巖土工程勘察內外業一體化作業系統設計與實現

于 琳，王海起，張志華，呂三和，周圣川*

（1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京210013；3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；4.海陸地理信息集成與應用國家與地方聯合工程研究中心，山東 青島 266033）

巖土工程勘察內外業一體化作業系統設計與實現

于 琳1,2，王海起1，張志華3,4，呂三和3，周圣川3,4*

（1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京210013；3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；4.海陸地理信息集成與應用國家與地方聯合工程研究中心，山東 青島 266033）

針對傳統的巖土工程勘察內﹑外業作業中存在數據記錄模糊﹑信息內業錄入錯誤﹑產生重復勞動等問題，研究了巖土工程勘察數字化移動采集的關鍵技術；并基于多源異構數據庫融合轉換和移動數據采集技術實現了GIS與巖土工程勘察工作的無縫融合，構建了內外業一體化工作方法；實現了土層﹑采樣﹑動探﹑標貫等工程勘察外業數據的數字化采集﹑內業無縫融合及勘察數據電子表單的自動化輸出，以及從數據采集到數據管理再到數據應用的全生命周期數字化﹑智能化勘察作業。該成果已應用于青島市地鐵3號線的勘察工作中，效果顯著，降低了勘察技術人員的工作強度，提高了工作效率，為移動GIS在勘察領域的應用提供了新思路。

巖土工程勘察；移動GIS；iPad；內外業一體化

傳統的勘察數據采集模式是先在野外進行紙質編錄，再回到室內對數據進行整理篩選，最后逐項輸入到數據庫中統一管理。這種工作模式已不能適應現在勘察任務重﹑工期緊的形勢需要，存在很多弊端：① 作業方式陳舊，工作效率低；②信息重復錄入錯誤率大，降低了勘察數據質量；③較多的人為因素導致工作模式不可追溯﹑項目不可控；④原始資料不宜保存，數據更新困難；⑤數據采集不能進行實時監控，數據紊亂，需要二次采集[1-3]。基于此，隨著移動GIS技術的發展，本文提出了一種以ArcGIS API for iOS和異構數據庫融合轉換為主要技術的內外業一體化作業方案，實現了巖土工程勘察全程無紙化作業，解決了傳統作業模式的弊端。

目前，移動GIS技術在地下管線數據采集[3]﹑城鄉規劃監督執法[4]﹑地理國情野外調繪[5]﹑測繪外業數據信息采集[6]等方面應用廣泛。綜合對比分析了當前各種移動終端設備的優劣，其中iPad系統界面友好﹑電池續航能力強，內置的GPS﹑陀螺儀等精度較高，可輔助勘察外業鉆孔放置。因此，本文基于iPad開發了巖土工程勘察外業數據采集系統進行實地采集記錄，再將數據回傳至內業數據服務器進行統一管理；并設計了相關程序實現內業數據自動化處理。通過構建覆蓋勘察工作全生命周期的移動化﹑網絡化﹑自動化系統，將移動GIS與巖土工程勘察工作有機結合，以提高工作效率。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

結合巖土工程勘察外業環境特點和行業需求，系統需實現在較大工作區域內多客戶端的協同工作，實時提交數據到GIS服務器，快速﹑高效地完成地理空間數據的采集和更新工作，使整個生產流程內外業一體化。鑒于C/S架構功能強大﹑運行效率高﹑支持離線工作等特點[7]，系統采用C/S體系架構，邏輯結構分為基礎層﹑數據層﹑業務層﹑應用層4部分，如圖1所示。

1）基礎層主要包括支持系統軟件運行的硬件設備：數據庫服務器﹑應用服務器﹑網絡設施等。

2）數據層的數據庫兼顧勘察內外業一體化作業，采用混合架構設計。移動外業數據采用輕量級的SQLite數據庫采集；內業數據處理采用理正工程勘察CAD數據庫；服務器數據采用FTP文件服務器管理。

3）業務層形成模塊化的軟件工程組織架構，各應用端通過軟件通信接口和網絡協議相互鏈接。其中用戶管理﹑數據采集﹑外業輔助屬于移動端；數據處理﹑報表管理屬于內業數據處理端；數據存儲屬于服務器端。根據運行環境和需求，不同的業務模塊分別采用不同的開發技術實現。

4）應用層是系統功能的載體，提供用戶操作界面，負責系統功能和數據展示。

1.2 系統數據庫設計

目前，在巖土工程勘察行業中，常見的工程勘察軟件有理正﹑華寧﹑KT3000和上海軟盤等。通過比較各項指標發現，由北京理正軟件設計研究所開發的《工程地質勘察CAD（GICAD）》軟件，技術領先﹑功能強大﹑適應性廣，在各方面都具有較明顯的優勢，適應勘察單位長遠需求[8]。因此，系統采用理正工程地質勘察CAD數據庫（.mdb）對勘察數據進行統一管理。

