浅析岩土工程勘察数字化技术的实现

【摘要】基于GIS的岩土工程勘察数字化系统的相关知识，如地理信息系统理论、地质统计学、土性相关距离理论、地质建模技术、岩土工程数据库技术等，在此基础上，对基于GIS的岩土工程数字化系统进行了研究并提出相关建议。

【关键词】岩土工程勘察；数字化；GIS；数据库

0 引言

岩土工程地质勘察是工程设计的先决条件，但传统的岩土工程地质勘察资料一般都局限于二维、静态的表达，这种表达描述场地地质空间构造起伏变化的直观性差，不能充分揭示场地地质空间变化的规律，难以使人们直接、准确、完整的理解和感受场地土的物理力学性质变化情况，也越来越不能满足岩土工程的空间分析要求，因此不能很好的服务于工程设计。如何突破传统岩土工程勘察的技术缺陷，如何利用岩土工程勘察资料来推断场地土的区域分布规律，如何利用岩土工程勘察资料来预测场地土的岩土工程性质，是岩土工程界一个古老而又有新意的问题。岩土工程地质勘察数字化主要解决的是岩土工程勘察中场地方域的数字化、场地物性指标的数字化、场地地层的数字化和岩土工程勘察数据库的设计。本文在分析、总结前人理论的基础上，提出了岩土工程地质勘察数字化的体系和具体的实现方法。

1 场地方域的数字化―地理信息系统

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是一门集计算机科学、信息科学、地理学等多门学科为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。一个典型的GIS系统应包括四个基本的组成部分：计算机系统（硬件、软件）、空间数据库系统、应用人员与组织机构和应用模型。

1.1地理信息系统的功能与应用

作为地理信息自动处理和分析系统，地理信息系统的功能与应用贯穿数据采集、分析、决策应用的全部过程，具体可概括为以下几个方面：

（1）数据采集与编辑。即在数据处理系统中将系统外部原始数据传输给系统内部，主要用于获取数据，保证系统数据库中的数据在内容上与空间上的完整性、数据值逻辑一致性等。目前可用于地理信息系统数据采集的方法和技术很多，如跟踪数字化、扫描数字化、遥感等。

（2）数据操作。包括数据的格式化、转换、概化。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换；数据转换包括格式转换（如矢、栅格式的转换）、数据比例尺的变换、投影变换等；数据概化包括数据平滑、特征集结等。

（3）数据的存储与组织。这是一个数据继承的过程，也是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织，其关键是如何将二者融合为一体。

（4）查询、检索、统计、计算功能。这是地理信息系统应具备的最基本的分析功能。

（5）空间分析功能。这是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机信息系统的根本区别。地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。一是空间检索，包括从空间位置检索空间实体及其属性和从属性条件集检索到空间实体。第二是空间拓扑叠加分析，空间拓扑叠加实现了输入特征的属性的合并以及特征属性在空间上的连接。第三是空间模拟分析，包括外部的空间模拟分析 （将地理信息系统作为一个通用的空间数据库，而空间模拟分析功能则借助于其它软件）、内部的空间模拟分析（利用地理信息系统软件来提供空间分析模块）和混合型的空间模拟分析（尽可能利用地理信息系统所提供的功能，同时充分发挥地理信息系统使用者的能动性）。

（6）输出功能。以报表、图形、地图等形式显示输出全部或部分数据。

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、并对设计结果做出分析、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、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一个可视化操作平台。

2 场地地层的数字化―岩土工程建模

所谓模型，就是根据实物、设计图、构想，按比例、生态或主要特征（属性）做成相似的物体或图件，用以显示、展示、揭示一类事物和问题。在岩土工程学科中，岩土工程地质模型，就是依据工程性状，将重要的岩土工程条件，亦可称要素，按实际状态，简明醒目地用图形表示出来，简言之，即工程与地质条件相互依存关系的图示。这种地质与工程结合形式一一模型，能较好地解决了地质与工程的脱节，便于设计人员充分认识与真正应用好岩土工程工作成果，它深化了岩土工程条件的研究，更抓住了影响工程岩土变形或破坏的关键条件，与此同时，还促进地质与工程结合后的岩土变形规律、效应与法则的理性化，在理论与实用的两方面均会得到实质性的进展。 2.1 岩土工程地质模型的特点

（1）确定性

岩土工程地质模型的应用特点是针对工程所涉岩土实体，它一般表现为场地

或地基。岩土工程工作者解释研究的对象是确定的岩体，相应的它的地质模型应

具有确定性，不应当只局限在有限个剖面上。

（2）可视性

可以有多种方式对岩土工程地质模型进行可视化表述，常见的有以下5种：

①三维景观方式。它容许人们从不同角度、不同方位、不同距离观看三维工程地质模型的表面。为了增强模型的真实感，还要加上光照、纹理等效果，给人以逼真的感觉。但它还是只能看到模型的表面。

