GIS發(fā)展對巖土工程的影響

鄧賢國 裴桂紅

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都610500)

GIS的發(fā)展與測繪科學的發(fā)展水平息息相關，對它的定義至今尚沒有國際統(tǒng)一的標準，不同學科和領域對GIS的定義有所差別.陳述彭等將GIS定義為:由計算機系統(tǒng)、地理數據和用戶組成的，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、經濟建設、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規(guī)劃、管理決策服務的系統(tǒng)[1].我國GIS在巖土工程中的運用雖然較晚，但是它的發(fā)展卻相當迅速，極大的促進了巖土工程的信息化.隨著我國基礎建設的發(fā)展，尤其是“十一五”期間公路、鐵路，大壩、跨海橋隧等數量眾多的大型項目的上馬，GIS已經廣泛的運用于巖土工程勘察、地質災害、地下工程、工程預測等方面.由于工程建設的需要，GIS在巖土工程中的運用越來越廣泛，同時GIS技術本身的發(fā)展也使GIS對巖土工程影響也越來越深.我國GIS運用于巖土工程主要開始于20世紀80年代，在此期間GIS的發(fā)展經歷了解析測繪、數字化測繪和信息化測繪三個階段，不同測繪階段GIS有著不同的發(fā)展水平和特點，在巖土程工中的運用以及對巖土工程的影響也大不相同.尤其是現在我國正處于信息化測繪發(fā)展階段，GIS在測繪中的地位越顯突出，它推動著各行各業(yè)信息化的迅速發(fā)展，為巖土工程信息化的發(fā)展提供了一個重要的時機.

1 解析測繪階段GIS技術開始運用于巖土工程

20世紀80年代至90年代初，我國測繪技術處于解析測繪階段，在此期間光電測量儀器大量使用，航測技術從模擬攝影測量向解析攝影測量發(fā)展，機助制圖技術廣泛應用，我國地理信息系統(tǒng)技術起步并得到較快發(fā)展，人們開始將GIS的理念和方法運用到巖土工程實踐當中.1993年龐忠和、鄔倫以廣東花縣芙蓉嶂地區(qū)新構造研究為例，將GIS方法與遙感技術及傳統(tǒng)地質方法相結合，綜合研究了我國南方花崗巖地區(qū)新構造[2].這一階段我國開始了利用GIS技術研究和解決巖土工程問題，從此我國巖土行業(yè)逐漸走向數字化、信息化.但是，當時我國的計算機技術和GIS技術才起步，GIS和計算機人才也相對較少，GIS理念還未流行，為解決巖土工程問題而開發(fā)的應用平臺很少也比較落后，很多關于利用GIS技術解決巖土問題的方法，大多還僅停留在理論的研究階段，并未真的利用到實際生產.

2 數字化測繪階段GIS對巖土工程的影響

2.1 數字化測繪階段GIS技術的發(fā)展

20世紀90年代我國測繪技術處于數字化測繪階段.所謂數字化測繪就是指測繪工作生產過程的數字化、測繪產品形式的數字化和測繪保障的數字化，生產過程實現自動化或半自動化.這個時期“3S”技術(遙感 RS、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS)迅速發(fā)展，形成了“3S”集成技術，此間，GIS實現功能的提升化，管理數據的海量化.地理信息系統(tǒng)基礎數據的獲取變得容易起來，在此期間我國建成了1:1000 000、1:250 000和1:50 000基礎地理信息數據庫，為GIS系統(tǒng)提供了強大的數據支持.隨著 GIS的發(fā)展，其理念越來越為人所了解，GIS技術在各行各業(yè)得到廣泛運用和發(fā)展，GIS人才層出不窮，專業(yè)GIS人員開始研究GIS在其他行業(yè)的應用，而其他行業(yè)中很多工程技術人員也越來越注重利用GIS來解決本行業(yè)問題.在GIS軟件平臺方面，我國不但引進國外具有代表性的專業(yè)軟件如:ArcGIS、MapInfo、Geo－Media、MGE等，還研制出了大量具有自主知識產權的GIS軟件平臺，其中具有代表性的有Supermap、MapGIS、GeoStar、TopMap、VRMap 等，GIS 軟件平臺變的豐富起來.

2.2 數字化測繪階段GIS促使巖土工程信息化、

可視化的出現和運用

數字化測繪階段GIS技術已經發(fā)展到一個較高水平，GIS人才充裕，軟件平臺發(fā)達，基礎數據的獲取方便，GIS在巖土工程中的運用逐漸發(fā)展和成熟起來.隨著GIS在巖土工程中應用的加強，巖土工程信息化和可視化越來越明顯，對具體巖土工程數據的管理、分析、處理變得越來越自動化、清晰化[3].GIS在工程勘察管理、環(huán)境評價、地質災害、工程預測、工程專家系統(tǒng)等方面得了廣泛的運用并取得了巨大的工程效益.

