城市巖土大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)及道路工程勘察應用

占建琴　李世明　魚安卿

摘要：為解決海量巖土勘察數(shù)據(jù)標準不一、相互獨立、難以共享的問題，文章提出了城市巖土大數(shù)據(jù)平臺的研發(fā)思路，把基礎地質(zhì)資料置于系統(tǒng)底層，用于約束、核查、校準各項目基礎地質(zhì)信息，并根據(jù)規(guī)范、室內(nèi)試驗等對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一校準和標記。該平臺可按照預設規(guī)則，利用校準后的數(shù)據(jù)自動生成標準地層層序，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動標準化。利用該巖土大數(shù)據(jù)平臺可使得道路工程勘察工作更具針對性。

關鍵詞：巖土大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)校準;標準地層層序;匹配度

中圖分類號：U412.22

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)相關技術研究開展得如火如荼，如何將海量的原始數(shù)據(jù)進行收集、存儲、管理、分析、共享、提供決策支持，使之轉(zhuǎn)變成可以被綜合利用的知識并提升其價值，是諸多學科和領域正在大力研究的課題。

五十多年以來，作為基建強國，我國各大城市及地區(qū)開展了大量各類型各種規(guī)模的工程建設，隨之產(chǎn)生了海量的巖土工程勘察數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)目前基本都獨立于項目單元，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，這將不可避免地造成大量的重復性勘察。同時，基于海量巖土勘察數(shù)據(jù)的深度挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、信息提取及研究工作也無法進行，這對于隸屬經(jīng)驗科學的巖土工程學科發(fā)展極為不利。為了扭轉(zhuǎn)這種局面，各地學者對廣州、上海、重慶、合肥、濟南、長株潭城市群核心區(qū)等熱門城市開展了與城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫相關的研究工作[1-6];陳龍泉等[7]采用知識規(guī)則集對城市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫質(zhì)量進行控制;伊穎鋒等[8]對歷史勘察數(shù)據(jù)在城市地理信息系統(tǒng)中的有效利用進行了討論;周永章等[9]提出了發(fā)展智能數(shù)據(jù)處理方法用于地質(zhì)領域大數(shù)據(jù)的分析研究。

除了相關的學術研究，業(yè)界很多軟件公司都開發(fā)了工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，筆者通過試用發(fā)現(xiàn)這些軟件平臺存在一些共性的問題。比如，未將基礎地質(zhì)資料內(nèi)置到系統(tǒng)中;對于入庫的數(shù)據(jù)未從專業(yè)角度設置預定規(guī)則進行數(shù)據(jù)清洗和校準;需要提前在外部純?nèi)斯?chuàng)建標準地層;歷史勘察數(shù)據(jù)入庫需要人工逐個地層進行標準化。本文旨在為解決諸如此類的問題，對城市巖土大數(shù)據(jù)智能平臺的研發(fā)思路進行探討。

1 基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)入庫

基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括各種比例尺的地質(zhì)圖、水文地質(zhì)圖、構(gòu)造綱要圖以及配套的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告、水文地質(zhì)普查報告等，現(xiàn)階段這些基礎地質(zhì)圖件多為非矢量化的圖片或紙質(zhì)版，如圖1所示，使用極為不便?；A地質(zhì)數(shù)據(jù)入庫就是要把地質(zhì)界線、地層年代及每一分區(qū)可能包含的巖性、各種地質(zhì)構(gòu)造信息等矢量化入庫，用于后期各項目勘察數(shù)據(jù)的校準對比工作，以確保入庫數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)性。同時，在平臺的底圖上可便捷查詢各地質(zhì)要素的詳情信息，如圖2所示。

巖土大數(shù)據(jù)平臺底圖包括百度地圖、衛(wèi)星影像、歷史影像及地形圖等?？筛鶕?jù)需要勾選需顯示的圖層信息，項目地圖界面可根據(jù)縮放比例自適應顯示內(nèi)容，確保地質(zhì)界線所圈閉出來的任何一個區(qū)域都能查看到該區(qū)域分布的巖性情況等。平臺地圖界面需盡可能提高交互性從而保證使用者可以獲取更多、更全面的基礎地質(zhì)信息。

