基于GIS的岩土工程勘察一体化系统构建思路研究

于红祥

摘要:本文基于笔者多年从事岩土工程勘察的相关工作经验,从野外实践出发,以岩土工程勘察一体化系统的构建为研究对象,探讨了我国岩土勘察的现状及存在的问题,研究分析了岩土勘察一体化的系统组成,在此基础上给出了GIS在系统构建中的作用,全文是笔者长期工作基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:岩土工程勘察构建一体化GIS

岩土工程勘察是工程设计的先决条件。一般岩土工程信息,包括地形地貌、地层界面、断层、地下水位、风化层厚度以及各种物探、化探资料,这些资料是直接从野外测量获得而用于某一工程设计的。虽然在工程设计中他们扮演着不可缺失的角色,但在工程完成以后他们一般就被“束之高阁”,很少再被使用。就算“有朝一日”再被利用,这些信息也只是一些离散的数据,岩土工程技术人员较难直接利用它们再去分析场地中工程地质参数的分布规律。更何况传统的岩土工程资料分析和解释一般都局限于二维、静态的表达,这种表达描述空间构造起伏变化的直观性差,往往不能充分揭示它们空间变化的规律,难以使人们直接、完整、准确地理解和感受场地土的物理力学性质变化情况,也就越来越不能满足工程的空间分析要求川。如何利用这些实测参数来推断它们在区域内的分布规律,如何利用这些参数来预测场地中某点岩土工程性质,是岩土工程勘察中的一个古老而且很有兴趣的问题,历来不断有人在做这方面的工作。今天,随着计算机的出现,特别是DataBase理论的深入发展、计算机图形处理技术的完善,上述问题越来越有了新意。随着计算机技术的发展,已经完全可以集成以岩土工程建模、岩土工程数字化、岩土工程数据库管理、岩土工程特性分析、岩土工程地质解释以及空间分析和预测、地学统计和图形可视化的一体化系统,继而发展成为现代化、信息化为一体的岩土工程勘察数字化新体系。理论、实验和学科计算机技术已成为今天学科发展的三大支柱。而学科计算机技术在学科中的应用使学科孕育着一场新的革命。这场革命势必波及到岩土工程勘察领域。

1我国岩土工程勘察的现状及存在的问题

解放以来,我国的岩土工程勘察设计工作取得了长足的进步,特别是计算机技术和现代科技技术的应用,使岩土工程勘察、设计工作更是迅猛发展,主要表现在:(1)我国岩土工程勘察在装备和先进技术应用水平上有较大进步和提高,尤其是进入20世纪90年代以来,各勘察设计院在勘探、测量、设计等方面对计算机的应用都有了很大的发展;(2)随着RS、GIS,GPS(3S技术)的发展与集成,已促使岩土工程勘察进入到以数据库为核心的勘察设计一体化产业体系。但是在注视上述发展的同时也应该看到,目前虽然计算机辅助设计(CAD)已广泛应用于岩土工程勘察设计中,功能日益完善。但是,由于多种原因,岩土工程勘察设计之间仍有许多问题有待完善,我们需要克服存在的问题,使我国岩土工程勘察一体化取得长足进展,存在的问题主要是如下。

(1)勘察资料过于地质化。(2)各专业设计系统间封闭。(3)数字化地图与数字化设计系统间不够贯通。(4)设计软件不够完善。(5)软件的系统封闭性。(6)勘察信息数字化程度低。(7)系统综合能力差。(8)现有的岩土工程勘察设计系统基本不具有空间分析能力。(9)研究成果和软件与实际使用脱节。

2解决方法

从上述可以看出,目前岩土工程中最主要问题是勘察与设计分离、设计软件功能不够完善。要解决目前存在的问题,迫切需要建立一体化的体系。一体化作业的主要特点是勘察、设计各环节使用计算机作业。勘察阶段为设计阶段,上道工序为下道工序以及各专业工种间提供接口数据文件以使数据传递流畅,达到数据共享。这样,作业速度快,缩短了勘察设计周期,文件资料一致、整洁、质量高,从而提高岩土工程勘察设计的效率,节省人力,提升经济效益。

要实现岩土工程勘察设计的一体化,应该实现岩土工程勘察设计流程的数字化。掌握先进的地理信息系统技术(GIS)、空间数据管理技术、岩土工程建模技术、计算机图形学技术、地质统计技术和随机场理论,这一些技术与理论应该是实现岩土工程勘察设计数字化的基础。

岩土工程勘察设计一体化系统是一个多专业多学科的系统工程,是学科计算机技术的集成。集成即是创新,因此岩土工程勘察设计一体化建设是一项长期的而艰巨的任务。要解决目前存在的问题,一方面需要建立一个统一的框架结构和协同工作环境,进行系统的总体设计和制定切合实际的实施方案,另一方面要充分利用大量的已经成熟的技术并寻求新的或有待开发的先进技术的支持,如虚拟现实技术、专家系统、数据挖掘和知识发现技术等等,虽然这

