李清波

（黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

工程勘察是保障工程建設順利實施的重要基礎。全面、準確、快捷地采集和處理各類工程勘察信息，分析評價主要工程地質(zhì)問題，提出合理的工程處理措施，是工程勘察的主要任務。傳統(tǒng)勘察作業(yè)方式效率低下，需要耗費大量人力物力［1］。隨著計算機、移動通信、3S、BIM等信息技術(shù)的不斷發(fā)展，工程勘察領域全流程的數(shù)字化、信息化技術(shù)研究逐漸深入。工程勘察行業(yè)在信息化技術(shù)發(fā)展的推動下，從傳統(tǒng)的“紙筆”模式逐步走向信息化、智能化工作模式［2］。

作為工程建設的基礎與環(huán)境，巖土體存在性質(zhì)不均一、空間不連續(xù)等特征，全面、準確地獲取工程勘察信息存在一定難度；而且工程勘察數(shù)據(jù)類型繁多、結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)勘察手段、勘察工具的信息化基礎薄弱，不同環(huán)節(jié)間的勘察數(shù)據(jù)傳遞不暢［3-4］。在此基礎上的數(shù)據(jù)分析、模型表達、工程評價也還存在諸多問題，工程勘察信息化的技術(shù)鏈條還不完備［5］。同時，工程勘察涉及的專業(yè)眾多，不同專業(yè)的工作環(huán)境和作業(yè)手段有差異，其信息化發(fā)展水平參差不齊。對于水利水電、能源、交通等國家重大工程建設領域，大范圍、長線路、艱險區(qū)的工程勘察數(shù)字化、信息化水平還有待提高，如何構(gòu)建完善的數(shù)字工程勘察技術(shù)體系，是工程勘察行業(yè)信息化建設迫切需要解決的技術(shù)難題。

針對上述需求與自身工作需要，筆者在勘察業(yè)務流程、工作模式、技術(shù)手段的基礎上，依托國家“863”計劃、水利部“948”項目等重大科研項目和南水北調(diào)西線、黃河古賢、涇河東莊等重大水利工程項目，綜合運用高精度遙感、InSAR、無人機、圖像識別、移動GIS、數(shù)據(jù)庫、BIM等技術(shù)，在工程勘察數(shù)字化、信息化方面進行了全面的探索和實踐，從而總結(jié)了工程勘察全流程信息化工作模式，提出了數(shù)字工程勘察的定義，建立了空地融合數(shù)字工程勘察技術(shù)體系。

1 勘察信息技術(shù)現(xiàn)狀與不足

在數(shù)據(jù)采集方面，隨著信息技術(shù)在勘察領域應用的逐漸深入，勘察內(nèi)外業(yè)一體化技術(shù)得到顯著提升，國內(nèi)多家單位先后研發(fā)了勘察信息采集系統(tǒng)［6-9］，實現(xiàn)了地質(zhì)測繪、勘探、物探、現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗信息的數(shù)字化采集。同時，高精度遙感解譯、InSAR變形監(jiān)測和無人機攝影測量等技術(shù)，在大范圍、長線路、艱險區(qū)勘察信息采集方面的應用不斷增加［10-12］，取得了常規(guī)手段無法比擬的技術(shù)效果。但這些技術(shù)在勘察領域的應用，多為單一手段的技術(shù)應用，協(xié)同化、一體化的信息采集相對較少。而智能鉆探、智能測試、智能識別等勘察信息采集技術(shù)多處于研究階段［13］，尚未完全形成生產(chǎn)力。

在勘察數(shù)據(jù)管理方面，不同單位的數(shù)據(jù)格式、存儲形式和管理方式各不相同，勘察數(shù)據(jù)存儲分散、碎片化嚴重［14］。工程勘察數(shù)據(jù)管理多針對勘察過程中采集的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對于不同來源或非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理相對較少。住建部頒布的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確要求勘察設計類企業(yè)要“研究構(gòu)建支持異構(gòu)數(shù)據(jù)和多種采集方式的工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工程勘察信息的有效傳遞和共享”。但企業(yè)級的勘察信息數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)庫，多處于相對封閉的狀態(tài)，上下游的數(shù)據(jù)流動不暢，無法充分發(fā)揮專業(yè)數(shù)據(jù)服務能力。

