基于GIS的地鐵工程地質勘察信息管理系統建設

左都美，陳昕，鐘金寧

(1.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005； 2.江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京 210013)

基于GIS的地鐵工程地質勘察信息管理系統建設

左都美1?，陳昕2，鐘金寧1

(1.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005； 2.江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京 210013)

介紹了國內外地鐵工程地質勘察方面地理信息系統(GIS)的應用現狀，以南京為例，討論了城市地鐵工程地質勘察信息管理系統的設計、建設內容和功能，并對其應用前景進行了展望。

地理信息系統(GIS)；地鐵工程；地質勘察；信息管理系統

1 引 言

20世紀60年代我國開始建設地鐵，由于城市快速發展和人口急劇增加，使得城市交通成為制約城市發展的一大瓶頸。到20世紀90年代中國迎來了地鐵建設的快速發展期，經過10年左右的發展，地鐵已經成為大城市人們必不可少的交通工具。據有關資料統計，我國大城市每年因為地鐵事故造成的經濟損失高達20億元以上。事故大部分是由于缺乏地鐵設施資料或雖有設施資料但管理方法落后，無法對地鐵設施進行有效的管理維護，從而導致設備故障造成的。40多年來，雖然已完成數量巨大的工程地質勘察及軌道項目建設，但在項目中產生出的大量規劃資料、基礎地質勘察資料等與地鐵相關的信息，相當部分處在一種分散使用、分散保管、甚至大量遺棄狀態。此外，目前對城市軌道交通基礎信息的存儲管理還是以文字、圖紙、圖表為主的傳統管理，查閱不便，尤其在處理大量工程數據時更難以下手。因此，必須有一套現代的信息管理系統與之配套。

地理信息系統(Geographical Information System，簡稱GIS)是20世紀60年代開始迅速發展起來的地理學研究技術，是多種學科交叉的產物。近年來，GIS在全球得到空前迅速的發展，被廣泛地應用到城市規劃、城市地下管網管理、城市交通、社會服務等方面。GIS具有處理海量數據的存儲、進行復雜的邏輯運算和數據挖掘的功能，同時也是實現空間圖形顯示與空間信息查詢、分析的有效工具。利用GIS的數據輸入、存貯、檢索、顯示和綜合分析應用等功能，將軌道交通基礎數據的空間信息與其相關的屬性信息結合，能夠實現城市軌道交通基礎地理信息檢索、統計、分析、修改、打印等，為城市軌道交通基礎地理信息提供快速、準確的現代化管理手段。另外，傳統的數據管理很難把不同類型的數據進行三維可視化顯示、分析和處理。而GIS三維可視化功能采用計算機圖形技術將數學描述以3D圖像形式予以表現，可以很好地實現城市軌道交通相關信息的可視化。

2 國內外應用現狀

2.1 工程勘察管理及評價

1981年美國聯邦高速公路管理處建立了巖土工程試驗現場信息系統，該系統基于GIS建立了大型空間數據庫，對所有巖土工程試驗現場取得的數據進行處理、管理、顯示及輸出。1997年加拿大運用GIS模糊分類和虛擬現實技術，再現斜坡形態，為工程勘察管理及評價提供依據。國內研究起步較晚，但起點較高。南京大學地球環境計算工程研究所，利用Microlynx地質軟件包，應用三維地質建模技術，對潤揚長江公路大橋北錨碇的地基進行了三維地質分析，以查明該錨碇下各地質單元的空間展布及其相互關系。吳沖龍等應用自己研制的 GIS軟件系統GeoView為平臺，完成了南水北調中線工程地質勘察。2005年10月中國地質調查局和南京市合作啟動《南京城市地質調查》項目，該項目充分利用、整合已有地質資料和成果，綜合運用地質、地球化學、遙感、地球物理、鉆探和信息技術與方法，查明城市三維地質結構、城市地下空間資源、城市主要地質災害及工程地質基礎、水土體地球化學背景及污染狀況，評價南京市環境質量及環境容量，建立三維可視化地學信息管理與服務系統，實現全市地學數據的一體化管理和可視化表現，為城市規劃、建設與管理提供基礎數據和決策平臺。

2.2 砂土液化方面

1993年美國利用GIS進行了砂土液化研究，借助ArcInfo軟件將數據信息分層處理，實現了對區域砂土液化可視化管理與分析。南京大學地球環境計算工程研究所運用MapInfo對蘇北某高速公路地段進行了液化分析，得出了液化危害性分布圖，進行疊加和緩沖等空間分析，驗證了GIS應用于砂土液化分析的可行性和所建分析模型的適用性。

2.3 GIS與地鐵建設管理

國內很多高校/科研機構和企業，針對地鐵建設和管理，開展了運用GIS的理論和應用研究。領域涉及城市軌道交通基礎GIS系統設計、規劃設計、虛擬現實和三維地質建模、地鐵施工監理和變形監測、地鐵周邊土地利用規劃、地鐵隧洞開挖數字模擬、安全預警和事故應急預案等方面。

