程問題為目標，構建的集數字化采集、綜合化管理、協同化應用、可視化表達于一體的全鏈路數字工程勘察工作模式及應用服務體系（見圖1）。

2.1 數字化采集

數字化采集主要包括空天高精度遙感地質信息識別與獲取技術、地面便攜式移動勘察信息采集技術、地下巖體綜合信息集成采集技術三大部分，分別從空天、地面、地下3個層次全方位獲取工程勘察信息，為綜合判斷工程地質條件提供數據支撐?；诳仗焓侄潍@取的勘察信息可作為地面采集的基礎，用于外業復核驗證和針對性的數據采集。同時，地面采集的勘察信息能夠與地下巖體信息采集進行關聯，便于數據集成與協同應用。數字化采集系統架構見圖2。

（1）高精度遙感地質信息識別與獲取技術包括遙感層次解譯技術和面向地質信息識別的無人機影像解譯技術。遙感層次解譯技術是以遙感信息和地形圖為信息源，建立三維可視化解譯系統，獲取地質災害及其發育環境要素信息，通過便攜移動勘察信息采集系統進行現場驗證；面向地質信息識別的無人機影像解譯技術針對特定工程靶區或主要場址區，通過垂直攝影測量和近景攝影測量，獲取特定對象多角度的近景影像，實現地質測繪、地質災害、邊坡及基坑施工地質素描等地質信息的準確識別與提取。

圖2 勘察信息數字化采集系統架構

（2）便攜式移動勘察信息采集技術集GNSS定位、數字羅盤、數碼相機等功能于一體，實現在一臺智能終端上定位與地形圖實時關聯，數字化采集文字、素描、照片等地質測繪、勘探、原位測試與試驗等數據，結合數字工程勘察信息綜合管理平臺進行綜合信息處理、管理與應用。該技術的應用替代了傳統外業人員工作必備的紙質地形圖、記錄本、鉛筆、羅盤、GNSS、照相機等一系列野外作業裝備。

（3）地下巖體綜合信息采集技術集成SystemⅥ測井系統、全波列測井儀、電阻率測井儀、光學成像測試系統、鉆孔彈性模量測試儀、電磁波CT測試儀等多種鉆孔測試設備，實現同平臺下一次下井完成自然伽馬、電阻率、井徑、縱橫波速度、地下水流速流量、全孔壁光學成像及超聲圖像、孔徑、孔斜等十幾種物性參數的綜合采集，并可計算地層傾角、傾向、孔隙率、彈性模量、剪切模量、抗力系數、巖體完整性系數等衍生參數。

通過高精度遙感、InSAR、無人機、移動采集等技術的綜合應用，實現了基于空天手段的勘察信息快速獲取和地面地下工程勘察信息的數字化采集，構建了多尺度、多場景、多手段協同融合的工程勘察數字化采集技術體系，全方位的數字化采集為工程全生命周期的勘察數據利用奠定了數據基礎。

2.2 綜合化管理

針對工程勘察數據類型和傳統數據管理存在的問題，數字工程勘察要求對勘察數據進行綜合化管理。綜合化管理結合不同采集手段、不同數據類型、不同應用方向，建立了工程勘察信息分類與編碼技術標準，編制了工程勘察數據庫表結構及標識符，構建了數據全面、管理高效、應用便捷的勘察數據中心，研發了數字工程勘察信息綜合管理平臺，提升了工程勘察數據共享與專業服務能力。

工程勘察數據中心不僅實現了結構化勘察數據的集成管理，對多樣化、碎片化的非結構化數據，通過有效的數據組織和索引結構，將非結構化數據化“散”為“整”、化“異構”為“同構”，還實現了對非結構化數據的有效管理。勘察數據中心包括基礎地理庫、遙感影像庫、地質數據庫、勘探數據庫、物探數據庫、試驗數據庫、監測數據庫、模型庫和系統庫等（見圖3）。

圖3 勘察信息綜合化管理

綜合化管理以勘察數據中心為核心，通過多尺度、全要素、全過程勘察信息的一體化存儲與管理，實現了多源異構勘察數據的深度整合，提升了工程勘察數據共享與專業服務能力。隨著勘察數據量的不斷積累和信息量的不斷豐富，通過數據挖掘、人工智能、機器學習等新興技術手段，擴大數據服務領域和應用深度。

2.3 協同化應用

數字工程勘察協同化應用是在勘察數據中心的基礎上，通過基礎應用算法開發，實現勘察數據自動分析、圖件精準繪制、格式自由轉換、成果批量輸出等功能；通過工程地質評價與巖土分析設計算法、模塊研發，實現了多種分析方法的一體化協同應用，形成了空地融合的數字工程勘察應用技術體系。

協同化應用體系包括三維地質建模平臺、巖土分析設計一體化三維平臺、雙護盾TBM施工隧洞圍巖分類系統、基于GIS的水庫區工程地質條件綜合評價系統和3DSlopeGIS邊坡分析評價系統等（見圖4）。

圖4 勘察信息協同化應用

協同化應用體系可實現以下4方面的功能:

（1）勘察數據中心的數據可直接用于統計分析、圖件繪制、成果輸出等，實現勘察數據的基礎應用。

（2）勘察數據中心的水庫區遙感解譯數據、勘察數據，可進入基于GIS的水庫區工程地質條件綜合評價系統，開展水庫區滲漏評價、水庫塌岸分析、水庫浸沒分析等；同時能夠直接調用3DSlopeGIS邊坡分析評價系統，開展岸坡穩定分析和評價工作。