在勘察數(shù)據(jù)應用方面，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、報表生成、圖件繪制、成果輸出等基礎應用已實現(xiàn)信息化，理正、華寧等商業(yè)軟件在勘察工作中應用廣泛［15］。利用勘察數(shù)據(jù)進行巖土分析設計的商業(yè)軟件較多，在工程領域的應用較為普遍，如Dips、Slide、FLAC3D、理正分析設計等軟件。但這些巖土分析設計軟件的數(shù)據(jù)和模型格式各不相同，已有的三維地質(zhì)模型與分析計算模型不能共享，分析結(jié)果與支護設計無法自動交互，不利于工程勘察全流程的一體化應用。

在三維地質(zhì)建模與勘察信息展示方面，隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，勘察數(shù)據(jù)逐漸由二維平面進入三維空間，三維模型和BIM應用愈發(fā)普遍。但不同行業(yè)的三維建模軟件各不相同，三維展示效果和應用深度也存在較大差異［13］。勘察行業(yè)缺乏能夠被普遍接受和廣泛應用的三維建模軟件［16］，大多建模軟件與勘察數(shù)據(jù)、分析設計軟件還存在接口或轉(zhuǎn)換問題，在一定程度上制約了三維地質(zhì)建模技術(shù)的推廣應用。

目前，勘察信息技術(shù)應用主要集中在各個環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)傳遞不暢，勘察全流程信息技術(shù)研究相對較少，缺乏完善的數(shù)字化工程勘察技術(shù)體系，僅北京理正、南京庫侖、深圳秉睦等公司提出了巖土BIM框架、工作流程或整體解決方案，也開發(fā)了部分專業(yè)軟件，但距離行業(yè)全流程技術(shù)應用還存在一定的差距。

2 數(shù)字工程勘察技術(shù)體系

數(shù)字工程勘察是以工程所處的地質(zhì)環(huán)境為對象，以傳統(tǒng)工程勘察為基礎，以3S技術(shù)與新一代信息化技術(shù)為手段，以高效解決工程勘察與巖土工程問題為目標，構(gòu)建的集數(shù)字化采集、綜合化管理、協(xié)同化應用、可視化表達于一體的全鏈路數(shù)字工程勘察工作模式及應用服務體系（見圖1）。

2.1 數(shù)字化采集

數(shù)字化采集主要包括空天高精度遙感地質(zhì)信息識別與獲取技術(shù)、地面便攜式移動勘察信息采集技術(shù)、地下巖體綜合信息集成采集技術(shù)三大部分，分別從空天、地面、地下3個層次全方位獲取工程勘察信息，為綜合判斷工程地質(zhì)條件提供數(shù)據(jù)支撐?；诳仗焓侄潍@取的勘察信息可作為地面采集的基礎，用于外業(yè)復核驗證和針對性的數(shù)據(jù)采集。同時，地面采集的勘察信息能夠與地下巖體信息采集進行關聯(lián)，便于數(shù)據(jù)集成與協(xié)同應用。數(shù)字化采集系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

（1）高精度遙感地質(zhì)信息識別與獲取技術(shù)包括遙感層次解譯技術(shù)和面向地質(zhì)信息識別的無人機影像解譯技術(shù)。遙感層次解譯技術(shù)是以遙感信息和地形圖為信息源，建立三維可視化解譯系統(tǒng)，獲取地質(zhì)災害及其發(fā)育環(huán)境要素信息，通過便攜移動勘察信息采集系統(tǒng)進行現(xiàn)場驗證；面向地質(zhì)信息識別的無人機影像解譯技術(shù)針對特定工程靶區(qū)或主要場址區(qū)，通過垂直攝影測量和近景攝影測量，獲取特定對象多角度的近景影像，實現(xiàn)地質(zhì)測繪、地質(zhì)災害、邊坡及基坑施工地質(zhì)素描等地質(zhì)信息的準確識別與提取。

圖2 勘察信息數(shù)字化采集系統(tǒng)架構(gòu)

