淺談工程地質內外業一體化平臺的研究

李進敏，朱夏甫

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

1 研究目的

水電工程地質勘察涉及專業廣、環節多、流程復雜，工程地質專業承擔著勘察數據收集、整理、分析及成果輸出等工作。目前工程地質專業的數據采集仍采用已沿用近百年的傳統方式，隨著水電行業勘測設計市場環境的變化，工程地質勘察的工作周期變得越來越短，工程地質專業迫切需要一個能夠實現外業數據采集無紙化、外業成果到內業數據轉換快速化、勘察數據管理協同化、數據分析標準化的技術方案做支撐，實現內外業信息一體化。通過行業需求分析、應用市場調研、技術分析等工作，結合行業技術現狀及地質專業的實際需求，提出了“工程地質內外業一體化平臺（以下簡稱“一體化平臺”）研究與應用”科研課題。

一體化平臺以工程地質專業從外業到內業整個工作流程的信息化、一體化為目標，實現工程地質外業數據采集的信息化、內外業數據轉換的快速化、工程地質數據管理和分析的協同化、工程地質三維建模和圖紙繪制的智能化。

2 主要研究內容

工程地質專業在不同行業的工作內容和技術要求存在明顯的差別，目前國內外在工程地質數據采集信息化方面的研究較為缺乏，部分行業有所探索，但對于水電行業的適用性較差；地質專業數據庫及數據管理和分析的研究雖然較為活躍，但各行業都缺乏規范化的專業數據庫，也沒有通用性較強的專業軟件面世；工程地質CAD軟件開發和應用百家爭鳴，但軟件架構大同小異；地質三維CAD技術目前仍處于探索和研究階段，形成生產力還需要進一步的研究。地質內外業一體化平臺的研究就是為了在這些方面有所突破。

工程地質內外業一體化平臺的研究以地質專業作業流程為主線、以專業技術需求為基礎，利用信息化新技術，結合移動終端技術、全球定位系統（GPS）技術、地理信息系統（GIS）、計算機輔助設計（CAD）技術，實現覆蓋工程地質專業內、外業各種工作需求的一體化信息平臺。

3 一體化平臺的系統架構

一體化平臺以工程地質數據庫為數據核心，子系統包括工程地質外業數據采集系統、數據管理系統、數據分析系統、三維建模及可視化分析系統、CAD繪圖系統、勘察數據可視化展示系統，平臺的系統架構如圖1所示。

3.1 外業數據采集系統

工程地質外業數據采集系統主要解決地質外業數據采集工作的信息化，實現數據采集的標準化、無紙化，數據采集后可直接轉化為內業數據，簡化內、外業數據的轉換流程。該系統包括平洞數據采集軟件、鉆孔數據采集軟件、工程地質測繪軟件、施工地質數據采集軟件等多套軟件系統，系統綜合應用移動終端技術、GPS技術、GIS技術，軟件基于Android系統平臺開發，運行硬件環境采用平板電腦和智能手機。

通過研究工程地質外業數據采集信息的標準化和信息化，建立地質外業數據采集的地質字典，極大的提高了外業數據采集的工作效率；通過研究移動終端和PC終端的數據交換方式，實現工程地質專業內、外業數據轉換的智能化和快速化；外業數據采集系統實現了多移動終端的協同數據采集，通過采集數據與設備編號的關聯實現多設備協同采集數據。外業數據采集系統充分考慮了數據安全需求，實現了數據終端和云端的備份、恢復功能，保證了采集數據的安全。

鉆孔外業數據采集、平洞外業數據采集、工程地質測繪數據采集的平板電腦終端版本的軟件界面如圖2～4所示。

圖1 工程地質內外業一體化平臺的系統架構

圖2 鉆孔外業數據采集軟件界面

圖3 平洞外業數據采集軟件界面

圖4 工程地質測繪數據采集軟件界面

3.2 數據管理系統

考慮不同工程類型、工程規模和地質條件等因素，以工程地質專業工作流程為縱線、以工程地質專業工作內容為橫線，分析水電行業工程地質專業不同類型的專業技術資料，抽象概括工程地質專業內、外業涉及的各種專業數據結構，構建工程地質專業數據庫。