些技术的出现只不过是几十年,甚至是十几年、几年的事情,但它们在岩土工程勘察的应用中已取得了许多长足的进展。

3岩土工程勘察一体化

3.1岩土工程勘察一体化定义

按照定义,一体化就是将一些分散而多种多样的要素或单元合并组合成一个更加完整或协调的整体。由于一体化创造了一个更加完整或协调的整体,所以被认为是一种产生极大价值的变化过程。

在岩土工程勘察设计中,一体化通常认为是将不同的学科结合起来的一种方式,而这种方式有助于建立(或创造)一种全新的分析过程。

现实中,一体化是一个很难被确切定义的概念。勘察设计包含了许多基础学科,因此在实践上存在着各种不同专业不同工作分支的一体化问题。基于这种现状,一体化有以下几种认识。

(1)纵向和横向一体化。可以根据勘察设计学科纵向一体化和多学科相交叉的横向一体化而制定出一个基本的区别界限。纵向一体化的一个实例是不同的地球物理勘察技术人员在一起,以不同的地球物理解释方式在相同的平台上工作,对于一个特殊的工程场地状况所进行的解释工作。而横向一体化是指涉及不同学科而进行的一体化工作。横向一体化工作相对纵向一体化工作更为复杂,主要困难在于常规操作平台之间相互的可操作性相对较小,而且在绝大多数情况下,不同专业技术人员更侧重于他们自己的专项研究。

(2)松散与密切一体化.松散与密切一体化主要指不同应用软件相互之间可操作性的程度。松散与密切一体化可以在一般意义上和工作过程中予以判定。如当一位构造地质学家与一位土木工程师讨论在他们研究工作中所确定的断层位置时,这种情况称为松散一体化。当几位构造地质学家一起工作,利用他们各自的工具去确定断层位置时,称这种一体化为密切一体化。

(3)岩土工程勘察一体化系统是指应用当代测绘技术、数据库技术、计算机技术、网络通信技术和CAD技术,通过计算机及其软件,把一个工程项目的所有信息(勘察、设计、进度、计划、变更等数据)有序地集成起来,建立综合的计算机辅助信息流程,使勘察设计的技术手段从手工方式向现代化CAD技术转变,作到数据采集信息化、勘察资料处理数字化、硬件系统网络化、图文处理自动化,逐步形成和建立适应多专业、多工种生产的高效益、高柔性、智能化的工程勘察设计体系。岩土工程勘察设计一体化体系可包括四大块,即数据采集系统、勘察信息处理系统、岩土工程勘察设计DataBase管理系统、计算机文档管理系统。岩土工程勘察一体化系统的概略工作流程为数据采集系统→勘测信息管理系统→工程地质数据库管理系统→计算机文档管理系统。

3.2岩土工程勘察一体化系统的组成

岩土工程勘察一体化系统涉及的地理信息系统(GIS)、数据库、计算机图形学、地质学、地质统计学、地质建模、AutoCAD和WORD自动化等等一系列技术,他们以岩土工程勘察、设计规范作为相互联系的基础组成一个系统工程,如图1所示。这种一体化系统将以上诸多学科紧紧联系起来,改变了以往各学科独立工作,相互之间没有什么交流的工作方式。它促使

各学科之间相互交流、反馈。综合上面所述,我们应当明白要实现岩土工程勘察一体化,必须先实现岩土工程勘察数字化。岩土工程勘察数字化是实现一体化的先决条件。本论文主要的内容与涉及的工作是关于岩土工程勘察数字化系统的研究。

4 GIS在岩土工程勘察中的应用

岩土工程勘察设计一体化系统与地理信息系统虽属于两个不同研究领域,但岩土的工程力学性质具有地理信息的属性,即二者之间存在着一个重要的相似之处,即它们都蕴含着与空间坐标有关的信息。岩土工程勘察设计一体化侧重于在空间信息基础上进行设计、并对设计结果作出分析、评价和决策。它离不开全面的空间信息的支持。而地理信息系统侧重于对各种空间信息的采集、管理和分析。

如将地理信息系统技术,应用于岩土工程勘察设计,利用GIS强大的数据采集、管理能力和空间查询、空间分析能力,对岩土工程勘察、设计、施工中获取的大量的、形式多样的信息进行有效地管理和分析,并为设计方案的生成、分析、评价和决策提供全面的信息支持,将为岩土工程勘察设计走向一体化开辟一条有效途径。

将地理信息技术用于岩土工程勘察设计,与传统的岩土工程勘察设计技术相比,

具有以下优势。

(1)地理信息系统强大的数据采集和数据处理能力,使岩土工程勘察数据来源更加广泛,数据采集质量更高、速度更快。(2)勘察设计数据具有内容上的复杂性和形式上的多样性等特点,传统的勘察设计系统对其处理显得无能为力。能够描述和表达复杂的空间实体且对于图形、图像数据和属性数据高度集成的地理信息系统数据库,为全面管理勘察设计信息提供了可能,从而为建立完善的专业设计模型、分析模型、评价和辅助决策模型提供了全面的信

息支持。(3)GIS空间分析功能,如拓扑叠加、缓冲区分析又数字地形分析等,为建立完善的专业设计、分析、评价、辅助决策模型提供了强有力的分析工具。(4)GIS强大的可视化操作能力,为岩土工程勘察提供了一个可视化操作平台。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。