（2）便攜式移動勘察信息采集技術(shù)集GNSS定位、數(shù)字羅盤、數(shù)碼相機等功能于一體，實現(xiàn)在一臺智能終端上定位與地形圖實時關聯(lián)，數(shù)字化采集文字、素描、照片等地質(zhì)測繪、勘探、原位測試與試驗等數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字工程勘察信息綜合管理平臺進行綜合信息處理、管理與應用。該技術(shù)的應用替代了傳統(tǒng)外業(yè)人員工作必備的紙質(zhì)地形圖、記錄本、鉛筆、羅盤、GNSS、照相機等一系列野外作業(yè)裝備。

（3）地下巖體綜合信息采集技術(shù)集成SystemⅥ測井系統(tǒng)、全波列測井儀、電阻率測井儀、光學成像測試系統(tǒng)、鉆孔彈性模量測試儀、電磁波CT測試儀等多種鉆孔測試設備，實現(xiàn)同平臺下一次下井完成自然伽馬、電阻率、井徑、縱橫波速度、地下水流速流量、全孔壁光學成像及超聲圖像、孔徑、孔斜等十幾種物性參數(shù)的綜合采集，并可計算地層傾角、傾向、孔隙率、彈性模量、剪切模量、抗力系數(shù)、巖體完整性系數(shù)等衍生參數(shù)。

通過高精度遙感、InSAR、無人機、移動采集等技術(shù)的綜合應用，實現(xiàn)了基于空天手段的勘察信息快速獲取和地面地下工程勘察信息的數(shù)字化采集，構(gòu)建了多尺度、多場景、多手段協(xié)同融合的工程勘察數(shù)字化采集技術(shù)體系，全方位的數(shù)字化采集為工程全生命周期的勘察數(shù)據(jù)利用奠定了數(shù)據(jù)基礎。

2.2 綜合化管理

針對工程勘察數(shù)據(jù)類型和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理存在的問題，數(shù)字工程勘察要求對勘察數(shù)據(jù)進行綜合化管理。綜合化管理結(jié)合不同采集手段、不同數(shù)據(jù)類型、不同應用方向，建立了工程勘察信息分類與編碼技術(shù)標準，編制了工程勘察數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標識符，構(gòu)建了數(shù)據(jù)全面、管理高效、應用便捷的勘察數(shù)據(jù)中心，研發(fā)了數(shù)字工程勘察信息綜合管理平臺，提升了工程勘察數(shù)據(jù)共享與專業(yè)服務能力。

工程勘察數(shù)據(jù)中心不僅實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化勘察數(shù)據(jù)的集成管理，對多樣化、碎片化的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過有效的數(shù)據(jù)組織和索引結(jié)構(gòu)，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)化“散”為“整”、化“異構(gòu)”為“同構(gòu)”，還實現(xiàn)了對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的有效管理?？辈鞌?shù)據(jù)中心包括基礎地理庫、遙感影像庫、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、勘探數(shù)據(jù)庫、物探數(shù)據(jù)庫、試驗數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、模型庫和系統(tǒng)庫等（見圖3）。

圖3 勘察信息綜合化管理

綜合化管理以勘察數(shù)據(jù)中心為核心，通過多尺度、全要素、全過程勘察信息的一體化存儲與管理，實現(xiàn)了多源異構(gòu)勘察數(shù)據(jù)的深度整合，提升了工程勘察數(shù)據(jù)共享與專業(yè)服務能力。隨著勘察數(shù)據(jù)量的不斷積累和信息量的不斷豐富，通過數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、機器學習等新興技術(shù)手段，擴大數(shù)據(jù)服務領域和應用深度。

2.3 協(xié)同化應用

數(shù)字工程勘察協(xié)同化應用是在勘察數(shù)據(jù)中心的基礎上，通過基礎應用算法開發(fā)，實現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)自動分析、圖件精準繪制、格式自由轉(zhuǎn)換、成果批量輸出等功能；通過工程地質(zhì)評價與巖土分析設計算法、模塊研發(fā)，實現(xiàn)了多種分析方法的一體化協(xié)同應用，形成了空地融合的數(shù)字工程勘察應用技術(shù)體系。

