于 琳，王海起，張志華，呂三和，周圣川*

（1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京210013；3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；4.海陸地理信息集成與應(yīng)用國家與地方聯(lián)合工程研究中心，山東 青島 266033）

巖土工程勘察內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

于 琳1,2，王海起1，張志華3,4，呂三和3，周圣川3,4*

（1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京210013；3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；4.海陸地理信息集成與應(yīng)用國家與地方聯(lián)合工程研究中心，山東 青島 266033）

針對傳統(tǒng)的巖土工程勘察內(nèi)﹑外業(yè)作業(yè)中存在數(shù)據(jù)記錄模糊﹑信息內(nèi)業(yè)錄入錯誤﹑產(chǎn)生重復(fù)勞動等問題，研究了巖土工程勘察數(shù)字化移動采集的關(guān)鍵技術(shù)；并基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫融合轉(zhuǎn)換和移動數(shù)據(jù)采集技術(shù)實現(xiàn)了GIS與巖土工程勘察工作的無縫融合，構(gòu)建了內(nèi)外業(yè)一體化工作方法；實現(xiàn)了土層﹑采樣﹑動探﹑標(biāo)貫等工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集﹑內(nèi)業(yè)無縫融合及勘察數(shù)據(jù)電子表單的自動化輸出，以及從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)管理再到數(shù)據(jù)應(yīng)用的全生命周期數(shù)字化﹑智能化勘察作業(yè)。該成果已應(yīng)用于青島市地鐵3號線的勘察工作中，效果顯著，降低了勘察技術(shù)人員的工作強度，提高了工作效率，為移動GIS在勘察領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

巖土工程勘察；移動GIS；iPad；內(nèi)外業(yè)一體化

傳統(tǒng)的勘察數(shù)據(jù)采集模式是先在野外進行紙質(zhì)編錄，再回到室內(nèi)對數(shù)據(jù)進行整理篩選，最后逐項輸入到數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理。這種工作模式已不能適應(yīng)現(xiàn)在勘察任務(wù)重﹑工期緊的形勢需要，存在很多弊端：① 作業(yè)方式陳舊，工作效率低；②信息重復(fù)錄入錯誤率大，降低了勘察數(shù)據(jù)質(zhì)量；③較多的人為因素導(dǎo)致工作模式不可追溯﹑項目不可控；④原始資料不宜保存，數(shù)據(jù)更新困難；⑤數(shù)據(jù)采集不能進行實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)紊亂，需要二次采集[1-3]?；诖耍S著移動GIS技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種以ArcGIS API for iOS和異構(gòu)數(shù)據(jù)庫融合轉(zhuǎn)換為主要技術(shù)的內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)方案，實現(xiàn)了巖土工程勘察全程無紙化作業(yè)，解決了傳統(tǒng)作業(yè)模式的弊端。

目前，移動GIS技術(shù)在地下管線數(shù)據(jù)采集[3]﹑城鄉(xiāng)規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)法[4]﹑地理國情野外調(diào)繪[5]﹑測繪外業(yè)數(shù)據(jù)信息采集[6]等方面應(yīng)用廣泛。綜合對比分析了當(dāng)前各種移動終端設(shè)備的優(yōu)劣，其中iPad系統(tǒng)界面友好﹑電池續(xù)航能力強，內(nèi)置的GPS﹑陀螺儀等精度較高，可輔助勘察外業(yè)鉆孔放置。因此，本文基于iPad開發(fā)了巖土工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實地采集記錄，再將數(shù)據(jù)回傳至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器進行統(tǒng)一管理；并設(shè)計了相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)自動化處理。通過構(gòu)建覆蓋勘察工作全生命周期的移動化﹑網(wǎng)絡(luò)化﹑自動化系統(tǒng)，將移動GIS與巖土工程勘察工作有機結(jié)合，以提高工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合巖土工程勘察外業(yè)環(huán)境特點和行業(yè)需求，系統(tǒng)需實現(xiàn)在較大工作區(qū)域內(nèi)多客戶端的協(xié)同工作，實時提交數(shù)據(jù)到GIS服務(wù)器，快速﹑高效地完成地理空間數(shù)據(jù)的采集和更新工作，使整個生產(chǎn)流程內(nèi)外業(yè)一體化。鑒于C/S架構(gòu)功能強大﹑運行效率高﹑支持離線工作等特點[7]，系統(tǒng)采用C/S體系架構(gòu)，邏輯結(jié)構(gòu)分為基礎(chǔ)層﹑數(shù)據(jù)層﹑業(yè)務(wù)層﹑應(yīng)用層4部分，如圖1所示。

