GIS在工程勘察信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱永志 程書昌

（化學(xué)工業(yè)第一勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北 滄州 061000）

工程地質(zhì)勘察是工程建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，是獲得工程場(chǎng)地相關(guān)數(shù)據(jù)的主要途徑，為具體施工提供有效參照資料，為進(jìn)一步制定符合標(biāo)準(zhǔn)的施工技術(shù)提供依據(jù)，從而促使工程取得最佳的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益[1]。

隨著科技的快速進(jìn)步，傳統(tǒng)地質(zhì)行業(yè)勘察工作與計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)的結(jié)合也越來(lái)越密切。地勘工作學(xué)者結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地質(zhì)勘察工作進(jìn)行研究，并提出了許多前沿性科學(xué)算法以及技術(shù)指導(dǎo)方案，其中以GIS技術(shù)（Geographic Information System）為代表性的空間信息科學(xué)技術(shù)對(duì)目前工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的影響最為深刻[2]。

GIS技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用極大地推進(jìn)了現(xiàn)代地質(zhì)勘察工作的進(jìn)展，能夠?qū)鹘y(tǒng)的地質(zhì)圖紙從簡(jiǎn)單的二維展示變成三維立體化展示，將復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)直觀地展示出來(lái)，不僅能夠增加圖紙的可讀性，更有利于輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)方案設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)地質(zhì)勘察工作單一的問(wèn)題，為工程建設(shè)的前期準(zhǔn)備創(chuàng)造了有利條件。

因此，本文基于GIS技術(shù)，對(duì)其在工程勘測(cè)中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的參考。

1 GIS技術(shù)在工程勘測(cè)中的具體應(yīng)用

1.1 數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

工程地質(zhì)勘察是工程建設(shè)的先決條件，勘察內(nèi)容包括地質(zhì)、地形地貌、地層、巖性、地下水位，以及各種物探、化探、土工實(shí)驗(yàn)等核心業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源一部分通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪得到，另一部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算獲取。工程勘察成果數(shù)據(jù)類型較多，包括辦公文檔、CAD圖紙、遙感影像、Excel表格或其他專業(yè)數(shù)據(jù)類型等。但不同類型的數(shù)據(jù)格式難以被地質(zhì)工作者直接利用，需要基于GIS將勘察工作中涉及的地理、地質(zhì)、監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等數(shù)據(jù)納入一體化平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)數(shù)據(jù)信息模型為巖土工程勘察工作提供全面化的數(shù)據(jù)支撐[3]。

通過(guò)制訂成果資料數(shù)字化工作標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、質(zhì)量控制體系、質(zhì)檢體系、數(shù)據(jù)備份機(jī)制等規(guī)范的工作流程，基于工作流程將勘察成果數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分，根據(jù)專業(yè)分別存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，共同組成數(shù)據(jù)管理主體，制訂統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，逐步建成統(tǒng)一開(kāi)放、共享共用、持續(xù)更新的智慧巖土勘察數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)勘察數(shù)據(jù)資源的有效整合。

1.2 地質(zhì)三維建模中的應(yīng)用

三維地質(zhì)建模是一種基于勘探鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平面圖、地表等值線、物探資料等稀疏數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值形成地質(zhì)立體模型的三維可視化方法，其本質(zhì)是一個(gè)用于模擬地下空間結(jié)構(gòu)和地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)建模過(guò)程[4]。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不確定性，獲取各種勘察數(shù)據(jù)難度大、成本高，且因數(shù)據(jù)來(lái)源廣、形式多，使得工程勘察大量數(shù)據(jù)資料呈不連續(xù)的特點(diǎn)。在此背景下，基于GIS將各種原始數(shù)據(jù)（鉆孔、剖面、地震數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、地形圖、物探數(shù)據(jù)、工程勘察數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等）整合歸納后建立數(shù)字化模型，直觀反映工程地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系以及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化。

GIS可視化將科學(xué)計(jì)算可視化與地學(xué)相結(jié)合，基于三維數(shù)字化模型展現(xiàn)虛擬的真實(shí)地質(zhì)環(huán)境，為地質(zhì)工作者提供了一種簡(jiǎn)單、方便、快捷的方式輔助其理解地質(zhì)體情況，幫助地質(zhì)工作者準(zhǔn)確分析實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題、開(kāi)展工程設(shè)計(jì)與施工，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。此外，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析能夠輔助投資方或設(shè)計(jì)方進(jìn)行科學(xué)決策和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。

1.3 數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析與可視化是衡量平臺(tái)生命力的重要指標(biāo)之一。基于系統(tǒng)中的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、專題地質(zhì)圖件庫(kù)等，結(jié)合地形圖、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等資料，通過(guò)空間分析、統(tǒng)計(jì)分析、歸納提取等手段進(jìn)行拓展應(yīng)用，形成三維地層、剖面等可視化成果，為工程勘察提供直觀、系統(tǒng)、科學(xué)的管理工具。