圖1 巖土工程勘察內外業一體化作業系統框架圖

受限于存儲空間和計算能力，移動設備一般無法運行關系型數據庫系統。SQLite數據庫訪問效率高﹑支持SQL查詢語法，尤其適合移動終端使用。因此，系統采用SQLite數據庫存儲管理采集數據和空間數據。遵照巖土工程勘察相關標準和規范，結合SQLite存儲數據的特點，在表結構設計中，充分利用規范化關系理論來確定各數據表間的聯系[9]。系統的各種數據信息表通過鉆孔編號（ZKBH）有效關聯，主要信息表結構設計如表1所示。

表1 主要數據信息表結構

外業采集的數據以嵌入式關系型數據庫存儲，不能直接被理正勘察CAD軟件所用，因此，本文在內業數據處理中，采用具有理正格式的Access MDB數據庫，對數據進行格式轉換，實現移動數據庫與內業數據庫的無縫銜接。

1.3 系統功能模塊設計

根據系統結構設計，將系統劃分為用戶管理﹑數據采集﹑數據管理﹑數據處理4大功能模塊。用戶管理模塊包括用戶登錄﹑操作用戶﹑權限管理﹑退出等功能；數據采集模塊包括屬性錄入﹑拍照﹑錄音﹑鉆孔地圖﹑輔助放點等功能；數據管理模塊包括數據的查詢﹑修改﹑添加﹑刪除﹑上傳以及日志管理等功能；數據處理模塊包括勘察軟件對接﹑報表生成﹑鉆孔信息瀏覽﹑多媒體數據輸出﹑附件管理﹑文件加密等功能，如圖2所示。

圖2 系統功能模塊圖

2 系統開發與實現

2.1 系統開發基礎

外業移動采集終端采用iPad平板系列，iOS版本為9.1。開發語言為Objective-C，使用基于蘋果MacOS X操作系統的Xcode7.1.2開發平臺和iOS SDK開發包，服務器系統基于IIS搭建，移動設備使用FTP協議遠程傳送數據文件至服務器數據庫。內業數據處理系統使用.NET開發平臺，運用Visual Studio 2010開發工具，基于ArcGIS Engine二次開發實現。

2.2 關鍵技術

2.2.1 ArcGIS API for iOS技術

ArcGIS API for iOS包括強大的GIS開發與定制能力，開發者可調用GIS功能快速定制用戶所需的地圖應用，并部署在iPhone和iPad等移動設備上。ArcGIS API for iOS包含了本地化的Objective-C語言資源庫﹑模板和樣歷，可在Xcode IDE中使用。其提供的GIS功能包括使用GPS和地圖采集并更新GIS要素，識別位置和要素，地圖瀏覽，信息查詢等[10]。

2.2.2 異構數據庫融合轉換技術

巖土工程勘察內﹑外業應用終端采用了不同的數據存儲管理模型。這種數據結構的獨立制定，滿足實際需要﹑方便數據更新，但需通過對應的數據轉換接口進行異構空間的無損轉換[11]。iPad采集系統是為外業服務的，依據外業需求制定數據采集的數據表結構，如土層表每條屬性信息按回次進行記錄；理正勘察CAD軟件是為數據分析服務的，MDB數據庫按照內業要求制定與理正勘察CAD軟件相對應的數據表結構，如土層表依據主層編號進行存儲，每條記錄表示一類土層。iPad采集系統為了將數據批量無縫地轉換為理正勘察CAD軟件格式，在數據庫結構制定上參考了理正勘察數據庫，再根據外業需求進行了優化，并通過程序以過程化﹑自動化的方式進行無縫融合轉換，既滿足內業需要又符合外業技術規范要求，是一種可供參考的無縫整合內﹑外業數據模型的技術方法。

2.3 系統功能實現

2.3.1 外業數據采集模塊

該模塊主要在iPad端實現土層﹑取樣﹑動探﹑標貫等工程勘察外業數據的采集；調用iPad的GPS功能，在工作區地圖上進行外業輔助放點。外業數據采集時，系統提供巖樣拍照功能；對不利于手工錄入的勘察環境，系統支持錄音﹑錄像，以提高數據記錄效率，完整再現現場情況，對數據檢核﹑分析，檔案留存具有很重要的現實意義。