平臺地圖界面應能夠?qū)隟ML、KMZ、SHP、DXF等格式的文件，方便查看擬建項目在基礎地質(zhì)圖件上的具體位置或者與鄰近項目的關系。

2 勘察數(shù)據(jù)入庫校準工作

由于勘察行業(yè)準入門檻較低，勘察從業(yè)人員素質(zhì)良莠不齊，導致各項目勘察數(shù)據(jù)的質(zhì)量、可靠度參差不齊。此外，為了簡化勘察成果或者避免采取太多樣本，勘察報告中經(jīng)常會將鄰近項目性狀有一定差異的地層進行合并。為了確保巖土大數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)一分析能力和數(shù)據(jù)的可靠性，所有入庫項目的勘察數(shù)據(jù)必須進行校準，以盡量避免入庫數(shù)據(jù)的雜亂或者相互沖突。在數(shù)據(jù)校準之前首先對鉆孔數(shù)據(jù)可靠度進行等級劃分，從而對可信度存在差異的鉆孔勘察數(shù)據(jù)實現(xiàn)區(qū)別標識。

2.1 鉆孔等級劃分

第一檔：勘察過程實現(xiàn)信息化采集且保留鉆探、取樣、原位測試、巖芯、室內(nèi)試驗等主要過程影像資料的鉆孔;重要工程的鉆孔;深度較大的鉆孔。

第二檔：未進行信息化采集但保留有巖芯等影像資料的鉆孔。

第三檔：僅有備份庫數(shù)據(jù)無任何影像資料的鉆孔。

2.2 空間坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一和入庫資料清單

（1）由于歷史勘察數(shù)據(jù)所采用的坐標系統(tǒng)和高程基準各異，巖土大數(shù)據(jù)平臺需建立統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，用于各個項目勘察數(shù)據(jù)的空間轉(zhuǎn)換。

（2）需入庫內(nèi)容：理正勘察或華寧勘察等各種勘察軟件的數(shù)據(jù)備份庫、水文地質(zhì)試驗資料、各類試驗報告、影像資料（巖芯拼接照、分箱巖芯照和整孔巖芯照等）、各類勘察圖件、文字報告、各類附表、施工期間的載荷試驗檢測數(shù)據(jù)等。

2.3 數(shù)據(jù)校準工序

2.3.1 鉆孔原始數(shù)據(jù)入庫

按照巖土大數(shù)據(jù)平臺統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，將勘察數(shù)據(jù)進行空間轉(zhuǎn)換，以保證所有勘察數(shù)據(jù)在同一個空間坐標系下進行分析和統(tǒng)計。

2.3.2 地質(zhì)時代和地質(zhì)成因校準

地質(zhì)時代和地質(zhì)成因校準，主要依據(jù)為基礎地質(zhì)圖件。部分項目勘察資料地質(zhì)時代或者成因確定得比較隨意，與區(qū)域地質(zhì)資料的契合度較差，對地質(zhì)時代和地質(zhì)成因進行校準，主要是為標準地層層序的確定做準備，不同地質(zhì)時代和地質(zhì)成因的地層不能劃分為同一層。詳細步驟如圖3所示。

2.3.3 巖土名稱校準

巖土名稱校準，主要依據(jù)為試驗數(shù)據(jù)、基礎地質(zhì)圖件和巖芯照片等。工程勘察行業(yè)為了簡化勘察成果，會將鄰近項目性狀有一定差異的地層并作一層考慮，而且這種合并和定名有一定的主觀性。假如兩個項目實際位置離得很近，某一地層某項目可能定名為黏土，而另外一個項目可能將其定名為粉質(zhì)黏土，那么構(gòu)建巖土大數(shù)據(jù)平臺時會出現(xiàn)兩個地塊地層毫無契合度，鄰近項目地層可能會出現(xiàn)根本連不到一起的情況。為了統(tǒng)一各個項目巖土名稱的確定標準，主要采用試驗數(shù)據(jù)對巖土名稱進行校準并細化。