1）基礎(chǔ)層主要包括支持系統(tǒng)軟件運行的硬件設(shè)備：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器﹑應(yīng)用服務(wù)器﹑網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等。

2）數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫兼顧勘察內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，采用混合架構(gòu)設(shè)計。移動外業(yè)數(shù)據(jù)采用輕量級的SQLite數(shù)據(jù)庫采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用理正工程勘察CAD數(shù)據(jù)庫；服務(wù)器數(shù)據(jù)采用FTP文件服務(wù)器管理。

3）業(yè)務(wù)層形成模塊化的軟件工程組織架構(gòu)，各應(yīng)用端通過軟件通信接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互鏈接。其中用戶管理﹑數(shù)據(jù)采集﹑外業(yè)輔助屬于移動端；數(shù)據(jù)處理﹑報表管理屬于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理端；數(shù)據(jù)存儲屬于服務(wù)器端。根據(jù)運行環(huán)境和需求，不同的業(yè)務(wù)模塊分別采用不同的開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)。

4）應(yīng)用層是系統(tǒng)功能的載體，提供用戶操作界面，負責(zé)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)展示。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

目前，在巖土工程勘察行業(yè)中，常見的工程勘察軟件有理正﹑華寧﹑KT3000和上海軟盤等。通過比較各項指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，由北京理正軟件設(shè)計研究所開發(fā)的《工程地質(zhì)勘察CAD（GICAD）》軟件，技術(shù)領(lǐng)先﹑功能強大﹑適應(yīng)性廣，在各方面都具有較明顯的優(yōu)勢，適應(yīng)勘察單位長遠需求[8]。因此，系統(tǒng)采用理正工程地質(zhì)勘察CAD數(shù)據(jù)庫（.mdb）對勘察數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

圖1 巖土工程勘察內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)系統(tǒng)框架圖

受限于存儲空間和計算能力，移動設(shè)備一般無法運行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。SQLite數(shù)據(jù)庫訪問效率高﹑支持SQL查詢語法，尤其適合移動終端使用。因此，系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲管理采集數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。遵照巖土工程勘察相關(guān)標(biāo)準和規(guī)范，結(jié)合SQLite存儲數(shù)據(jù)的特點，在表結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分利用規(guī)范化關(guān)系理論來確定各數(shù)據(jù)表間的聯(lián)系[9]。系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息表通過鉆孔編號（ZKBH）有效關(guān)聯(lián)，主要信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

表1 主要數(shù)據(jù)信息表結(jié)構(gòu)

外業(yè)采集的數(shù)據(jù)以嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，不能直接被理正勘察CAD軟件所用，因此，本文在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，采用具有理正格式的Access MDB數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)庫與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)庫的無縫銜接。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為用戶管理﹑數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)管理﹑數(shù)據(jù)處理4大功能模塊。用戶管理模塊包括用戶登錄﹑操作用戶﹑權(quán)限管理﹑退出等功能；數(shù)據(jù)采集模塊包括屬性錄入﹑拍照﹑錄音﹑鉆孔地圖﹑輔助放點等功能；數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)的查詢﹑修改﹑添加﹑刪除﹑上傳以及日志管理等功能；數(shù)據(jù)處理模塊包括勘察軟件對接﹑報表生成﹑鉆孔信息瀏覽﹑多媒體數(shù)據(jù)輸出﹑附件管理﹑文件加密等功能，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)

外業(yè)移動采集終端采用iPad平板系列，iOS版本為9.1。開發(fā)語言為Objective-C，使用基于蘋果MacOS X操作系統(tǒng)的Xcode7.1.2開發(fā)平臺和iOS SDK開發(fā)包，服務(wù)器系統(tǒng)基于IIS搭建，移動設(shè)備使用FTP協(xié)議遠程傳送數(shù)據(jù)文件至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用.NET開發(fā)平臺，運用Visual Studio 2010開發(fā)工具，基于ArcGIS Engine二次開發(fā)實現(xiàn)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 ArcGIS API for iOS技術(shù)

