GIS在鐵路工程勘察中的應(yīng)用綜述

徐黎明

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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GIS在鐵路工程勘察中的應(yīng)用綜述

徐黎明

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

GIS技術(shù)以其特有的功能已廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，其中包括鐵路工程勘察領(lǐng)域。分析GIS技術(shù)在鐵路工程勘察中的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的作用、存在的問題以及將來的發(fā)展趨勢。

鐵路工程勘察GIS

目前我國鐵路運(yùn)營里程已突破11.2萬km，其中高鐵運(yùn)營里程已達(dá)到1.9萬km，位居世界第一?！熬┙蚣絽f(xié)調(diào)發(fā)展”、“一帶一路”等戰(zhàn)略的提出也必將帶動鐵路建設(shè)的空前發(fā)展。在鐵路勘察設(shè)計過程中獲得的工程地質(zhì)勘察資料是非常寶貴的信息資源，這些成果不僅對當(dāng)時的鐵路建設(shè)起到指導(dǎo)設(shè)計施工的重要作用，而且還可以供附近線路及巖土工程建設(shè)參考利用，所以這些勘察成果也具有很高的重復(fù)利用價值[1]。然而，勘察資料的獲取、整理與存檔大多按傳統(tǒng)模式進(jìn)行，不同單位、不同工程、不同階段的勘察成果均是以文字報告、電子文件等方式孤立的存儲，很難實(shí)現(xiàn)勘察資料的高效重復(fù)利用、信息資源共享和綜合分析應(yīng)用[2，3]，嚴(yán)重影響利用率。GIS(地理信息系統(tǒng))憑借其特有的輸入、存儲、查詢、分析和可視化功能，能快速有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析，將GIS引入到鐵路工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域可以大大提高工作效率，提高已有勘察成果的利用率。

1　GIS概述

GIS是將管理、計算機(jī)、遙感、空間信息、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科融為一體的新興學(xué)科，并且已經(jīng)發(fā)展為一門新興的產(chǎn)業(yè)并應(yīng)用到當(dāng)今社會的各大領(lǐng)域，其中包括海洋氣象、農(nóng)林牧業(yè)、遙感測繪、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害、土地管理、地質(zhì)礦產(chǎn)、城市規(guī)劃及國防建設(shè)等[4]。GIS是一個以計算機(jī)為載體，以信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用模型分析方法為信息研究和決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)，具有以下幾項(xiàng)基本功能[5]。

(1)數(shù)據(jù)的輸入與編輯：GIS的這個功能主要用于采集數(shù)據(jù)，就是將需要統(tǒng)計分析和存儲的數(shù)據(jù)輸入到GIS系統(tǒng)中作為信息數(shù)據(jù)庫。輸入之后并不是一成不變的信息數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際情況隨時編輯修改。

(2)數(shù)據(jù)操作：GIS的此項(xiàng)功能主要包括信息數(shù)據(jù)的格式化及信息數(shù)據(jù)不同格式之間的相互轉(zhuǎn)換等。

(3)數(shù)據(jù)存儲與管理：數(shù)據(jù)的存儲是建立信息數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵，建立了信息數(shù)據(jù)庫才能實(shí)現(xiàn)GIS的其它功能。

(4)查詢、統(tǒng)計、計算：此項(xiàng)功能是GIS應(yīng)具備的最基本功能之一。GIS信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)非常龐大，人工查詢費(fèi)時費(fèi)力，很難實(shí)現(xiàn)。在GIS系統(tǒng)內(nèi)可根據(jù)需要查詢的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行條件搜索，快速查詢信息數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)行多重條件的統(tǒng)計、計算，此項(xiàng)功能也是GIS系統(tǒng)輔助決策分析的基礎(chǔ)。

(5)空間分析：此項(xiàng)功能是GIS的核心功能，是在GIS系統(tǒng)下輔助分析問題和解決問題的方法。

(6)顯示和輸出：GIS具有可視化功能，可以通過計算機(jī)屏幕將信息數(shù)據(jù)或是成果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，也可以通過文字報告、統(tǒng)計表格、平面圖件的方式將成果輸出。

2　勘察領(lǐng)域GIS應(yīng)用現(xiàn)狀

在GIS技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的研究方面，美國、日本等國外一些發(fā)達(dá)國家起步較早，在應(yīng)用的廣度和深度上均比國內(nèi)要好。20世紀(jì)90年代，美國已在水資源及工程勘察領(lǐng)域內(nèi)建成了80多個GIS系統(tǒng)。Ellen S.D.和Wentworth C. M.在1987年運(yùn)用GIS技術(shù)對區(qū)域工程勘察進(jìn)行分析；Peter D.C.等人于1991年將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程勘察信息數(shù)據(jù)的分析評價；以上國外學(xué)者的研究均取得了良好的效果[6]。1994年美國聯(lián)邦高速公路管理局(FHWA)與美國國家科學(xué)基金會(NSF)聯(lián)合建立了美國巖土工程試驗(yàn)GIS系統(tǒng)，這個GIS系統(tǒng)可以對所有現(xiàn)場的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、顯示、輸出和管理，進(jìn)而為工程地質(zhì)勘察服務(wù)。