協(xié)同化應用體系包括三維地質(zhì)建模平臺、巖土分析設計一體化三維平臺、雙護盾TBM施工隧洞圍巖分類系統(tǒng)、基于GIS的水庫區(qū)工程地質(zhì)條件綜合評價系統(tǒng)和3DSlopeGIS邊坡分析評價系統(tǒng)等（見圖4）。

圖4 勘察信息協(xié)同化應用

協(xié)同化應用體系可實現(xiàn)以下4方面的功能:

（1）勘察數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)可直接用于統(tǒng)計分析、圖件繪制、成果輸出等，實現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)的基礎應用。

（2）勘察數(shù)據(jù)中心的水庫區(qū)遙感解譯數(shù)據(jù)、勘察數(shù)據(jù)，可進入基于GIS的水庫區(qū)工程地質(zhì)條件綜合評價系統(tǒng)，開展水庫區(qū)滲漏評價、水庫塌岸分析、水庫浸沒分析等；同時能夠直接調(diào)用3DSlopeGIS邊坡分析評價系統(tǒng)，開展岸坡穩(wěn)定分析和評價工作。

（3）勘察數(shù)據(jù)中心的地下巖體綜合信息，通過雙護盾TBM施工隧洞圍巖分類系統(tǒng)，可直接進行TBM地質(zhì)適宜性評價和TBM圍巖分類等。

（4）勘察數(shù)據(jù)中心的建模數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)接口，進入地質(zhì)建模平臺構(gòu)建三維地質(zhì)模型；構(gòu)建的地質(zhì)模型能夠直接導入巖土工程分析設計一體化三維平臺，用于邊坡、洞室等巖土工程的分析評價與支護設計。

協(xié)同化應用基于“一套數(shù)據(jù)、一個模型”，不僅實現(xiàn)了勘察數(shù)據(jù)到地質(zhì)建模數(shù)據(jù)、分析評價數(shù)據(jù)的有效傳遞，還實現(xiàn)了三維地質(zhì)建模與分析計算、巖土設計的模型共享，從而系統(tǒng)化地提升了勘察數(shù)據(jù)整理、工程地質(zhì)評價和巖土分析設計工作效率。

2.4 可視化表達

數(shù)字工程勘察體系的可視化表達，在傳統(tǒng)勘察數(shù)據(jù)展示的基礎上，綜合運用GIS+BIM技術(shù)，在三維GIS環(huán)境中融合地質(zhì)BIM模型，充分發(fā)揮BIM模型具有精細幾何結(jié)構(gòu)與豐富語義信息、GIS環(huán)境具有地理空間分析與可視化場景的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了工程勘察信息的“一張圖”展示?；贕IS+BIM的可視化表達，便于不同階段、不同類型的勘察數(shù)據(jù)快速瀏覽與查詢，為工程布置、方案比選、運行維護提供重要支撐。

可視化表達中的地質(zhì)BIM模型，是將工程勘察的點、線數(shù)據(jù)，通過空間插值技術(shù)，構(gòu)建地層界面、風化界面、斷層面等三維地質(zhì)界面；然后通過面模型的布爾運算，形成各類地質(zhì)體，通過對地質(zhì)體進行屬性賦值，實現(xiàn)工程勘察信息的真三維展示。在地質(zhì)BIM模型的基礎上，集成基礎地理信息、遙感影像信息、工程勘察信息、三維地質(zhì)模型、分析結(jié)果模型和巖土設計模型等，融合三維地上與地下環(huán)境，在GIS環(huán)境中實現(xiàn)全階段、全要素、全專業(yè)工程勘察信息的可視化表達（見圖5）。

圖5 勘察信息可視化表達

3 工程應用

涇河東莊水利樞紐工程位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出山口約29 km，控制流域面積4.32萬km2。設計混凝土拱壩壩高230 m，水庫總庫容32.76億m3，是渭河下游河防工程體系中不可缺少的重要骨干工程。工程壩址區(qū)為深切V形河谷地貌，兩岸基巖裸露，山勢陡峻，自然坡度為60°～75°；水庫區(qū)長度約97 km，為黃土丘陵地貌和基巖中低山地貌，河谷深切，沖溝眾多，河曲發(fā)育。東莊水利樞紐工程勘察范圍大、周期長、工作環(huán)境艱險、地質(zhì)條件復雜，為全面提高勘察工作效率、提升勘察全流程信息化水平，工程勘察采用了空地融合的數(shù)字工程勘察技術(shù)。