（3）勘察數據中心的地下巖體綜合信息，通過雙護盾TBM施工隧洞圍巖分類系統，可直接進行TBM地質適宜性評價和TBM圍巖分類等。

（4）勘察數據中心的建模數據可通過系統接口，進入地質建模平臺構建三維地質模型；構建的地質模型能夠直接導入巖土工程分析設計一體化三維平臺，用于邊坡、洞室等巖土工程的分析評價與支護設計。

協同化應用基于“一套數據、一個模型”，不僅實現了勘察數據到地質建模數據、分析評價數據的有效傳遞，還實現了三維地質建模與分析計算、巖土設計的模型共享，從而系統化地提升了勘察數據整理、工程地質評價和巖土分析設計工作效率。

2.4 可視化表達

數字工程勘察體系的可視化表達，在傳統勘察數據展示的基礎上，綜合運用GIS+BIM技術，在三維GIS環境中融合地質BIM模型，充分發揮BIM模型具有精細幾何結構與豐富語義信息、GIS環境具有地理空間分析與可視化場景的技術優勢，實現了工程勘察信息的“一張圖”展示?；贕IS+BIM的可視化表達，便于不同階段、不同類型的勘察數據快速瀏覽與查詢，為工程布置、方案比選、運行維護提供重要支撐。

可視化表達中的地質BIM模型，是將工程勘察的點、線數據，通過空間插值技術，構建地層界面、風化界面、斷層面等三維地質界面；然后通過面模型的布爾運算，形成各類地質體，通過對地質體進行屬性賦值，實現工程勘察信息的真三維展示。在地質BIM模型的基礎上，集成基礎地理信息、遙感影像信息、工程勘察信息、三維地質模型、分析結果模型和巖土設計模型等，融合三維地上與地下環境，在GIS環境中實現全階段、全要素、全專業工程勘察信息的可視化表達（見圖5）。

圖5 勘察信息可視化表達

3 工程應用

涇河東莊水利樞紐工程位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出山口約29 km，控制流域面積4.32萬km2。設計混凝土拱壩壩高230 m，水庫總庫容32.76億m3，是渭河下游河防工程體系中不可缺少的重要骨干工程。工程壩址區為深切V形河谷地貌，兩岸基巖裸露，山勢陡峻，自然坡度為60°～75°；水庫區長度約97 km，為黃土丘陵地貌和基巖中低山地貌，河谷深切，沖溝眾多，河曲發育。東莊水利樞紐工程勘察范圍大、周期長、工作環境艱險、地質條件復雜，為全面提高勘察工作效率、提升勘察全流程信息化水平，工程勘察采用了空地融合的數字工程勘察技術。

勘察工作首先利用Landset-8和高分2號等衛星遙感數據，通過高精度遙感地質信息識別與獲取技術，對東莊庫壩區大范圍出露的主要地層巖性、地質構造和地質災害等信息進行快速識別提?。蝗缓罄帽銛y式移動勘察信息采集系統和地下巖體綜合信息一體化采集設備，對地質、勘探、物探、試驗等地面地下全要素勘察信息進行數字化采集，先后獲取4 376點地質測繪數據、29 376 m鉆孔數據、7 386 m平洞數據、61 486 m物探數據和1 853組巖土體試驗數據。

全要素勘察信息以統一、標準的數據格式，錄入勘察數據中心，實現多源異構勘察數據的深度整合與管理。在工程勘察信息綜合管理平臺完成數據校審后，不僅能夠進行勘察數據的自動分析與高精度圖件的批量繪制，還可通過數據轉換接口直接導入三維地質建模平臺，開展地質BIM正向設計。東莊地質BIM模型包括地表模型、鉆孔模型、平洞模型、地層模型、結構面模型、堆積體模型、透水率模型、巖體分級模型等。

基于勘察信息綜合管理平臺，通過基于GIS的水庫區工程地質條件綜合評價系統和3DSlopeGIS邊坡分析評價系統，對水庫區30處滑坡、68處塌岸和3處浸沒點進行了系統評價，大幅提高了水庫區工程地質問題評價效率。利用東莊地質BIM模型，系統開展了巖溶滲漏分析、建基巖體分析、壩肩抗滑穩定分析，為壩址區關鍵地質問題評價提供了重要支撐。地質BIM模型與設計模型的順利裝配，有效指導了壩線比選、導流洞布置等工作。利用GIS+BIM技術，將高精度遙感數據、工程勘察數據和BIM模型數據，加載到三維GIS環境中，實現了全階段、全要素工程勘察信息的可視化表達。同時，通過模型輕量化處理和網絡發布，各方工程建設人員可在瀏覽器中順利訪問。

利用空地融合數字工程勘察技術，實現了東莊水利樞紐工程多尺度、多場景、多手段協同的勘察信息技術應用，提高了勘察工作效率和成果質量，為構建智慧工程提供了重要支撐，對大范圍、長線路、艱險區的工程勘察全流程信息化應用具有一定的借鑒意義。

4 結 論

工程勘察是開展各類工程建設的工作基礎和首要環節，勘察數字化、信息化技術研究是促進勘察行業進步的重要保障。針對勘察信息技術應用中的不足，提出了數字工程勘察的概念，建立了集數字化采集、綜合化管理、協同化應用、可視化表達于一體數字工程勘察的技術體系和工作模式。

空地融合數字工程勘察技術體系在涇河東莊水利樞紐工程中的應用表明，該體系能夠提升勘察信息數據共享與專業服務能力，提高了勘察工作效率和成果質量，為國家重大工程建設領域中大范圍、長線路、艱險區的勘察信息技術應用提供了借鑒。