工作區的底圖以離線地圖包（.tpk）的形式預先存儲于系統中。用戶選擇當前工程，系統則自動切換底圖數據，支持工程地質數據庫十萬余條矢量要素的疊加顯示。用戶可采用多點觸控手勢，流暢地進行瀏覽﹑放大﹑縮小和平移等操作。在地圖上系統通過顏色來區分顯示不同采集類型的鉆孔點位，用戶可瀏覽鉆孔點的基本屬性信息，并與數據錄入界面交互或通過鉆孔列表功能直接采集數據。系統可讀取iPad的GPS/VRS傳感器﹑陀螺儀傳感器信息，再通過地圖上作業人員的位置﹑朝向與周邊鉆孔的相對位置關系，實現對鉆孔的輔助放置和可視化檢核。外業數據的采集如圖3所示。

圖3 外業數據采集

2.3.2 數據管理模塊

為了避免數據造假和不規范的修改，方便對工作歷史記錄進行回查。用戶對數據的所有修改操作均被強制記錄日志，且所有日志信息均為只讀無法修改或刪除。記錄內容包括用戶修改的時間﹑地點﹑操作類型﹑原始值及修改后的最新值等信息。系統支持用戶選擇界面，普通用戶只能查看自己的日志，管理員用戶可查看任意用戶日志。

采集完成的工程文件通過FTP協議實時遠程回傳至內業數據服務器，實現內外業并行工作提高效率。FTP協議可減少或消除在不同操作系統下處理文件的不兼容性，允許文件具有存取權限，提高文件共享性，保證數據安全。在數據服務器終端上，各作業室或作業人員均只能使用自己的授權賬戶和密碼訪問文件。

2.3.3 內業數據處理模塊

外業采集只是錄入其所需的屬性信息，對數據的精細化處理主要在內業完成。從數據服務器下載的文件仍以.db格式存儲，需轉換成.mdb格式，與理正勘察軟件無縫銜接；原始手記數據薄需以規范化電子表單的形式管理和輸出新增的多媒體數據。根據以上內業數據處理需要，本文基于.NET開發了內業數據處理軟件，如圖4所示，實現了外業采集數據無縫導入理正勘察CAD軟件，以及自動化生成規范的Word格式電子數據記錄表。目前，系統支持鉆探野外記錄表﹑野外標準貫入度試驗﹑動力觸探工作記錄表﹑試驗委托書（土試樣）﹑試驗委托書（巖石﹑水土腐蝕性分析）等電子表單。輸出的圖片和錄像數據分別以.jpg和.mp4格式存儲。

3 系統應用

本文以青島市地鐵3號線市南段工程作為第一批試生產區域，巖土工程勘察外業數據采集系統在試點工作中投入使用15臺，并于2016年3月全部完成，提高了工作效率。通過工程實踐驗證了系統設計的合理性和工程應用的可靠性。

圖4 外業數據無縫導入理正勘察CAD軟件

在投入大規模生產項目前，系統在含有20個鉆孔點的小范圍內，通過與傳統數據采集同步測試對比可知，移動采集更多元化，融入的地圖功能﹑GPS輔助放點功能提高了勘測精度。現場測試情況如圖5所示。

圖5 系統應用測試

將移動采集數據實時回傳至內業數據服務器，進行數據的雙向﹑可追溯式管理，省去了傳統方式的手動入庫環節，避免了重復勞動，結合內業數據處理軟件，實現內﹑外業同步作業，提高了工作效率。如圖6所示，相比于傳統紙質數據記錄薄，電子數據表單數據清晰﹑準確，更易長久保存。

圖6 自動化勘察數據報表

在小范圍內測試取得很好的試用效果后，系統在本次試生產區域內進行推廣應用，應用情況如表2所示。從實驗結果可知，智能化作業方式將項目工期由7 d縮短為3 d，效率提高一倍以上，且系統的穩健性﹑易用性得到了驗證。系統實現的流程化﹑交互化﹑自動化作業，減少了人工干預，保證了作業精度和數據質量，降低了生產成本﹑作業強度，顯著地提高了工作效率，遠遠超出了開發前的預期效果。

表2 傳統方式與移動采集的應用測試對比

4 結 語

本文開發的巖土工程勘察外業數據采集系統，與傳統采集方式相比，信息化程度高，操作靈活，存儲可靠；與服務器端的交互，使得外業數據能實時回傳，降低了工作強度；結合內業數據高度自動化處理軟件，形成內外業一體化的新型工作模式，提高了工作效率。在實際生產項目中的應用驗證了該系統推廣價值。今后將進一步完善系統功能，重點研究勘察數據的移動端動態實時展示﹑地質體多形式可視化等方面，將測繪地理信息與巖土工程勘察兩大專業技術進行更深一步地交叉整合，通過移動GIS技術促進巖土工程勘察技術的進步與發展。

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P208

B

1672-4623（2017）09-0057-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.018

2016-07-04。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41471322）；山東省自然科學基金資助項目（ZR2012DM010）。（*為通訊作者）

于琳，碩士研究生，主要研究方向為移動GIS開發及數據可視化。