李進(jìn)敏，朱夏甫

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

1 研究目的

水電工程地質(zhì)勘察涉及專業(yè)廣、環(huán)節(jié)多、流程復(fù)雜，工程地質(zhì)專業(yè)承擔(dān)著勘察數(shù)據(jù)收集、整理、分析及成果輸出等工作。目前工程地質(zhì)專業(yè)的數(shù)據(jù)采集仍采用已沿用近百年的傳統(tǒng)方式，隨著水電行業(yè)勘測設(shè)計(jì)市場環(huán)境的變化，工程地質(zhì)勘察的工作周期變得越來越短，工程地質(zhì)專業(yè)迫切需要一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集無紙化、外業(yè)成果到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換快速化、勘察數(shù)據(jù)管理協(xié)同化、數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方案做支撐，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)信息一體化。通過行業(yè)需求分析、應(yīng)用市場調(diào)研、技術(shù)分析等工作，結(jié)合行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀及地質(zhì)專業(yè)的實(shí)際需求，提出了“工程地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)（以下簡稱“一體化平臺(tái)”）研究與應(yīng)用”科研課題。

一體化平臺(tái)以工程地質(zhì)專業(yè)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)整個(gè)工作流程的信息化、一體化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的信息化、內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的快速化、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和分析的協(xié)同化、工程地質(zhì)三維建模和圖紙繪制的智能化。

2 主要研究內(nèi)容

工程地質(zhì)專業(yè)在不同行業(yè)的工作內(nèi)容和技術(shù)要求存在明顯的差別，目前國內(nèi)外在工程地質(zhì)數(shù)據(jù)采集信息化方面的研究較為缺乏，部分行業(yè)有所探索，但對(duì)于水電行業(yè)的適用性較差；地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)管理和分析的研究雖然較為活躍，但各行業(yè)都缺乏規(guī)范化的專業(yè)數(shù)據(jù)庫，也沒有通用性較強(qiáng)的專業(yè)軟件面世；工程地質(zhì)CAD軟件開發(fā)和應(yīng)用百家爭鳴，但軟件架構(gòu)大同小異；地質(zhì)三維CAD技術(shù)目前仍處于探索和研究階段，形成生產(chǎn)力還需要進(jìn)一步的研究。地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)的研究就是為了在這些方面有所突破。

工程地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)的研究以地質(zhì)專業(yè)作業(yè)流程為主線、以專業(yè)技術(shù)需求為基礎(chǔ)，利用信息化新技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)終端技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)覆蓋工程地質(zhì)專業(yè)內(nèi)、外業(yè)各種工作需求的一體化信息平臺(tái)。

3 一體化平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

一體化平臺(tái)以工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心，子系統(tǒng)包括工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、三維建模及可視化分析系統(tǒng)、CAD繪圖系統(tǒng)、勘察數(shù)據(jù)可視化展示系統(tǒng)，平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要解決地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作的信息化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化、無紙化，數(shù)據(jù)采集后可直接轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，簡化內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換流程。該系統(tǒng)包括平洞數(shù)據(jù)采集軟件、鉆孔數(shù)據(jù)采集軟件、工程地質(zhì)測繪軟件、施工地質(zhì)數(shù)據(jù)采集軟件等多套軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合應(yīng)用移動(dòng)終端技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)，軟件基于Android系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)，運(yùn)行硬件環(huán)境采用平板電腦和智能手機(jī)。

通過研究工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集信息的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化，建立地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的地質(zhì)字典，極大的提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作效率；通過研究移動(dòng)終端和PC終端的數(shù)據(jù)交換方式，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)專業(yè)內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的智能化和快速化；外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多移動(dòng)終端的協(xié)同數(shù)據(jù)采集，通過采集數(shù)據(jù)與設(shè)備編號(hào)的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多設(shè)備協(xié)同采集數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分考慮了數(shù)據(jù)安全需求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)終端和云端的備份、恢復(fù)功能，保證了采集數(shù)據(jù)的安全。

鉆孔外業(yè)數(shù)據(jù)采集、平洞外業(yè)數(shù)據(jù)采集、工程地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)采集的平板電腦終端版本的軟件界面如圖2～4所示。

圖1 工程地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 鉆孔外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件界面

圖3 平洞外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件界面

圖4 工程地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)采集軟件界面

3.2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

考慮不同工程類型、工程規(guī)模和地質(zhì)條件等因素，以工程地質(zhì)專業(yè)工作流程為縱線、以工程地質(zhì)專業(yè)工作內(nèi)容為橫線，分析水電行業(yè)工程地質(zhì)專業(yè)不同類型的專業(yè)技術(shù)資料，抽象概括工程地質(zhì)專業(yè)內(nèi)、外業(yè)涉及的各種專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建工程地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫。

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理工作。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分配方式采用混合式，這樣的數(shù)據(jù)管理方式既保證地質(zhì)工程師工作的獨(dú)立性，同時(shí)又保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。數(shù)據(jù)管理采用在線和離線相結(jié)合的方式，可適用于各種地質(zhì)勘察工作環(huán)境，具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件可直接連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，不具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件可離線管理數(shù)據(jù)，待具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件時(shí)對(duì)離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行同步整合。