覆蓋層校準步驟及各個指標的含義如圖4所示，室內(nèi)試驗樣本數(shù)盡量≥6個。

（1）當同一土層室內(nèi)分類名稱有2種，且1/3≤A≤2/3或者1/3≤B≤2/3時，如某個鉆孔該層土采取了兩個或兩個以上樣品，且這些樣品的室內(nèi)分類名稱存在不一樣的情況，那么該鉆孔該層土宜分為兩層，兩層的分界點采用室內(nèi)分類名稱不一樣且相鄰的兩個樣品深度的中點。

（2）當同一土層室內(nèi)分類名稱有三種，A、B、C分別為三種室內(nèi)定名的占比，其中有兩個占比數(shù)值≥1/6，剩下一個<1/6，假如將占比≥1/6的室內(nèi)分類名稱分別為粉質(zhì)黏土和黏土，而將第三種定名為粉土，那么粉土應采用粉質(zhì)黏土的定名。對于分兩層或者三層入庫的情況，假如某個鉆孔該層土采取了兩個或兩個以上樣品，且這些樣品的室內(nèi)分類名稱存在不一樣的情況，那么該鉆孔該層土宜分為兩層或者三層，各層之間的分界點采用室內(nèi)分類名稱不一樣且相鄰的兩個樣品深度的中點。

對于巖層來說，當某一層基巖（同一種風化程度）飽和單軸抗壓強度試驗結(jié)果跨越堅硬程度等級時，宜考慮對該巖層重新進行定名。比如部分試驗結(jié)果為極軟巖（<5 MPa），另一部分為較軟巖（>15 MPa），中間跨越了軟巖的級別，則應重新對巖層定名。巖層定名需盡可能接近前期入庫基礎地質(zhì)資料的屬性數(shù)據(jù)。

2.3.4 巖土狀態(tài)校準

巖土狀態(tài)校準主要包括細粒土可塑性、粗粒土密實度和風化巖風化程度校準，其校準依據(jù)主要為室內(nèi)試驗、原位測試、巖芯照片等。細粒土的塑性狀態(tài)、粗粒土的密實程度等是劃分標準地層層序的重要指標，在數(shù)據(jù)入庫之前必須先核查各地層要素的完整性。

工程勘察行業(yè)為了簡化勘察成果會盡量減少地層的劃分。比如細粒土有可塑狀態(tài)也有硬塑狀態(tài)時，可能會合并成一層，狀態(tài)定為可塑-硬塑，那么該層的標準貫入擊數(shù)N從6～30擊都有可能，更有甚者還會>30擊。這還只是單個項目的情況，當大量存在粗放數(shù)據(jù)的勘察資料匯聚到大數(shù)據(jù)平臺時，將會導致平臺上各個地層各類指標偏離本該具備的規(guī)律或本應隸屬的范圍，變得更加雜亂無序。

原始勘察數(shù)據(jù)除了單一指標本身存在的混亂，還會出現(xiàn)關聯(lián)指標的沖突。當某一鉆孔某一層細粒土（深度范圍0～20 m）有兩個或兩個以上標準貫入擊數(shù)（未取樣），如N1=7擊（深度為3 m），按照預先設置的細粒土塑性狀態(tài)校準細則表（表1），應屬于可塑狀態(tài)，N2=13擊（深度為13 m）應屬于硬塑狀態(tài)，則按照標準貫入擊數(shù)該層塑性狀態(tài)應細分為兩檔，分界點采用兩個標準貫入試驗的中點。如果該層有兩個或兩個以上液性指數(shù)（未進行原位測試），也按照同樣的方案進行校準處理，但是必須確保參與校準分析的指標不是明顯的異常值。如某個鉆孔某一土層既有液性指數(shù)又有標準貫入擊數(shù)，且根據(jù)這些指標判別的塑性狀態(tài)等級均不一樣，則按照下頁圖5所示規(guī)則進行校準。

