智慧勘察在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展

張志鵬

（中建材（浙江）勘測設(shè)計(jì)有限公司）

1 引言

工程勘察技術(shù)是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要技術(shù)手段，是全面、詳細(xì)摸清工程地質(zhì)狀況與水文條件的關(guān)鍵性技術(shù)，其技術(shù)應(yīng)用成果貫穿到城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全過程，用于科學(xué)統(tǒng)籌基礎(chǔ)設(shè)施空間布局、設(shè)計(jì)方案制定與工程施工過程。因此，工程勘察技術(shù)對勘察數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度、對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、對?shù)據(jù)共享與統(tǒng)計(jì)分析的正確性有著較高的要求。

2 傳統(tǒng)工程勘察技術(shù)存在問題分析

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)可靠性問題

工程地質(zhì)勘察是通過地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、取樣、物探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等項(xiàng)目對工程所在地的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘探，全面掌握地質(zhì)構(gòu)造、地層時(shí)代、巖石條件、水利條件等基本地質(zhì)數(shù)據(jù)?？辈烊藛T在實(shí)際開展外業(yè)勘察時(shí)，需要根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)知識對鉆探取樣得到的巖土體樣本進(jìn)行巖土層識別，辨識出巖土層的名稱，現(xiàn)場量測出巖土層的層深與厚度，將現(xiàn)場勘察結(jié)果填寫在勘察成果編錄表中[2]。整個(gè)地質(zhì)勘察與現(xiàn)場辨識過程對勘察人員的專業(yè)素養(yǎng)與經(jīng)驗(yàn)水平要求較高，直接關(guān)系到外業(yè)數(shù)據(jù)的可靠性，導(dǎo)致外業(yè)勘察數(shù)據(jù)的精度受到勘察人員的主觀意愿與勘察行為影響。同時(shí)，在有限的成本約束下，傳統(tǒng)工程勘察過程中未能做到對勘察成果進(jìn)行過程化、階段性節(jié)點(diǎn)審查，全流程管控勘察成果的質(zhì)量，導(dǎo)致工程地質(zhì)勘察成果的質(zhì)量缺乏有效約束。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化問題

工程地質(zhì)勘察的外業(yè)數(shù)據(jù)以紙質(zhì)記錄為主，輔助以現(xiàn)場的視頻或照片，內(nèi)業(yè)處理人員需手動(dòng)將外業(yè)勘察成果錄入到軟件系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字化管理。但是傳統(tǒng)工程地質(zhì)勘察內(nèi)業(yè)處理的數(shù)字化水平不夠、數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)亂，不少行業(yè)領(lǐng)域的地質(zhì)勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后[3]。加上不同的勘察成果使用單位關(guān)注的勘察數(shù)據(jù)重點(diǎn)不同，圍繞內(nèi)業(yè)處理的外業(yè)數(shù)據(jù)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)與智能化數(shù)據(jù)交互接口存在明顯差距，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)存在孤島效應(yīng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與使用難度較大。

2.3 宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析問題

工程地質(zhì)勘察結(jié)果是后續(xù)工程設(shè)計(jì)、施工的重要依據(jù)，需要為工程設(shè)計(jì)與施工提供精準(zhǔn)、全面的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，包括區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、地下水分布、礦產(chǎn)資源富集情況、土層形成年代等等。例如，城市市政道路建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)需要工程地質(zhì)勘察結(jié)果支撐市政道路的線路規(guī)劃以及走向等。但是傳統(tǒng)工程地質(zhì)勘察成果的共享機(jī)制不完善，數(shù)據(jù)分析與挖掘應(yīng)用不夠智能，無法從大量的成果數(shù)據(jù)中提煉出設(shè)計(jì)單位、施工單位等重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)，并為工程設(shè)計(jì)與施工方案制定提供快捷且簡便的決策服務(wù)支持。

3 城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的智能勘察技術(shù)及其應(yīng)用

3.1 相關(guān)智能技術(shù)

3.1.1 時(shí)空信息采集技術(shù)

時(shí)空信息可視化技術(shù)是對目標(biāo)地物的三維空間信息在時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行可視化的技術(shù)，其信息的表達(dá)維度包括經(jīng)度、維度、高程、時(shí)間四維。工程地質(zhì)勘察四維數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)包含動(dòng)態(tài)化過程，例如，可在地質(zhì)勘察現(xiàn)場布設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對勘察過程以及勘察數(shù)據(jù)的采集過程進(jìn)行全流程記錄；可利用LiDAR技術(shù)對工程地面沉降情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)反演地表沉降的過程；可利用全景影像采集技術(shù)對地質(zhì)信息進(jìn)行多維度采集，減少數(shù)據(jù)采集過程中的人工干預(yù)，保證多維度地質(zhì)信息采集的精度[4]。