3.3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作。該系統(tǒng)根據(jù)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析的類型、過程和輸出成果的形式，按照工程地質(zhì)專業(yè)各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法和分析內(nèi)容的不同，基于地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)分析工作；系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)分析的需求建立標(biāo)準(zhǔn)化模板，采用組件式開發(fā)，利于系統(tǒng)的管理、維護(hù)和擴(kuò)展。

在工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過分析水電行業(yè)工程地質(zhì)專業(yè)的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析工作內(nèi)容，歸納地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn)化模板，同時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析的成果類型和技術(shù)要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析軟件的功能和架構(gòu)。各數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)置了多個(gè)數(shù)據(jù)篩選條件和數(shù)據(jù)分析設(shè)置項(xiàng)，能夠適用于不同的應(yīng)用需求，很好的平衡了數(shù)據(jù)分析的標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化需求之間的關(guān)系。

3.4 三維建模及可視化分析系統(tǒng)

工程地質(zhì)三維建模及可視化分析系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基于工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的工程地質(zhì)三維建模和可視化分析。該系統(tǒng)基于AutoCAD Civil 3D平臺(tái)開發(fā)，系統(tǒng)能夠根據(jù)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)模型與數(shù)據(jù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)和動(dòng)態(tài)更新；系統(tǒng)在三維模型空間存儲(chǔ)了工程地質(zhì)的核心數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)查詢各模型的地質(zhì)屬性；系統(tǒng)能夠完成基本的工程地質(zhì)可視化分析，能夠抽取各種工程地質(zhì)圖紙。

三維建模及可視化系統(tǒng)淡化了CAD軟件的圖層概念，通過工程地質(zhì)對(duì)象的類型管理和組織三維模型單元，地質(zhì)工程師可以不用深入了解三維設(shè)計(jì)軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)組織模式，僅從工程地質(zhì)專業(yè)角度組織和管理數(shù)據(jù)，極大的提高三維建模軟件的應(yīng)用效率。對(duì)于每個(gè)地質(zhì)三維模型單元，按照其工程地質(zhì)類別建立了工程地質(zhì)屬性，將三維幾何模型賦予了工程地質(zhì)特性。

3.5 CAD繪圖系統(tǒng)

工程地質(zhì)CAD繪圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繪制各種工程地質(zhì)圖件功能。該系統(tǒng)可以基于工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)三維模型完成工程地質(zhì)專業(yè)大多數(shù)圖件的繪制工作，包括實(shí)際材料圖、鉆孔柱狀圖、綜合地層柱狀圖、平洞展示圖、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平切圖、等值線圖、結(jié)構(gòu)面玫瑰花圖、結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖、結(jié)構(gòu)面赤平投影圖等。

地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)架構(gòu)下的地質(zhì)CAD繪圖系統(tǒng)，其核心功能已經(jīng)從傳統(tǒng)的CAD繪圖蛻變?yōu)榛诘刭|(zhì)三維模型的抽圖。地質(zhì)工程師在建立地質(zhì)三維模型過程中，各種地質(zhì)現(xiàn)象的空間分布形態(tài)已經(jīng)利用三維空間對(duì)象進(jìn)行了充分表達(dá)，地質(zhì)CAD繪圖系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的是如何基于這些三維空間對(duì)象抽取二維地質(zhì)圖紙。

3.6 勘察成果數(shù)字展示系統(tǒng)

工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)可視化展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化的勘察成果展示。系統(tǒng)基于GIS技術(shù)和三維CAD技術(shù)開發(fā)，整合了工程勘察工作區(qū)的地表三維模型和各種地質(zhì)三維模型，以虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化界面展示工程地質(zhì)勘察成果。系統(tǒng)不僅可以瀏覽勘察成果的空間位置關(guān)系，同時(shí)可以通過鏈接工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢功能。勘察成果數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)即可作為獨(dú)立的工程勘察的成果展示系統(tǒng)，也可作為工程數(shù)字化管理系統(tǒng)或全生命周期數(shù)字管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)使用。

4 關(guān)于地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化的幾點(diǎn)思考

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩?/p>

工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作環(huán)境較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡可能的提高數(shù)據(jù)采集的效率，地質(zhì)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化是提高數(shù)據(jù)采集效率的最有效途徑。通過實(shí)現(xiàn)地質(zhì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)字典，地質(zhì)工程師只需要從地質(zhì)數(shù)據(jù)字典中選擇需要記錄的信息，這種模式可大幅提高工作效率。另外，也可輔助采用一些新興技術(shù)，例如語音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，能夠在一定程度上提高數(shù)據(jù)采集效率，尤其是惡劣工作環(huán)境的數(shù)據(jù)采集工作。

地質(zhì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)來之不易，因此對(duì)于數(shù)據(jù)安全在軟件開發(fā)中也應(yīng)重點(diǎn)考慮。外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)備份、手動(dòng)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能，用戶根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，并可選擇任何備份恢復(fù)數(shù)據(jù)。另外數(shù)據(jù)的備份可采用互聯(lián)網(wǎng)云端備份模式，云端備份可保證在移動(dòng)設(shè)備終端損壞的情況下準(zhǔn)確恢復(fù)采集數(shù)據(jù)，云端備份應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效加密，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。