ArcGIS API for iOS包括強大的GIS開發(fā)與定制能力，開發(fā)者可調(diào)用GIS功能快速定制用戶所需的地圖應(yīng)用，并部署在iPhone和iPad等移動設(shè)備上。ArcGIS API for iOS包含了本地化的Objective-C語言資源庫﹑模板和樣歷，可在Xcode IDE中使用。其提供的GIS功能包括使用GPS和地圖采集并更新GIS要素，識別位置和要素，地圖瀏覽，信息查詢等[10]。

2.2.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)庫融合轉(zhuǎn)換技術(shù)

巖土工程勘察內(nèi)﹑外業(yè)應(yīng)用終端采用了不同的數(shù)據(jù)存儲管理模型。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的獨立制定，滿足實際需要﹑方便數(shù)據(jù)更新，但需通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進行異構(gòu)空間的無損轉(zhuǎn)換[11]。iPad采集系統(tǒng)是為外業(yè)服務(wù)的，依據(jù)外業(yè)需求制定數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，如土層表每條屬性信息按回次進行記錄；理正勘察CAD軟件是為數(shù)據(jù)分析服務(wù)的，MDB數(shù)據(jù)庫按照內(nèi)業(yè)要求制定與理正勘察CAD軟件相對應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，如土層表依據(jù)主層編號進行存儲，每條記錄表示一類土層。iPad采集系統(tǒng)為了將數(shù)據(jù)批量無縫地轉(zhuǎn)換為理正勘察CAD軟件格式，在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)制定上參考了理正勘察數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)外業(yè)需求進行了優(yōu)化，并通過程序以過程化﹑自動化的方式進行無縫融合轉(zhuǎn)換，既滿足內(nèi)業(yè)需要又符合外業(yè)技術(shù)規(guī)范要求，是一種可供參考的無縫整合內(nèi)﹑外業(yè)數(shù)據(jù)模型的技術(shù)方法。

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要在iPad端實現(xiàn)土層﹑取樣﹑動探﹑標(biāo)貫等工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)的采集；調(diào)用iPad的GPS功能，在工作區(qū)地圖上進行外業(yè)輔助放點。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，系統(tǒng)提供巖樣拍照功能；對不利于手工錄入的勘察環(huán)境，系統(tǒng)支持錄音﹑錄像，以提高數(shù)據(jù)記錄效率，完整再現(xiàn)現(xiàn)場情況，對數(shù)據(jù)檢核﹑分析，檔案留存具有很重要的現(xiàn)實意義。

工作區(qū)的底圖以離線地圖包（.tpk）的形式預(yù)先存儲于系統(tǒng)中。用戶選擇當(dāng)前工程，系統(tǒng)則自動切換底圖數(shù)據(jù)，支持工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫十萬余條矢量要素的疊加顯示。用戶可采用多點觸控手勢，流暢地進行瀏覽﹑放大﹑縮小和平移等操作。在地圖上系統(tǒng)通過顏色來區(qū)分顯示不同采集類型的鉆孔點位，用戶可瀏覽鉆孔點的基本屬性信息，并與數(shù)據(jù)錄入界面交互或通過鉆孔列表功能直接采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可讀取iPad的GPS/VRS傳感器﹑陀螺儀傳感器信息，再通過地圖上作業(yè)人員的位置﹑朝向與周邊鉆孔的相對位置關(guān)系，實現(xiàn)對鉆孔的輔助放置和可視化檢核。外業(yè)數(shù)據(jù)的采集如圖3所示。

圖3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

為了避免數(shù)據(jù)造假和不規(guī)范的修改，方便對工作歷史記錄進行回查。用戶對數(shù)據(jù)的所有修改操作均被強制記錄日志，且所有日志信息均為只讀無法修改或刪除。記錄內(nèi)容包括用戶修改的時間﹑地點﹑操作類型﹑原始值及修改后的最新值等信息。系統(tǒng)支持用戶選擇界面，普通用戶只能查看自己的日志，管理員用戶可查看任意用戶日志。

采集完成的工程文件通過FTP協(xié)議實時遠程回傳至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)并行工作提高效率。FTP協(xié)議可減少或消除在不同操作系統(tǒng)下處理文件的不兼容性，允許文件具有存取權(quán)限，提高文件共享性，保證數(shù)據(jù)安全。在數(shù)據(jù)服務(wù)器終端上，各作業(yè)室或作業(yè)人員均只能使用自己的授權(quán)賬戶和密碼訪問文件。