3.1.2 GIS技術(shù)

GIS 技術(shù)利用矢量與柵格等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具有強(qiáng)大的空間統(tǒng)計(jì)與空間分析功能。近年來，云存儲(chǔ)與云計(jì)算技術(shù)在GIS 領(lǐng)域的滲透為工程勘察數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理、統(tǒng)計(jì)與分析提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，依托強(qiáng)大的云存儲(chǔ)技術(shù)，工程外業(yè)勘察采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到中央服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，有效解決傳統(tǒng)工程勘察外業(yè)轉(zhuǎn)內(nèi)業(yè)的繁瑣錄入問題，以免外業(yè)數(shù)據(jù)大量錄入過程中存在重復(fù)錄入、錯(cuò)誤錄入[5]。同時(shí)，內(nèi)業(yè)人員可對實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理與分析應(yīng)用，利用GIS技術(shù)對局部區(qū)域進(jìn)行空間插值與三維地質(zhì)建模等，提高工程勘察數(shù)據(jù)的利用效率，同時(shí)科學(xué)指導(dǎo)工程勘察外業(yè)工作。

3.1.3 大數(shù)據(jù)智能感知技術(shù)

傳統(tǒng)工程勘察技術(shù)對勘察結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析應(yīng)用不夠，例如在勘察技術(shù)采集得到的地質(zhì)序列應(yīng)用上，多利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與方法分析并形成對工程所在區(qū)域地質(zhì)狀況的宏觀認(rèn)知，地質(zhì)狀況的表達(dá)精細(xì)度不足，對不穩(wěn)定地質(zhì)狀況的科學(xué)判定不足。大數(shù)據(jù)智能感知技術(shù)利用智能物探技術(shù)對工程所在區(qū)域的地質(zhì)狀況進(jìn)行全范圍、高精度采集，形成高精度的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型，準(zhǔn)確、完整的表達(dá)目標(biāo)區(qū)域的復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象、邊界條件、地質(zhì)體情況以及地質(zhì)構(gòu)造空間分布狀況等。同時(shí)，利用智能地質(zhì)預(yù)測分析技術(shù)對區(qū)域地質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)分析，依托數(shù)據(jù)挖掘方法以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，精準(zhǔn)分析與預(yù)判出區(qū)域內(nèi)的潛在不穩(wěn)定地質(zhì)狀況，為工程設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。

3.1.4 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是工程勘察結(jié)果數(shù)字化建模的重要技術(shù)，通過將工程勘察數(shù)據(jù)及時(shí)錄入到軟件系統(tǒng)中，依托BIM 技術(shù)對工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化建模，為后續(xù)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的目標(biāo)建筑體三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與三維巖土地質(zhì)的相互作用計(jì)算和精細(xì)化的水、巖、結(jié)構(gòu)耦合模擬。

3.1.5 一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)

傳統(tǒng)工程勘察在結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理方面存在明顯的信息孤島現(xiàn)象，勘察數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等各自存儲(chǔ)在不同的系統(tǒng)中，元數(shù)據(jù)不同、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同、數(shù)據(jù)格式不同，難以共享與聯(lián)合應(yīng)用。一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)以“共享”為核心，在行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化的基礎(chǔ)上，利用一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)對多種來源渠道的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理與整合，實(shí)現(xiàn)在共享平臺上的數(shù)據(jù)快速交互與共享，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范下推動(dòng)工程勘察數(shù)據(jù)信息化應(yīng)用更為深入[6]。

3.1.6 人工智能與視覺識別技術(shù)

傳統(tǒng)工程勘察對作業(yè)人員的專業(yè)技能與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有著較高的要求，在復(fù)雜的工程勘察環(huán)節(jié)下，作業(yè)人員需要結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)對巖石巖性進(jìn)行準(zhǔn)確判別。但是僅僅依靠人眼識別，現(xiàn)場勘察環(huán)節(jié)受到諸多干擾因素影響，實(shí)際用于識別巖性的巖石與標(biāo)準(zhǔn)巖石薄片存在表達(dá)差異，導(dǎo)致依賴人眼識別巖石巖性的方式精度不高、效率較低，無法快速對現(xiàn)場的巖片巖性進(jìn)行精準(zhǔn)鑒別[7]。人工智能與視覺識別技術(shù)從海量的巖石圖像中提取巖石巖性判別的規(guī)律性特征，并依此快速地判別出目標(biāo)巖土的巖性，減少復(fù)雜工程勘察環(huán)境對巖土巖性識別結(jié)果的影響。