（2）地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)管理應(yīng)滿足不同工作環(huán)境的需求

水電工程多處于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，地質(zhì)工程師所處的工作環(huán)境難以保證都具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件，因此工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理軟件的開發(fā)應(yīng)考慮離線管理數(shù)據(jù)的實(shí)際需求。為適應(yīng)不同工作環(huán)境的需求，工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)宜采用分布式數(shù)據(jù)庫，同時(shí)采用分割式和全復(fù)制式相結(jié)合的混合式數(shù)據(jù)分配方式。簡單來說，不同的地質(zhì)工程師利用自己的終端處理不同的數(shù)據(jù)，這就是分割式數(shù)據(jù)分配；同時(shí)在數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用時(shí)可以通過系統(tǒng)自動(dòng)把數(shù)據(jù)匯總起來并同步到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，每個(gè)終端再復(fù)制一份完整的數(shù)據(jù)，這就是全復(fù)制式數(shù)據(jù)分配方式。這樣的數(shù)據(jù)管理方式既保證各個(gè)地質(zhì)工程師工作的獨(dú)立性，同時(shí)又保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。這種數(shù)據(jù)管理模式會(huì)大幅增加數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)的難度，但能夠更好地適應(yīng)不同工作環(huán)境的需求。

（3）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應(yīng)處理好標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化需求的關(guān)系

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)既要做到標(biāo)準(zhǔn)化又要能夠滿足一些個(gè)性化需求，沒有標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的開發(fā)就無所適從，但對(duì)于不同的工程規(guī)模、地質(zhì)條件、壩型、樞紐布置形式，地質(zhì)數(shù)據(jù)分析的要求也不盡相同。因此數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應(yīng)處理好標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化需求的關(guān)系。

例如，對(duì)于地質(zhì)勘探揭示的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的具體內(nèi)容、形式及成果輸出做到標(biāo)準(zhǔn)化，這樣可以快速生成地質(zhì)工程師需要的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，供地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)分析和評(píng)價(jià)；同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)樣本的選擇，不同的項(xiàng)目需求千差萬別，應(yīng)充分考慮個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同的工程區(qū)、工程部位、岸坡、風(fēng)化類型、卸荷類型等邊界條件內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律的自動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)。

（4）地質(zhì)三維建模系統(tǒng)應(yīng)與多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)充分銜接

三維設(shè)計(jì)工作只有實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)才能真正發(fā)揮其效率和作用，因此地質(zhì)三維建模系統(tǒng)的開發(fā)工作應(yīng)與三維協(xié)同設(shè)計(jì)的流程和技術(shù)要求做好銜接工作。

首先，應(yīng)分析地質(zhì)專業(yè)在三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的角色定位和工作流程，并據(jù)此設(shè)計(jì)地質(zhì)三維建模系統(tǒng)。地質(zhì)專業(yè)三維建模成果是設(shè)計(jì)專業(yè)開展三維設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專業(yè)關(guān)注的是與設(shè)計(jì)工作相關(guān)聯(lián)的各種地質(zhì)三維曲面或三維實(shí)體模型，對(duì)于地質(zhì)專業(yè)內(nèi)部分析使用的地質(zhì)三維對(duì)象可不關(guān)注。因此，地質(zhì)三維建模系統(tǒng)對(duì)于地質(zhì)專業(yè)內(nèi)部使用的模型對(duì)象和提供下序?qū)I(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的模型對(duì)象應(yīng)區(qū)別對(duì)待，專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)需要的模型對(duì)象既要滿足地質(zhì)專業(yè)的需求，又要兼顧下序設(shè)計(jì)專業(yè)的需求。

其次，地質(zhì)三維建模系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)好專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)接口，對(duì)于下序設(shè)計(jì)專業(yè)需要參照利用的模型對(duì)象，應(yīng)對(duì)模型樣式、模型名稱等內(nèi)容建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則并與下序?qū)I(yè)達(dá)成共識(shí)，這樣設(shè)計(jì)專業(yè)在協(xié)同設(shè)計(jì)過程中對(duì)于地質(zhì)模型對(duì)象的識(shí)別才能一目了然，否則三維協(xié)同設(shè)計(jì)就無從談起。

另外，地質(zhì)三維模型對(duì)象只有賦予工程地質(zhì)屬性才能提高其利用價(jià)值，僅提供地質(zhì)三維幾何模型不利于設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)用。地質(zhì)三維建模系統(tǒng)對(duì)于每一個(gè)地質(zhì)模型單元都建立了工程地質(zhì)屬性，在具備條件的情況下，應(yīng)探討設(shè)計(jì)專業(yè)三維建模軟件對(duì)于地質(zhì)模型中地質(zhì)屬性的繼承。例如，一個(gè)斷層三維模型，設(shè)計(jì)專業(yè)只有了解該模型單元對(duì)應(yīng)的各種地質(zhì)構(gòu)造特性數(shù)據(jù)，才能有針對(duì)性的設(shè)計(jì)工程處理措施。

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