數(shù)字化勘察技術(shù)在巖土工程中的廣泛應(yīng)用

霍曉春

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用。在分析了傳統(tǒng)勘察技術(shù)的不足，并介紹了巖土工程數(shù)字化勘察技術(shù)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析討論了數(shù)字化勘察技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)巖土工程數(shù)字化勘察技術(shù)的研究和應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：巖土工程；數(shù)字化勘察；應(yīng)用方法

巖土工程勘察是工程設(shè)計(jì)的先決條件。一般巖土工程信息，包括地形地貌、地層界面、斷層、地下水位、風(fēng)化層厚度以及各種物探、化探資料，這些資料只是一些離散的數(shù)據(jù)，巖土工程技術(shù)人員較難直接利用它們?cè)偃シ治鰣?chǎng)地中工程地質(zhì)參數(shù)的分布規(guī)律，更何況傳統(tǒng)的巖土工程資料分析和解釋一般都局限于二維、靜態(tài)的表達(dá)，這種表達(dá)描述空間構(gòu)造起伏變化的直觀性差，往往不能充分揭示它們空間變化的規(guī)律，難以使人們直接、完整、準(zhǔn)確地理解，也就越來(lái)越不能滿足工程的空間分析要求。

隨著計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的完善，已經(jīng)完全可以集成以巖土工程建模、巖土工程數(shù)字化、巖土工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理、巖土工程特性分析、巖土工程地質(zhì)解釋以及空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)和圖形可視化的一體化系統(tǒng)，繼而發(fā)展成為現(xiàn)代化、信息化為一體的巖土工程勘察數(shù)字化新體系。本論文就將主要對(duì)數(shù)字化的巖土工程勘察進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討，以期和同行分享。

1 巖土工程勘察方法概述

1、傳統(tǒng)的巖土工程勘察方法存在的問(wèn)題

（1）勘察資料過(guò)于地質(zhì)化。

由于部門長(zhǎng)期的條塊分割，勘察、設(shè)計(jì)分散作業(yè)，加之巖土工程規(guī)范制定和新技術(shù)、新方法應(yīng)用的滯后，以及專業(yè)設(shè)置過(guò)細(xì)，巖土工程本身的特殊性等原因，設(shè)計(jì)與勘察之間脫鉤多，使得勘察提供的巖土工程信息通常以設(shè)計(jì)人員難以理解的形式出現(xiàn)，而且勘察也較難參與設(shè)計(jì)的全過(guò)程；設(shè)計(jì)人員也因知識(shí)的局限，很難深層次理解巖土工程勘察信息，因而勘察成果在設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)化率較低，造成許多不應(yīng)有的浪費(fèi)和損失

（2）數(shù)字化地圖與數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)間不夠貫通。

地形圖是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的底圖或稱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于數(shù)字化地圖中的某些環(huán)節(jié)技術(shù)條件不成熟，與CAD設(shè)計(jì)軟件的接口不匹配，很難順利實(shí)現(xiàn)對(duì)接，設(shè)計(jì)系統(tǒng)不得不重新將勘察資料數(shù)字化，影響了設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD的推廣應(yīng)用。

（3）勘察信息數(shù)字化程度低。

勘察部門提供的勘察信息往往以圖紙、表格、文字等形式為主，內(nèi)容上定性描述較多。這一方面造成設(shè)計(jì)人員對(duì)于勘察信息難于準(zhǔn)確理解，另一方面造成對(duì)勘察信息處理、利用上的困難。

2、數(shù)字化勘察技術(shù)概述

數(shù)字化巖土工程勘察是指應(yīng)用當(dāng)代測(cè)繪技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和CAD技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，把一個(gè)工程項(xiàng)目的所有信息（勘察、設(shè)計(jì)、進(jìn)度、計(jì)劃、變更等數(shù)據(jù)）有機(jī)地集成起來(lái)，建立綜合的計(jì)算機(jī)輔助信息流程，使勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)手段從手工方式向現(xiàn)代化CAD技術(shù)轉(zhuǎn)變，作到數(shù)據(jù)采集信息化、勘察資料處理數(shù)字化、硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、圖文處理自動(dòng)化，逐步形成和建立適應(yīng)多專業(yè)、多工種生產(chǎn)的高效益、高柔性、智能化的工程勘察設(shè)計(jì)體系。該技術(shù)體系用系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，把勘察、設(shè)計(jì)的圖紙、圖像、表格、文字等以數(shù)字化形式存貯，供各專業(yè)設(shè)計(jì)使用。