3.2 智能勘察技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用

3.2.1 前期準(zhǔn)備工作

工程勘察是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，在面向城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開展數(shù)字化工程勘察之前，需認(rèn)真做好勘察前準(zhǔn)備工作。作業(yè)人員需提前廣泛收集目標(biāo)區(qū)域的地形地貌資料與地質(zhì)資料，如小比例尺的地形圖、地質(zhì)圖等，作為工程勘察的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)；需對目標(biāo)區(qū)域的地下水位進(jìn)行選點(diǎn)測量，配合地質(zhì)鉆孔工作做好地下水位測量，并做好時(shí)間間隔處理工作，確保城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的工程勘察工作有序推進(jìn)。

3.2.2 勘察數(shù)據(jù)采集與管理

城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的工程勘察數(shù)據(jù)采集與管理包括三個(gè)部分。①勘察數(shù)據(jù)采集，勘察作業(yè)人員利用時(shí)空數(shù)據(jù)采集技術(shù)與電子感應(yīng)器對目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)狀況進(jìn)行感應(yīng)與數(shù)據(jù)采集，電子感應(yīng)器提供了諸多的地質(zhì)狀況感應(yīng)模式，作業(yè)人員應(yīng)結(jié)合城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際情況合理設(shè)置感應(yīng)參數(shù)與感應(yīng)范圍，并將電子感應(yīng)器應(yīng)用于目標(biāo)區(qū)域工程自動(dòng)化勘察。②勘察數(shù)據(jù)傳輸，工程勘察數(shù)據(jù)在云環(huán)境下快速傳輸，實(shí)現(xiàn)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)中央處理器的高效、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，良好的信號傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)了工程勘察數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o丟失、無缺損，為工程勘察數(shù)據(jù)內(nèi)外業(yè)高效交互、數(shù)據(jù)快速錄入與應(yīng)用分析提供了技術(shù)支持。③勘察數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在多位勘察人員同時(shí)作業(yè)的模式下，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，利用大數(shù)據(jù)智能感知技術(shù)與一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)對工程所在區(qū)域的地質(zhì)狀況進(jìn)行全范圍、高精度采集、組織、管理，可以有效打破傳統(tǒng)勘察數(shù)據(jù)的信息孤島現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)信息化成果的長期保存，助力工程勘察數(shù)據(jù)的后續(xù)工程設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用[8]。信息管理系統(tǒng)能夠科學(xué)合理地解決實(shí)際應(yīng)用過程中存在的一系列問題，通過基于對數(shù)據(jù)庫的科學(xué)應(yīng)用，構(gòu)建應(yīng)用型數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地層信息高效傳達(dá)的數(shù)據(jù)管理模型的建立。

3.2.3 數(shù)字化模型構(gòu)建

數(shù)字化模型構(gòu)建是在勘察數(shù)據(jù)采集與管理的基礎(chǔ)上，依托GIS技術(shù)、BIM技術(shù)對工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化三維建模，實(shí)現(xiàn)對工程勘察數(shù)據(jù)的三維可視化直觀表達(dá)。在數(shù)據(jù)方面需要對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)勘察資料、施工基礎(chǔ)資料、物理力學(xué)指標(biāo)等進(jìn)行統(tǒng)籌，在數(shù)據(jù)管理方面需對初始采集的數(shù)據(jù)、處理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分層管理，根據(jù)數(shù)字化模型構(gòu)建的需要適時(shí)調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

工程勘察是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，進(jìn)行工程勘察的信息化、智能化技術(shù)研究勢在必行。復(fù)雜的工程施工環(huán)境，使得工程勘察的巖土芯樣性狀判別更為困難，智能化信息化是極大的挑戰(zhàn)性、高難度課題。而巖土性狀的準(zhǔn)確判斷，與場地地層的判斷乃至后續(xù)地基處理、基坑支護(hù)、城市基礎(chǔ)設(shè)施工程設(shè)計(jì)等工程質(zhì)量安全息息相關(guān)。因此，大力開展工程勘察的智能化、信息化技術(shù)研究，能為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的工程勘察提供高效準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。