1)GIS與工程勘察管理

已有的工程勘察資料對后續(xù)的勘察、設計、規(guī)劃都有著十分重要的作用.它在一定程度上能夠宏觀地描述區(qū)域內的工程地質情況，提供一定的地形地貌數據及其人文環(huán)境等信息.這些信息能夠為初勘提供重要的參考信息，讓我們的初勘具有指導性，從而提高初勘的效果.對一些一般意義的工程，我們甚至可以根據現有的勘察信息直接制定詳細的勘察方案.因此，充分收集和利用現有勘察資料進行分析和處理，可以更好的指導勘察工作，節(jié)省大量的人力物力，提高工作效率.由于，GIS既可以組織管理海量數據，又能進行空間地理信息的分析和處理，因此收集區(qū)域內各種勘察資料，利用GIS平臺建立一個區(qū)域巖土工程勘察系統(tǒng)具有十分重要的意義.這個系統(tǒng)不僅能描述區(qū)域內的巖土工程概況，而且具有分析功能，能幫助人們在勘察設計、區(qū)域規(guī)劃等方面迅速地作出適當的決策.現在很多的部門和單位在這方面做出了大量相關的研究并取得了很好的成果.杜大宗建立了大慶油田巖土工程地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有巖土工程勘察資料的實時處理、分類存儲、查詢檢索、綜合統(tǒng)計功能.用戶可方便地進行圖形和屬性的雙向查詢，數據的空間分析.該系統(tǒng)在大慶油田區(qū)域規(guī)劃，大型產能和化工項目的選址，地下輸油輸氣管道防腐，建立大慶典型地層模型等方面產生了顯著的經濟和社會效益[4].

2)GIS與環(huán)境評價、地質災害

環(huán)境變化、地質災害及其影響因素都與其空間位置的分布密切相關.利用GIS技術管理其相關信息并進行空間分析既能幫助人們很好的了解其現狀，又能根據各個影響因素建立相關模型，對環(huán)境變化和地質災害的發(fā)展從不同空間和時間尺度作出定量或半定量地評價，從而作出環(huán)境變化和災害發(fā)生的超前預報，幫助制定優(yōu)化的防災減災方案.陶麗娜、唐勝傳等利用組件式GIS技術開發(fā)了了邊坡支護方案優(yōu)化設計系統(tǒng)，將地理信息、工程技術等有機地融為一體，不但能對公路沿線邊坡進行管理，還能對邊坡模型進行穩(wěn)定性評價，并提出相應的治理方案[5].李娜、高德政基于GIS技術，利用層次分析法對嘉陵江上游地質環(huán)境進行了綜合評價，為科學的開發(fā)嘉陵江流域自然資源，合理利用與保護開發(fā)地質環(huán)境，開展對該流域地質災害防治及生態(tài)地質環(huán)境保護，提供了重要參考依據[6].李明霞、李玉起等借助GIS相關理論和方法，以ArcGIS軟件為平臺，實現了對區(qū)域的砂土液化分級預測，為基于有限資料下的大區(qū)域砂土液化判別及預測提供了可行有效的途徑[7].1998年底開展的國土資源大調查，進行了“地質災害信息系統(tǒng)及防治決策支持系統(tǒng)”的開發(fā)研究，該系是一個面向全國地質災害調查和評價的綜合信息系統(tǒng)[8].

3)巖土工程GIS專題系統(tǒng)

在實際工作中我們可以針對具體的工程實際開發(fā)出相應的GIS系統(tǒng)，從而方便我們進行項目管理、數據分析.根據具體情況，我們可以直接采用GIS軟件也可以直接運用高級語言開發(fā)自己需要的系統(tǒng).馬明國、管頻基于遙感圖像利用Arc－View采用相應的模型計算出了甘肅省公路工程各區(qū)域的困難指數，為甘肅公路規(guī)劃提供了參考[9].李元海、朱合華開發(fā)了巖土工程施工監(jiān)測信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高級語言做的底層開發(fā)無需其它應用軟件系統(tǒng)支撐，主要以隧道、基坑和邊坡工程施工監(jiān)測為應用對象，對指導工程信息化施工、變更設計與科學研究具有較強的實用價值[10].