通過(guò)GIS技術(shù)可以將工程勘察獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為形象直觀的、便于進(jìn)行交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的立體圖和剖面圖形[5]。基于GIS開(kāi)發(fā)的工程勘察信息系統(tǒng)支持地質(zhì)三維場(chǎng)景瀏覽和地質(zhì)體信息查詢檢索功能，能夠解決海量數(shù)據(jù)管理與利用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拓展應(yīng)用，達(dá)到對(duì)已有工程數(shù)據(jù)高效共享和充分利用的目的。

1.4 成果圖件輸出中的應(yīng)用

勘察報(bào)告中包括綜合工程地質(zhì)圖、綜合工程地質(zhì)柱狀圖、工程地質(zhì)分區(qū)圖、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖面等高線圖、場(chǎng)坪標(biāo)高切面圖、核島基底標(biāo)高切面圖、鉆孔柱狀圖、綜合水文地質(zhì)圖、綜合水文地質(zhì)柱狀圖、實(shí)測(cè)水文地質(zhì)剖面圖、抽水試驗(yàn)成果圖、壓水試驗(yàn)成果圖等大量復(fù)雜煩瑣的圖件編繪工作。該部分工作以往均采用手工方法進(jìn)行繪制，存在圖件繪制煩瑣、后續(xù)修改麻煩等問(wèn)題。

基于GIS搭建的工程勘察信息系統(tǒng)運(yùn)用內(nèi)置各種專業(yè)圖紙編繪輔助功能，將GIS中的圖元信息和屬性信息直接輸出為CAD圖紙，能夠減輕設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)繪圖的工作量，達(dá)到提高成圖質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的效果，從而克服了傳統(tǒng)手工繪制普遍存在的成圖慢、效率低、難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要等缺點(diǎn)，有效提高了繪圖的工作效率、繪制的準(zhǔn)確率，并使繪制出來(lái)的圖形能夠真正符合編寫實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)報(bào)告的需求。

1.5 數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用

基于WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）將數(shù)據(jù)庫(kù)中管理的巖土工程專題數(shù)據(jù)與GIS提供的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)巖土工程數(shù)據(jù)的空間可視化，減少對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)成本，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。基于WebGIS進(jìn)行成果數(shù)據(jù)共享可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)工程勘察數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，推進(jìn)地質(zhì)勘察工作與“互聯(lián)網(wǎng)+”的融合。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

擬建場(chǎng)地位于華北平原的東部某地，基底構(gòu)造單元為滄縣隆起中的興濟(jì)凸起區(qū)，區(qū)域內(nèi)屬構(gòu)造穩(wěn)定地塊，地層成因類型為沖、洪積，場(chǎng)地地面高程2.95～7.32 m。根據(jù)本次勘察揭露場(chǎng)地20 m范圍內(nèi)的地層，除表層人工填土（Q4ml）外，按時(shí)代成因可分為第四系全新統(tǒng)陸相沖積（Q4a）l、陸相沖積與沼澤相沉積（Q4h+a）l及上更新統(tǒng)陸相沖積（Q3a）l黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。根據(jù)場(chǎng)地地層巖性及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，可進(jìn)一步細(xì)化。

將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，通過(guò)在數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)建模、數(shù)據(jù)分析、專業(yè)計(jì)算、成果圖件輸出等工作階段的應(yīng)用，基于GIS開(kāi)發(fā)的勘察信息系統(tǒng)展現(xiàn)了極大的優(yōu)越性，同時(shí)也很大程度上提高了工程勘察工作的效率，提升了勘察地質(zhì)工作的信息化水平。

系統(tǒng)運(yùn)算效果如圖1所示。

圖1 工程勘察項(xiàng)目應(yīng)用

3 結(jié)語(yǔ)

基于GIS研發(fā)專業(yè)的勘察信息系統(tǒng)，包括地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)信息科學(xué)、三維建模、虛擬與現(xiàn)實(shí)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，系統(tǒng)的研發(fā)具有較大的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。通過(guò)在勘察項(xiàng)目中的全流程應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的勘察數(shù)據(jù)整理方法相比，GIS技術(shù)具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在工程勘察的數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、可視化、成果自動(dòng)輸出、計(jì)算分析、數(shù)據(jù)共享等領(lǐng)域具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。基于GIS技術(shù)可以構(gòu)建更加高效合理的工程勘察信息系統(tǒng)，能夠縮短工程勘察周期、優(yōu)化勘察數(shù)據(jù)整合流程，為工程建設(shè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，也為未來(lái)工程勘察信息化平臺(tái)的建設(shè)確定了良好的優(yōu)化方向。