2.3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理模塊

外業(yè)采集只是錄入其所需的屬性信息，對數(shù)據(jù)的精細化處理主要在內(nèi)業(yè)完成。從數(shù)據(jù)服務(wù)器下載的文件仍以.db格式存儲，需轉(zhuǎn)換成.mdb格式，與理正勘察軟件無縫銜接；原始手記數(shù)據(jù)薄需以規(guī)范化電子表單的形式管理和輸出新增的多媒體數(shù)據(jù)。根據(jù)以上內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要，本文基于.NET開發(fā)了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，如圖4所示，實現(xiàn)了外業(yè)采集數(shù)據(jù)無縫導(dǎo)入理正勘察CAD軟件，以及自動化生成規(guī)范的Word格式電子數(shù)據(jù)記錄表。目前，系統(tǒng)支持鉆探野外記錄表﹑野外標(biāo)準貫入度試驗﹑動力觸探工作記錄表﹑試驗委托書（土試樣）﹑試驗委托書（巖石﹑水土腐蝕性分析）等電子表單。輸出的圖片和錄像數(shù)據(jù)分別以.jpg和.mp4格式存儲。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本文以青島市地鐵3號線市南段工程作為第一批試生產(chǎn)區(qū)域，巖土工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試點工作中投入使用15臺，并于2016年3月全部完成，提高了工作效率。通過工程實踐驗證了系統(tǒng)設(shè)計的合理性和工程應(yīng)用的可靠性。

圖4 外業(yè)數(shù)據(jù)無縫導(dǎo)入理正勘察CAD軟件

在投入大規(guī)模生產(chǎn)項目前，系統(tǒng)在含有20個鉆孔點的小范圍內(nèi)，通過與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集同步測試對比可知，移動采集更多元化，融入的地圖功能﹑GPS輔助放點功能提高了勘測精度。現(xiàn)場測試情況如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用測試

將移動采集數(shù)據(jù)實時回傳至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)的雙向﹑可追溯式管理，省去了傳統(tǒng)方式的手動入庫環(huán)節(jié)，避免了重復(fù)勞動，結(jié)合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)內(nèi)﹑外業(yè)同步作業(yè)，提高了工作效率。如圖6所示，相比于傳統(tǒng)紙質(zhì)數(shù)據(jù)記錄薄，電子數(shù)據(jù)表單數(shù)據(jù)清晰﹑準確，更易長久保存。

圖6 自動化勘察數(shù)據(jù)報表

在小范圍內(nèi)測試取得很好的試用效果后，系統(tǒng)在本次試生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)進行推廣應(yīng)用，應(yīng)用情況如表2所示。從實驗結(jié)果可知，智能化作業(yè)方式將項目工期由7 d縮短為3 d，效率提高一倍以上，且系統(tǒng)的穩(wěn)健性﹑易用性得到了驗證。系統(tǒng)實現(xiàn)的流程化﹑交互化﹑自動化作業(yè)，減少了人工干預(yù)，保證了作業(yè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本﹑作業(yè)強度，顯著地提高了工作效率，遠遠超出了開發(fā)前的預(yù)期效果。

表2 傳統(tǒng)方式與移動采集的應(yīng)用測試對比

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的巖土工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)采集方式相比，信息化程度高，操作靈活，存儲可靠；與服務(wù)器端的交互，使得外業(yè)數(shù)據(jù)能實時回傳，降低了工作強度；結(jié)合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)高度自動化處理軟件，形成內(nèi)外業(yè)一體化的新型工作模式，提高了工作效率。在實際生產(chǎn)項目中的應(yīng)用驗證了該系統(tǒng)推廣價值。今后將進一步完善系統(tǒng)功能，重點研究勘察數(shù)據(jù)的移動端動態(tài)實時展示﹑地質(zhì)體多形式可視化等方面，將測繪地理信息與巖土工程勘察兩大專業(yè)技術(shù)進行更深一步地交叉整合，通過移動GIS技術(shù)促進巖土工程勘察技術(shù)的進步與發(fā)展。

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P208

B

1672-4623（2017）09-0057-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.018

2016-07-04。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41471322）；山東省自然科學(xué)基金資助項目（ZR2012DM010）。（*為通訊作者）

于琳，碩士研究生，主要研究方向為移動GIS開發(fā)及數(shù)據(jù)可視化。