勘察工作首先利用Landset-8和高分2號等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過高精度遙感地質(zhì)信息識別與獲取技術(shù)，對東莊庫壩區(qū)大范圍出露的主要地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)災害等信息進行快速識別提取；然后利用便攜式移動勘察信息采集系統(tǒng)和地下巖體綜合信息一體化采集設備，對地質(zhì)、勘探、物探、試驗等地面地下全要素勘察信息進行數(shù)字化采集，先后獲取4 376點地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)、29 376 m鉆孔數(shù)據(jù)、7 386 m平洞數(shù)據(jù)、61 486 m物探數(shù)據(jù)和1 853組巖土體試驗數(shù)據(jù)。

全要素勘察信息以統(tǒng)一、標準的數(shù)據(jù)格式，錄入勘察數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)多源異構(gòu)勘察數(shù)據(jù)的深度整合與管理。在工程勘察信息綜合管理平臺完成數(shù)據(jù)校審后，不僅能夠進行勘察數(shù)據(jù)的自動分析與高精度圖件的批量繪制，還可通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口直接導入三維地質(zhì)建模平臺，開展地質(zhì)BIM正向設計。東莊地質(zhì)BIM模型包括地表模型、鉆孔模型、平洞模型、地層模型、結(jié)構(gòu)面模型、堆積體模型、透水率模型、巖體分級模型等。

基于勘察信息綜合管理平臺，通過基于GIS的水庫區(qū)工程地質(zhì)條件綜合評價系統(tǒng)和3DSlopeGIS邊坡分析評價系統(tǒng)，對水庫區(qū)30處滑坡、68處塌岸和3處浸沒點進行了系統(tǒng)評價，大幅提高了水庫區(qū)工程地質(zhì)問題評價效率。利用東莊地質(zhì)BIM模型，系統(tǒng)開展了巖溶滲漏分析、建基巖體分析、壩肩抗滑穩(wěn)定分析，為壩址區(qū)關鍵地質(zhì)問題評價提供了重要支撐。地質(zhì)BIM模型與設計模型的順利裝配，有效指導了壩線比選、導流洞布置等工作。利用GIS+BIM技術(shù)，將高精度遙感數(shù)據(jù)、工程勘察數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)，加載到三維GIS環(huán)境中，實現(xiàn)了全階段、全要素工程勘察信息的可視化表達。同時，通過模型輕量化處理和網(wǎng)絡發(fā)布，各方工程建設人員可在瀏覽器中順利訪問。

利用空地融合數(shù)字工程勘察技術(shù)，實現(xiàn)了東莊水利樞紐工程多尺度、多場景、多手段協(xié)同的勘察信息技術(shù)應用，提高了勘察工作效率和成果質(zhì)量，為構(gòu)建智慧工程提供了重要支撐，對大范圍、長線路、艱險區(qū)的工程勘察全流程信息化應用具有一定的借鑒意義。

4 結(jié) 論

工程勘察是開展各類工程建設的工作基礎和首要環(huán)節(jié)，勘察數(shù)字化、信息化技術(shù)研究是促進勘察行業(yè)進步的重要保障。針對勘察信息技術(shù)應用中的不足，提出了數(shù)字工程勘察的概念，建立了集數(shù)字化采集、綜合化管理、協(xié)同化應用、可視化表達于一體數(shù)字工程勘察的技術(shù)體系和工作模式。

空地融合數(shù)字工程勘察技術(shù)體系在涇河東莊水利樞紐工程中的應用表明，該體系能夠提升勘察信息數(shù)據(jù)共享與專業(yè)服務能力，提高了勘察工作效率和成果質(zhì)量，為國家重大工程建設領域中大范圍、長線路、艱險區(qū)的勘察信息技術(shù)應用提供了借鑒。