粗粒土的密實程度校準主要參考依據(jù)為原位測試，風化巖的風化程度除了依據(jù)原位測試之外還可參考巖芯照片等。

3 標準地層層序的創(chuàng)建及數(shù)據(jù)的標準化

大數(shù)據(jù)平臺各項目的鉆孔地層如果相互孤立不能互通，那么對整個平臺上的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)研究就無從談起，因此必須對鉆孔數(shù)據(jù)進行標準化。在標準化之前首先需創(chuàng)建標準地層層序。入庫原始勘察數(shù)據(jù)經(jīng)過前述的清洗校準和標記工作之后，系統(tǒng)便可進入標準地層層序的自動創(chuàng)建環(huán)節(jié)。

創(chuàng)建標準地層層序考慮的字段分別為：地質(zhì)時代、地質(zhì)成因、巖土名稱、可塑性、密實度、風化程度、特殊土類型等。

（1）根據(jù)這些字段對大數(shù)據(jù)平臺全部鉆孔進行所有組合關系的提取，確保提取出來的組合關系唯一。

（2）進入標準地層層序的排列工作，排序關鍵字依次為：地質(zhì)時代、地質(zhì)成因、巖土名稱、可塑性、密實度、風化程度、特殊土類型，也就是說標準地層層序的排列必須首先按照地質(zhì)時代從新到老排列，如Q4、Q3、Q2、Q1、N、E、K……，然后再考慮地質(zhì)成因。其余字段的排列可按照各地的一般習慣進行。[KH-*2D]

根據(jù)前述規(guī)則和步驟，對某區(qū)域不到一千個鉆孔的標準地層層序進行提取、排序和重新編號，如表2所示，最右側(cè)為系統(tǒng)自動生成的標準地層層序的編號。采用此標準地層層序?qū)⒋髷?shù)據(jù)平臺所有鉆孔進行標準化后就可實現(xiàn)整個平臺上勘察資料的兼容和互通。該方法對標準地層層序的提取是基于入庫所有數(shù)據(jù)動態(tài)實施的。當前有少量城市已經(jīng)制定了本市區(qū)的巖土工程勘察地層層序，比如石家莊、濟南[10]等，但這些層序更多是基于地區(qū)專家經(jīng)驗和純?nèi)斯ぬ岢龅模瑹o充分而全面的數(shù)據(jù)支撐，且屬于一種固化的層序，可擴展性較差。

4 巖土大數(shù)據(jù)平臺在道路勘察中的應用研究

對于城市級別的巖土大數(shù)據(jù)平臺應采用標準化之后的勘察數(shù)據(jù)繪制貫穿城市東西南北的4～6條地質(zhì)骨干大剖線，再邀請地方巖土專家進行開會討論，并提出修改意見。如果城市進行過軌道交通勘察，亦可直接采用軌道交通沿線路的標準化縱剖面進行討論。

道路工程勘察一般具有跨越地域廣，地質(zhì)條件復雜、變化大的特點。城市巖土大數(shù)據(jù)平臺在道路工程勘察方面的應用主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）勘察技術人員可利用大數(shù)據(jù)平臺迅速獲取擬建道路或橋梁工程所在區(qū)域工程地質(zhì)的概況，獲得對擬建場地工程地質(zhì)條件的宏觀認識。

（2）勘察工作的布置主要依據(jù)場地復雜程度等級、巖土條件復雜程度等級和擬建工程的重要性來進行，在沒有巖土大數(shù)據(jù)平臺的情況下，場地復雜程度等級、巖土條件復雜程度等級的確定主觀性極強，勘探點的布置多半是按照一定的間距沿道路兩側(cè)布置，勘察工作布置缺乏針對性，既增加了工作量，又影響了勘察工期。