國內(nèi)將GIS應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域的研究起步較晚，2000年之后國內(nèi)少數(shù)大城市的勘察單位開始將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域[8]，武漢、深圳、成都、上海、北京、廣州、杭州先后建立了本市的工程勘察GIS系統(tǒng)。在鐵路工程地質(zhì)勘察方面，屈曉輝、喬平等人探索了基于GIS的鐵路工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方案[9]。鐵三院開發(fā)了鐵路工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)。從整體上看，這些系統(tǒng)在研發(fā)與應(yīng)用方面都尚處于起步階段，多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)部分特定功能，輔助完成一些局部的工作。我國的工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)多停留在科研層面，工程實(shí)用還較少，很少用于工程實(shí)踐。

3　鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的功能

基于GIS本身具有的特定功能，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

3.1工程勘察數(shù)據(jù)的存儲、查詢與管理

數(shù)據(jù)的存儲、管理、查詢與統(tǒng)計是GIS最基本的功能。同理，工程勘察成果的存儲、查詢與管理也是鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)最基本的功能。將工程項(xiàng)目收集到的區(qū)域地質(zhì)資料、氣象資料、地震資料，勘察過程中獲取的鉆孔成果、原位測試成果、土工試驗(yàn)成果以及最終的勘察報告成果，以文字、表格、圖件等形式輸入到鐵路工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)內(nèi)。該系統(tǒng)可以將這些成果保存為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一體化的管理，操作人員可以在鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)內(nèi)對已輸入的成果繼續(xù)編輯，也可以根據(jù)自己的需要選擇多種方式(比如按工點(diǎn)、按里程、按編號、按數(shù)據(jù)屬性等)進(jìn)行快速的搜索查詢和統(tǒng)計計算，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以大大提高勘察成果的重復(fù)使用率。

3.2工程地質(zhì)分析與應(yīng)用

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以輔助工作人員完成鐵路工程勘察的專業(yè)分析，可以生成勘探孔平面圖、工程地質(zhì)柱狀圖、工程地質(zhì)縱斷面圖、工程地質(zhì)剖面圖等，還可以生成靜力觸探曲線、動探曲線、波速曲線等原位測試曲線，固結(jié)壓縮曲線、直剪試驗(yàn)曲線等各種土工試驗(yàn)曲線，輔助完成工程決策。鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的工程勘察成果資料自動生成鐵路工程地質(zhì)勘察報告。

3.3地質(zhì)建模與可視化分析

目前，工程勘察領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)軟件均是以傳統(tǒng)模式輸出平面圖件，均不具有三維地質(zhì)建模的功能。GIS技術(shù)具有良好的三維可視化功能[10]，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)工程地質(zhì)勘探孔的地層數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型。系統(tǒng)的此項(xiàng)功能具有交互性，用戶可以根據(jù)需要選定特定的勘探孔數(shù)據(jù)，構(gòu)建反應(yīng)工程場地局部地質(zhì)構(gòu)造單元和地層結(jié)構(gòu)空間展布特征的三維地質(zhì)實(shí)體模型，并且可以實(shí)現(xiàn)三維圖形操作功能，可以對三維地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作[11]。鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具有三維可視化分析功能，可對構(gòu)建的三維地質(zhì)模型進(jìn)行任意剖切，并對剖切后的三維地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行可視化顯示。在此功能基礎(chǔ)之上可以實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬，可以在三維地質(zhì)實(shí)體模型上進(jìn)行開挖路塹、橋梁、房屋基礎(chǔ)等模擬。

3.4成果的生成與輸出

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以將查詢統(tǒng)計結(jié)果、分析成果以及存儲的勘察資料成果以紙質(zhì)文件的形式輸出。包括資料圖件的輸出、數(shù)據(jù)表格的輸出、平面成果圖的輸出和三維地質(zhì)實(shí)體模型成果的輸出。資料成果圖輸出包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖、工程地質(zhì)圖、地貌分區(qū)圖、水文地質(zhì)圖、水土侵蝕性分區(qū)圖、地震液化分區(qū)圖等。報表數(shù)據(jù)輸出包括各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格、勘探孔一覽表、土工試驗(yàn)物理力學(xué)統(tǒng)計表、承載力計算單和液化判定計算單等。平面成果圖件包括勘探孔平面布置圖，工程地質(zhì)柱狀圖、斷面圖、剖面圖等。三維地質(zhì)實(shí)體模型輸出就是對三維地質(zhì)模型靜態(tài)效果圖進(jìn)行輸出，包括根據(jù)需要進(jìn)行剖切后的地質(zhì)模型輸出。