②掀盖层三维景观方式。在三维景观方式的基础上，想象掀开上覆的盖层看到下伏工程地质界面，其实是第一种方式的变形。

③透视三维景观方式。假象穿透地质体的一些部分，看到内部的工程地质界面，这也可以看做是掀盖层三维景观方式的一种变形。

④切面方式。假象切开工程地质模型，看到地质模型内部的水平或垂直切面上的地质构造形态。由于在二维切面上能方便地进行量算、修改等操作，还可以采用平行切出一系列切片的方式来形象地反映工程地质模型的内部结构，因而它是用二维方式来表达三维模型内部结构的一种理想方式，地质工作中常用的剖面图就是这种方式的原形。在三维模型的支持下，用切面方式能产生很好的二维与三维联动效果，即在二维剖面上的修改将影响到三维模型的形态。

⑤投影等值线方式。将工程地质界面的等高线或界面交线垂直地投影到水平面上形成等值线图，地震勘探层位构造图、矿床标高或厚度等值线图等就是投影方式的原形。使用者可以根据工程地质界面的等高线图对工程地质界面的空间形态有着非常好的把握能力，因此，该方法是传统的用二维方式表达三维模型的重要方式之一。

（3）可修改性

要求工程地质模型具有可修改性是基于以下原因。一是由于勘探的实施获取了新的数据资料，需要对己经建立的地质模型进行细化；二是随着研究的深入，岩土工程师对地质模型有了新的认识，需要修改地质模型；三是利用已建立的地质模型指导进一步的勘探工作。可修改性使人们能对地质模型进行修改和处理，使设想中的东西变成虚拟现实。

2.2 岩土工程地质建模的实现方法

岩土工程地质建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法（也叫数字表面模型）的历史较早，它的基本内容就是通过精确的表示出工程地质体的外表面来表示均质地质体的建模方法。也是目前广泛使用的建模方法。

表面模型法的数据来源是通过测点获得的一系列离散的测点资料，包括测点的几何特征数据和属性特征数据。然后利用数据解释结果重构地质体界面。可以抽象为把一系列同属性的点按照一定的规则连接起来，构成网状曲面片，进而确定整个地质体的空间属性。有很多方法用来表示表面，常用的方法主要有数学模型法和图示模型法。

（1）图示模型法

常用的图示模型法有边界表示法、规则格网法、等值线法、不规则格网法等。

①边界表示法：通过面、线、点等简单几何元素的属性来表示工程地质体的位置、形状、属性，这种方法用来表示简单物体时十分有效。但对于很不规则的地质实体则很不方便，只有再降低精度要求的情况下，才可以使用。

②规则格网法（Grid ）规则网格：通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个属性值。

③等值线模型：等值线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有属性值的简单多边形或多边形弧段。由于等值线模型只表达了区域的部分属性值，往往需要一种插值方法来计算落在等值线外的其它点的属性值，又因为这些点是落在两条等值线包围的区域内，所以，通常只使用外包的两条等值线的属性值进行插值。

④不规则格网法（TIN ） ： TIN模型根据区域内有限个点将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果任意点不在顶点上，则该点的数字属性值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。

3 岩土工程勘察数据库的建设

岩土工程勘察数据具有多源性和空间性特点，常规关系数据库技术已不能满足人们对这些数据处理的需要，并且岩土工程勘察数据显著的空间特征和复杂的结构属性，使岩土工程勘察成为计算机科学可视化的一个既非常重要又十分复杂的应用领域。如何有效地在数据库系统的基础上利用计算机技术实现岩土工程勘察数据的时空分析、并开展定量结构刻画和空间建模，是摆在当今岩土工程勘察工作者面前的一道难题。值得庆幸的是，随着计算机信息处理技术飞速进步而迅猛发展起来的地理信息系统（GIS）技术，集计算机科学、地理学、地图学、计算机图形学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学以及数据库技术于一体，以其对空间地理数据强大的储存查询和分析处理功能、鲜明地区别于普通管理信息系统，它将空间数据处理、属性数据处理、空间分析与模型分析等技术与计算机技术紧密结合，展示了极强的空间表现力，它能够对复杂的地球空间数据进行采集、储存、分类、检索查询、刻画表述、分析建模，从而为我们开展相关研究提供了一个不可多得的、多学科集成的基础平台。因此，建立以处理空间数据为特征的岩土工程勘察数据库系统和高效、快捷地岩土工程勘察数据进行采集、储存、分类、检索查询、刻画表述、分析建模等功能的GIS平台是完全可以实现的。