（3）巖土大數(shù)據(jù)平臺可根據(jù)入庫數(shù)據(jù)快速劃分特殊巖土或不良地質(zhì)發(fā)育地段，可使一線技術人員迅速把握勘察重點，并針對性地開展原位測試或室內(nèi)試驗工作。

（4）城市地區(qū)人類工程活動頻繁，且南方很多城市水系發(fā)育，容易出現(xiàn)厚層的填土和暗埋的溝浜、河道等，利用巖土大數(shù)據(jù)平臺的歷史影像有利于盡早發(fā)現(xiàn)對工程不利的埋藏物或填土。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)有勘察軟件數(shù)據(jù)備份庫的系統(tǒng)分析和研究，發(fā)現(xiàn)很多項目原始勘察數(shù)據(jù)存在相互沖突、雜亂、與基礎地質(zhì)資料不契合的共性問題。這樣的原始數(shù)據(jù)直接匯聚到巖土大數(shù)據(jù)平臺將導致基于海量勘察數(shù)據(jù)的深度挖掘和研究工作無法進行。為此，本文提出巖土大數(shù)據(jù)平臺的研發(fā)需將基礎地質(zhì)資料置于平臺底層用于約束入庫勘察資料的合理性，根據(jù)相關規(guī)范、試驗數(shù)據(jù)等提出了一套系統(tǒng)且合理的規(guī)則，對原始數(shù)據(jù)進行批量校準，并實現(xiàn)了標準地層層序按照預設規(guī)則的動態(tài)生成，從而實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)平臺上各個項目勘察數(shù)據(jù)的兼容和互通。通過巖土大數(shù)據(jù)平臺可使得道路工程勘察工作的開展更具針對性。

參考文獻

[1]劉 偉， 張秀英. 面向城市規(guī)劃的廣州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設及應用[J]. 廣州建筑， 2012， 40（1）： 10-13.

[2]史玉金， 陳洪勝， 楊天亮， 等. 上海市工程地質(zhì)層層序厘定及工程地質(zhì)條件分析[J]. 上海地質(zhì)， 2009（1）： 28-33.

[3]周成濤， 馮永能， 張? 秋. 重慶市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設中的幾個關鍵問題[J]. 城市勘測， 2007（2）： 117-120.

[4]于 鵬. 合肥市城市工程地質(zhì)信息系統(tǒng)的建設與應用[J]. 安徽建筑， 2011（1）： 132-133， 148.

[5]仝霄金， 程愛華， 樊祜傳. 濟南市市區(qū)標準地層劃分研究[J]. 城市勘測， 2016（2）： 165-171.

[6]張 楊， 賀晨騁， 周廣湘， 等. 長株潭城市群核心區(qū)三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法研究[J]. 國土資源信息化， 2017（4）： 26-31.

[7]陳龍泉， 鄒鳳瓊. 基于知識規(guī)則集的城市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫質(zhì)量控制[J]. 大地測量與地球動力學， 2011， 31（1）： 156-159.

[8]伊穎鋒， 周清華. 歷史勘察數(shù)據(jù)在城市地理信息系統(tǒng)中的有效利用[J]. 城市勘測， 2015（3）： 165-168.

[9]周永章， 王 俊， 左仁廣， 等. 地質(zhì)領域機器學習、深度學習及實現(xiàn)語言[J]. 巖石學報， 2018， 34（11）： 3 173-3 178.

[10] DB37/T 5131-2019，濟南市區(qū)巖土工程勘察地層層序劃分標準[S].

作者簡介：

占建琴（1986—），碩士，工程師，主要從事巖土勘察及信息化、巖土大數(shù)據(jù)等研究工作;

李世明（1976—），高級工程師，主要從事巖土勘察設計及管理工作;

魚安卿（1984—），工程師，主要從事公路、鐵路建設質(zhì)量管理工作。