2 數(shù)字化巖土工程勘察應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)探討

1、巖土工程數(shù)字化建模方法

巖土工程地質(zhì)建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法（也叫數(shù)字表面模型）的歷史較早，它的基本內(nèi)容就是通過(guò)精確的表示出工程地質(zhì)體的外表面來(lái)表示均質(zhì)地質(zhì)體的建模方法，也是目前廣泛使用的建模方法。表面模型法的數(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)測(cè)點(diǎn)獲得的一系列離散的測(cè)點(diǎn)資料，包括測(cè)點(diǎn)的幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)，然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重構(gòu)地質(zhì)體界面?？梢猿橄鬄榘岩幌盗型瑢傩缘狞c(diǎn)按照一定的規(guī)則連接起來(lái)，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片，進(jìn)而確定整個(gè)地質(zhì)體的空間屬性，有很多方法用來(lái)表示表面，常用的方法主要有數(shù)學(xué)模型法和圖示模型法，本論文主要討論圖示模型法。常用的圖示模型法有邊界表示法、規(guī)則格網(wǎng)法、等值線法、不規(guī)則格網(wǎng)法等，其中不規(guī)則格網(wǎng)法是本系統(tǒng)選用的模型表示法，將做詳細(xì)分析討論。

不規(guī)則格網(wǎng)法（TIN）是將區(qū)域內(nèi)有限個(gè)點(diǎn)將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，如果任意點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，則該點(diǎn)的數(shù)字屬性值通常通過(guò)線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程），所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式，這里采用一個(gè)簡(jiǎn)單的記錄方式是：對(duì)于每一個(gè)三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，三角形的記錄包括三個(gè)指向它三個(gè)邊的記錄的指針，邊的記錄有四個(gè)指針字段，包括兩個(gè)指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個(gè)頂點(diǎn)的記錄的指針；也可以直接對(duì)每個(gè)三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)坐標(biāo)值的字段，分別存儲(chǔ)X，Y，Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)于給定一個(gè)三角形，查詢其三個(gè)頂點(diǎn)屬性和相鄰三角形所用的時(shí)間是定長(zhǎng)的。它在沿直線計(jì)算地形剖面線時(shí)具有較高的效率，當(dāng)然可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加其它變化，以提高某些特殊運(yùn)算的效率。

2、 數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

基于GIS的巖土工程勘察涉及到的原始數(shù)據(jù)主要為地理信息方面的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源包括：

（1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)主要包括：

①自然區(qū)劃圖。

該圖反映被研究區(qū)域的地理區(qū)劃、河流、道路、居民區(qū)、山川、公共設(shè)施等等自然地理信息。

②地形、地貌圖。

該圖反映被研究區(qū)域的自然地貌情況。

（2）巖土工程勘察數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)主要包括：

所研究區(qū)域的工程地質(zhì)勘探資料。

經(jīng)過(guò)篩選、處理的各勘探點(diǎn)包括地理、環(huán)境、土的物理力學(xué)指標(biāo)在內(nèi)的所有信息。

各類建筑場(chǎng)地的地層信息，比如液化等級(jí)、液化指數(shù)、特征周期、年代、沉積相等。

結(jié)合上述分析，數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以按以下幾個(gè)步驟實(shí)施構(gòu)建：

①巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型設(shè)計(jì)。

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)管理作為巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作是一個(gè)數(shù)據(jù)密集、處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用問(wèn)題，為了能獲得反映信息世界的概念性數(shù)據(jù)模型，將與實(shí)體和聯(lián)系相關(guān)的功能與行為剝離出來(lái)，僅從現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的數(shù)據(jù)側(cè)面來(lái)建立模型即研究數(shù)據(jù)對(duì)象與屬性及其關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)。

②數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)現(xiàn)。

巖土工程一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有三類：用戶輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生成的中間數(shù)據(jù)及最終數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)由測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)組成，而測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)又由測(cè)點(diǎn)幾何屬性數(shù)據(jù)（位置）和測(cè)點(diǎn)信息屬性數(shù)據(jù)；中間數(shù)據(jù)包括根據(jù)原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等，根據(jù)這些模型可以生成用戶需要的各種圖件，還可以進(jìn)行各種信息查詢操作；最終數(shù)據(jù)種類繁多，主要是根據(jù)用戶需要由中間數(shù)據(jù)生成，包括圖形資料和文檔資料（如地質(zhì)勘察報(bào)告等）。

對(duì)巖土工程勘察方法實(shí)施改進(jìn)，逐步過(guò)渡到數(shù)字化勘察技術(shù)，并推廣其廣泛應(yīng)用，這是勘察工程發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是這其中還有一段很長(zhǎng)的路要走，不僅僅是因?yàn)槠渲羞€有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未完全攻克，而且我國(guó)目前在數(shù)字化勘察、勘探方面的專業(yè)人才也很匱乏，因此，必須加大數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)人才的培養(yǎng)，并加快該技術(shù)的研究應(yīng)用，以真正實(shí)現(xiàn)巖土工程的數(shù)字化勘察的廣泛應(yīng)用。