4　GIS應(yīng)用于鐵路工程勘察存在的問題

4.1操作人員的GIS技術(shù)水平不高

目前，工程勘察領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員中多數(shù)對于GIS技術(shù)的了解并不深入，技術(shù)水平相對薄弱。GIS在鐵路工程勘察領(lǐng)域內(nèi)要取得良好的應(yīng)用效果，需要操作人員既要有扎實(shí)的工程地質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)，又要能熟練運(yùn)用GIS技術(shù)，只有這樣才能在鐵路工程勘察領(lǐng)域內(nèi)充分利用好GIS技術(shù)，這也是GIS技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域內(nèi)推廣普及的瓶頸。因此，加強(qiáng)技術(shù)人員的GIS技術(shù)培訓(xùn)，提高操作人員的GIS技術(shù)水平非常重要。

4.2數(shù)據(jù)質(zhì)量

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具查詢統(tǒng)計及工程地質(zhì)分析功能，但是計算機(jī)系統(tǒng)畢竟不如人腦，它不能綜合考慮相關(guān)因素，它的分析只根據(jù)系統(tǒng)獲取的內(nèi)部數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)工程地質(zhì)分析質(zhì)量的好壞直接取決于數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，比如數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、誤差較大或是缺乏數(shù)據(jù)均會影響最終分析結(jié)果。同一場地的綜合勘察數(shù)據(jù)有可能采取鉆探、觸探、挖探等不同的勘探方式，扁鏟、旁壓等不同的原位測試方法，存儲的格式也不盡相同，這些都有可能影響數(shù)據(jù)管理的效率和數(shù)據(jù)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

4.3數(shù)據(jù)的閉塞性

數(shù)據(jù)的共享是提高數(shù)據(jù)重復(fù)利用率的關(guān)鍵，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)建立的最主要目的是實(shí)現(xiàn)勘察資料的高效重復(fù)率用和共享。目前，不僅鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)也包括其他勘察GIS系統(tǒng)最大的缺陷就是數(shù)據(jù)的共享不足。首先，不同單位之間的勘察成果都是保密的；其次不同的勘察GIS系統(tǒng)之間不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。原因在于不同的勘察GIS系統(tǒng)可能采取不同的數(shù)據(jù)整理方式、不同格式的數(shù)據(jù)源、不同的存儲格式等，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此造成各個系統(tǒng)之間、各個環(huán)節(jié)之間比較封閉，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換合作，也就不能實(shí)現(xiàn)勘察信息的共享，使得GIS系統(tǒng)不能發(fā)揮其最大的功效，這注定阻礙了鐵道工程勘察GIS系統(tǒng)的廣泛普及。

4.4GIS技術(shù)本身的缺陷

目前我國勘察領(lǐng)域GIS技術(shù)的發(fā)展尚不完善，處于發(fā)展的初級階段，很多勘察專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的問題依賴GIS技術(shù)尚不能解決，比如相對復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模及其處理分析等。GIS技術(shù)本身的缺陷也限制了GIS技術(shù)所能發(fā)揮的最大功效，其本身還需要一個完善的過程。

5　鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)發(fā)展趨勢

5.1與專家系統(tǒng)相結(jié)合

如前所述，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的分析功能僅依靠其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，它的分析是機(jī)械的。然而工程地質(zhì)條件是復(fù)雜多變的，更多的情況需要依靠工程經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，所以需要與專家系統(tǒng)相結(jié)合，運(yùn)用專家學(xué)者的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識來幫助GIS系統(tǒng)進(jìn)一步提高工程分析結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，進(jìn)而促進(jìn)鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的發(fā)展。

5.2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

在將來發(fā)展中，GIS系統(tǒng)需要建立一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模式來實(shí)現(xiàn)所有勘察信息資源的共享，以促進(jìn)勘察信息資源的利用率。

5.3更好的數(shù)據(jù)處理能力

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具有可視化分析功能，但是目前GIS系統(tǒng)大多應(yīng)用于數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)存儲管理，數(shù)據(jù)處理更多的應(yīng)用于平面圖形的分析與處理，三維地質(zhì)實(shí)體模型的空間分析功能有限，比如多期構(gòu)造形成的復(fù)雜地質(zhì)體的實(shí)體模型尚無法構(gòu)建。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，建立面向多維度、多元化數(shù)據(jù)處理的鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)是必然的趨勢。目前，鐵路工程三維協(xié)同設(shè)計、鐵路工程BIM技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的工程勘察成果模式已不能滿足要求，基于GIS技術(shù)的鐵路工程勘察成果與鐵路工程BIM技術(shù)、三維協(xié)同設(shè)計相結(jié)合將是未來發(fā)展的必然趨勢。

[1]喬平.基于GIS的鐵路工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方案[J].鐵道工程學(xué)報，2009(12)：35-43

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[4]包世泰.基于GIS的地質(zhì)勘察信息模型研究及其應(yīng)用[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2004

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Overview of Application of GIS in Railway Engineering Geological Investigation

XU Liming

2016-01-25

徐黎明(1985—)，男，2013年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)02-0046-03

P208； P642

A