3 信息測繪階段GIS促進巖土工程的信息化和專業(yè)化

3.1 信息化測繪階段GIS的特點

以2003年“國家基礎測繪設施項目(大專項)”成功驗收為標志，我國開始了由數字化測繪向信息化測繪轉化和過度，我國測繪事業(yè)進入了信息化測繪建設新階段.目前對信息化測繪還沒有一個明確的定義，簡單的說，它是在數字化測繪的基礎發(fā)展起來的，是以基礎數據獲取實時化、空間化，信息處理自動化、智能化，信息服務社會化、多樣化、網絡化為特征的測繪模式.它的數據來源一是數字化測繪階段的數據成果，二是依靠現代更加強大的測繪手段實時動態(tài)更新的地理信息數據.其中第二點是信息化測繪達到高級階段才能實現的，目前我們只能實現基礎數據快速更新，離實時更新還有一段距離.信息化測繪的直接服務則是通過GIS來實現的，如果把信息化測繪比著一個精彩紛呈的大舞臺，GIS就是精彩節(jié)目的呈現者，其他測繪技術則是幕后工作者.信息化測繪階段，GIS展現著信息化測繪的各種優(yōu)點:功能取向服務化、數據獲取實時化、信息交互網絡化、信息共享法制化、信息服務社會化等.這些優(yōu)點必然會使GIS對巖土工程產生更加深遠的影響.

3.2 信息化測繪階段GIS在巖土工程中的應用及展望

1)巖土工程勘察設計一體化

2002年包惠明、胡長順提出了基于GIS的巖土工程勘察設計一體化的設想.其主要思想是:利用GIS強大的空間數據儲存和管理能力，把勘察資料數字化、數據庫化.同時加強勘察和設計環(huán)節(jié)的交流，勘察階段提供給設計階段提供設計需要的內容和數據格式;通過WebGIS服務器在勘察、設計單位內部和各工種之間實現數據共享，做到數據的區(qū)域共享，實現巖土勘察設計一體化[11].巖土工程勘察設計一體化系統(tǒng)結果如圖1所示.這個設想是在我國即將進入信息化測繪時提出的，具有很強的先見性和現實性.信息化測繪的宗旨是服務[12]，它向各行各業(yè)提供專業(yè)格式的、實時的、動態(tài)的基礎數據.其中對地形數據、數字高程模型(DEM)、數字地面模型(DTM)、遙感正射影像等成果的調用在巖土工程勘察設計中起著非常重要的作用;信息化測繪要建立的強大的網絡數據共享平臺，對實現勘察數據的區(qū)域共享提供了強有力的支持.信息化測繪的這些優(yōu)點全是巖土工程勘察設計一體化所必須的，而GIS是息化測繪成果的表達者，因此GIS的運用勢必會推動巖土工程勘察設計一體化取得巨大的進步.

圖1 勘察設計一體化系統(tǒng)結構Fig.1 system structure of survey and design Integrated

在實際工作中為了加強勘察設計的一體化，我們還要加強勘察數據、設計使用數據和信息化測繪共享數據格式的統(tǒng)一或互轉，對專業(yè)需要的而共享平臺沒有提供的數據要積極主動的測取，同時在一定的營運模式下這些數據在保證準確的情況下有可能也會提供給共享平臺，豐富共享平臺數據.勘察設計一體化是巖土工程信息化的一個重要體現，也是未來巖土工程信息化的主要方向.

2)信息化測繪階段GIS在巖土中的應用將更加廣泛和專業(yè)

信息化測繪階段相關的基礎數據獲取變的十分的容易，GIS平臺也更加的專業(yè)和方便，GIS在巖土工程中的應用必然會更加的廣泛.現在的巖土工程GIS系統(tǒng)更多的是對GIS軟件平臺良好的地學信息采集、存儲、分析和顯示功能的簡單運用，而巖土工程本身是力學、地質學、化學、環(huán)境科學、建筑科學等學科的交叉和融合，這勢必要求巖土工程GIS系統(tǒng)具有各種相關專業(yè)的分析模型，如模糊數學模型、數量化理論模型、信息論模型、人工智能模型、神經網絡模型、及各種專家系統(tǒng)模型等[13].巖土工程GIS系統(tǒng)是針對實際的問題而建立的，只有針對實際的問題在系統(tǒng)中建立起準確的模型，才能夠在存儲和管理好工程數據的同時，利用相應數據作出精確的分析，得到正確的結論.徐幫樹、徐建華等就利用相應算法研究了邊坡巖土數值分析相關數據的GIS數據存儲格式，提出了基于柵格的六面體有限元網格生成和基于TIN的三棱柱有限元網格的生成方法，并利用Arc－GIS 9.0、Ansys 7.0 實現了有限元網格自動生成[14].

4 結束語

在不同的發(fā)展階段，GIS在巖土工程生產中發(fā)揮著不同的作用，隨著GIS技術的提高，它勢會必促進巖土工程生產、管理的信息化.我國正處在邁入和建設信息化測繪的初級階段，GIS會得到前所未有的發(fā)展，我們應該把握這個時機，提高GIS在為巖土工程服務的能力，更好解決實際工程問題.同時，我們還要認識到在巖土工程生產中GIS是為巖土工程服務的工具，要完成好巖土工作必須做好基礎資料的收集，完成好必要的野外調查試驗、室內分析實驗等工作，并且針對具體問題進行研究建立相應模型.只有全面深入的做好這些工作，我們才能運用GIS更好的解決巖土工程的實際問題.

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