3.1 基于GIS的岩土工程勘察数据库的建设

地理信息系统集数据库、制图、空间分析功能为一体，它的出现为地质领域繁杂的数据管理、多源的成果表达形式和空间数据分析提供了快速、方便、准确的手段。建立正确有效的信息数据库无疑是地质数据分析、研究的重要基础，一个高质量的数据库系统将使系统的功能得到最大限度的发挥。

（1）岩土工程勘察数据库的概念模型设计

岩土工程勘察信息处理系统是一个信息处理系统，信息或数据及其作用在信息或数据之上的处理是系统需求分析的主要任务，即要弄清需要有哪些数据，数据之间有何联系，数据本身有何性质，数据的结构和应对数据进行哪些处理，每个处理有什么逻辑功能。因此，为了把用户的数据要求明确地表达出来，首先在较高的抽象层面上，使用一种面向问题的数据模型（概念性数据模型），按照用户的观点来对数据和信息建模。

（2）数据库建立实现

岩土工程一体化系统的数据有三类：用户输入的原始数据、系统生成的中间数据及最终数据。

原始数据由测点数据组成，而测点数据又由测点几何属性数据（位置）和测点信息属性数据（地层厚度、地层顶面标高、含水率、孔隙度、抗压强度等物性参数）。

中间数据包括根据原始数据系统自动生成的地层层面等值线模型、三维表面模型、剖面模型等，根据这些模型可以生成用户需要的各种图件，还可以进行各种信息查询操作。

最终数据种类繁多，主要是根据用户需要由中间数据生成，包括图形资料（如单孔柱状图、连线剖面图等）和文档资料（如地质勘察报告等）。由于岩土工程的复杂关系，对于岩土工程的数据库管理必须严格遵循时间序列，即遵循原始数据―中间数据―最终数据的关系。

3.2 基于GIS的岩土工程数据库的主要功能

（1）数据输入

数据输入的时候关键是需要注意数据有效性检验和规范化处理。确保进库数据满足实际需要的精度和误差范围。

（2）数据库检索

某一实体的信息包括空间位置数据和属性数据两部分，相应地，数据库检索就可以依据实体的空间位置检索或依据实体的属性进行检索。空间检索包括 “图示点检索”、“图示矩形检索”和“区域检索”，而“条件检索”和“交叉条件检索”则属于属性检索。利用数据库检索这一功能检索和提取数据中的地质信息。

（3）空间分析

空间分析包括以下3个内容：

①叠加分析。包括区对区叠加分析，区对线叠加分析，区对点叠加分析，点对线叠加分析等。

②缓冲区（Buffer）分析。包括点缓冲区分析，线缓冲区分析，区缓冲区分析。

③多层立体叠加。

（4）属性分析

包括为单属性统计分析、单属性累计直方图、单属性累计频率直方图、单属

性分类统计、单属性基本初等函数变换、双属性累计直方图、双属性累计频率直

方图、双属性分类统计、双属性四则运算等。

（5）数据输出

数据库中单表、双表、多表的单项数据、双项数据、多项数据的单向和多向输出和多组合输出。这项功能的完成有赖于上述各项任务的完成程度，其目的是使用数据库中装载的数据来完成某项任务或为某项任务提供数据。

4 结论与建议

本文主要论述了基于GIS的岩土工程数字化系统涉及到的相关理论知识，如地理信息系统理论、地质统计学、土性相关距离理论、地质建模技术、岩土工程数据库技术等，在此基础上，对基于GIS的岩土工程数字化系统进行了研究，提出以下建议：

1、在岩土工程建模中没有考虑断层、透镜体等地质现象的影响，岩土工程

地质模型有一定的局限性。为解决此问题，其中重要的环节是获取研究区域关于

这方面的实际资料，通过知识反馈不断来修正工程地质模型。

2、将研究区域当成一个统一体来看待的，没有区分不同地质单元的差别，如河流、湖泊与陆地的差别，这个问题的解决，应当通过划分区块，将不能统一对待的区域从研究区剔除出来。但这样做，会引起另外一个问题，就是研究区域在平面上就不是连续的，在插值计算时会有突变现象发生。对此问题的研究有待加强。

3、在地质物理力学性质指标的统计计算中是将研究区域作为一个区域体来看待的，而实际上往往是一个大区域在物理力学性质指标上可以划分为几个小区域。对此问题的解决首先确定小分区的边界，然后对每个小分区单独进行统计。