3 系統設計

圖1 系統體系結構

3.1 體系結構

考慮系統可擴展性、可維護性以及伸縮性，采用3層體系架構，如圖1所示，劃分為數據層、業務邏輯層、用戶界面層，分別負責提供數據訪問、業務邏輯、用戶交互等功能。系統采用C/S、B/S混合體系結構，以適應并支持局域網和廣域網兩種網絡環境。

3.2 建設內容

(1)在南京市統一地理坐標基準下，將地鐵多條線路上孤立、分散的工程地質資料，通過空間地理定位建立起空間聯系，使得分散的資料在空間上形成一個有機整體；

(2)制定南京市統一的地鐵工程地質勘察數據標準，各種工程勘察資料嚴格按標準要求進行整理和錄入，建立南京市地鐵工程地質勘察數據庫；

(3)不斷擴展、錄入勘察資料，實現地質勘察數據庫動態更新和反饋。提供多種基于屬性和空間的查詢、統計和分析功能，提高管理信息化水平；

(4)開展多種應用研究:利用數據庫直接生成編制各種工程地質圖形(如鉆孔柱狀圖、剖面圖、對比圖等)；建立可視化的三維地質模型；地鐵軌道范圍內的地下管線分布情況展示；利用歷史數據進行時間序列分析，回歸分析，為地鐵軌道監測提供預測依據；為地鐵新線路規劃設計提供輔助決策。

地鐵工程地質勘察資料的處理流程如圖2所示。

圖2 信息處理流程

3.3 系統功能

以地理空間為紐帶，開發形成基于GIS的地質勘察資料信息管理系統，將鉆孔數據、構筑物數據、地形數據、地下管線數據等形成一個有機的整體。實現對各類信息進行檢索、查詢、分析。進行地層信息三維顯示。主要功能包括:

(1)地圖操作

放大、縮小和移動；圖形要素分層顯示、輸出。

(2)資料管理

通過數據維護子模塊完成數據錄入、編輯、修改。資料包括鉆孔信息、地鐵項目信息、地層信息、地下管線、地形信息等。

(3)圖形輸入編輯

包括軌道、站點、地形地貌、地質構造、鉆孔等。

(4)查詢與統計

進行空間、屬性以及空間和屬性結合的查詢、統計。實現快速、靈活、準確的查詢與定位。

(5)空間分析

運用網絡分析、緩沖分析、疊合分析等技術，結合城市軌道交通管理業務，在地鐵工程地質勘察等各類數據的支撐下，進行復雜空間問題決策研究，模擬預測變化趨勢等。建立不同形態的緩沖區，進行周邊管線分布和預警研究。通過長期的軌道監測歷史數據，建立回歸分析模型，預測軌道沉降變化等。

(6)可視化表現

提供分層顯示，不同要素選擇顯示等。以點、線為基本形態，以鉆孔數據為基礎，選用適當內插方法，將地質鉆孔數據構成地層信息在三維空間中顯示；構建三維模型，進行地下復雜空間結構與關系表達、分析。

4 結論與展望

將GIS技術應用于城市軌道交通管理，可以動態維護和更新地鐵工程地質勘察資料；為地鐵管理、運行和安全管理大量節省投入；通過實用、高效的空間分析和可視化技術，更好地為地鐵管理、設計、規劃提供輔助決策，有效提高管理信息化水平。隨著虛擬現實、三維GIS、服務式GIS(Service GIS)、移動通訊技術快速發展和在城市軌道交通管理中的深入應用，城市軌道交通管理的信息化水平必將得到大力的提高。

[1]潘寧.地鐵施工變形監測的數據分析及信息管理技術研究[D].上海交通大學碩士論文，2003

[2]孫樹林，甘欣，周云東等.基于MapInfo的南京地鐵砂土地基液化空間分析[J].防災減災工程學報，2003，23 (1):80～83

[3]田鵬.地鐵施工變形監測管理分析GIS的應用研究與開發[D].北京交通大學碩士論文，2006

[4]和衫劍.GIS在城市地鐵系統規劃中的使用.科技咨詢[J].2008(20):40～42

[5]王寶軍，施斌，宋震等.基于GIS與虛擬現實的三維地質建模方法[J].巖石力學與工程學報，2008，27(supp.2): 3564～3568

Geological Survey of Urban Subway Project Information Management System Construction Based GIS

Zuo DuMei1，Chen Xin2，Zhong JinNing1
(1.Nanjing institute of surveying，mapping＆geotechnical investigation，Co.Ltd，Nanjing 210005，China；2.Jiangsu provincial bureau of surveying and mapping，Nanjing 210013，China)

The paper introduced application status of geographic information systems(GIS)of domestic and foreign subway engineering geological investigations.Discuss system design，construction，content，functionality and prospect of city's subway engineering geological investigation information management.

GIS；subway project；geological survey；information manager system

1672－8262(2010)02－164－03

P208，P628.4

A

2009—12—29

左都美(1969—)，男，高級工程師，從事測量、遙感與GIS應用研究及管理工作。