工程地質數據管理系統主要實現對工程地質數據的管理工作。數據庫系統采用分布式數據庫，數據分配方式采用混合式，這樣的數據管理方式既保證地質工程師工作的獨立性，同時又保證了數據的統一性。數據管理采用在線和離線相結合的方式，可適用于各種地質勘察工作環境，具備網絡通訊條件可直接連接數據庫服務器，不具備網絡通訊條件可離線管理數據，待具備網絡通訊條件時對離線數據和在線數據自動進行同步整合。

3.3 數據分析系統

工程地質數據分析系統主要實現工程地質數據統計分析工作。該系統根據工程地質數據分析的類型、過程和輸出成果的形式，按照工程地質專業各種數據統計方法和分析內容的不同，基于地質專業數據庫實現標準化和智能化的地質專業數據分析工作；系統按照數據分析的需求建立標準化模板，采用組件式開發，利于系統的管理、維護和擴展。

在工程地質數據分析系統開發過程中，通過分析水電行業工程地質專業的各種數據統計和分析工作內容，歸納地質數據統計分析的標準化模板，同時結合工程地質數據分析的成果類型和技術要求設計數據分析軟件的功能和架構。各數據分析模塊設置了多個數據篩選條件和數據分析設置項，能夠適用于不同的應用需求，很好的平衡了數據分析的標準化與個性化需求之間的關系。

3.4 三維建模及可視化分析系統

工程地質三維建模及可視化分析系統主要實現基于工程地質數據庫的工程地質三維建模和可視化分析。該系統基于AutoCAD Civil 3D平臺開發，系統能夠根據工程地質數據庫的數據自動構建三維地質模型，三維地質模型與數據之間能夠實現動態關聯和動態更新；系統在三維模型空間存儲了工程地質的核心數據，能夠實時查詢各模型的地質屬性；系統能夠完成基本的工程地質可視化分析，能夠抽取各種工程地質圖紙。

三維建模及可視化系統淡化了CAD軟件的圖層概念，通過工程地質對象的類型管理和組織三維模型單元，地質工程師可以不用深入了解三維設計軟件內部的數據組織模式，僅從工程地質專業角度組織和管理數據，極大的提高三維建模軟件的應用效率。對于每個地質三維模型單元，按照其工程地質類別建立了工程地質屬性，將三維幾何模型賦予了工程地質特性。

3.5 CAD繪圖系統

工程地質CAD繪圖系統實現繪制各種工程地質圖件功能。該系統可以基于工程地質數據庫和地質三維模型完成工程地質專業大多數圖件的繪制工作，包括實際材料圖、鉆孔柱狀圖、綜合地層柱狀圖、平洞展示圖、地質平面圖、地質剖面圖、地質平切圖、等值線圖、結構面玫瑰花圖、結構面極點圖、結構面赤平投影圖等。

地質內外業一體化平臺架構下的地質CAD繪圖系統，其核心功能已經從傳統的CAD繪圖蛻變為基于地質三維模型的抽圖。地質工程師在建立地質三維模型過程中，各種地質現象的空間分布形態已經利用三維空間對象進行了充分表達，地質CAD繪圖系統需要實現的是如何基于這些三維空間對象抽取二維地質圖紙。

3.6 勘察成果數字展示系統

工程地質勘察數據可視化展示系統實現可視化的勘察成果展示。系統基于GIS技術和三維CAD技術開發，整合了工程勘察工作區的地表三維模型和各種地質三維模型，以虛擬現實的可視化界面展示工程地質勘察成果。系統不僅可以瀏覽勘察成果的空間位置關系，同時可以通過鏈接工程地質數據庫實現工程地質數據的查詢功能。勘察成果數據展示系統即可作為獨立的工程勘察的成果展示系統，也可作為工程數字化管理系統或全生命周期數字管理系統的子系統使用。

4 關于地質內外業一體化的幾點思考

（1）外業數據采集系統的設計應綜合考慮數據標準化、數據安全和數據傳輸等因素

工程地質外業數據采集工作環境較為復雜，數據采集軟件的設計應考慮盡可能的提高數據采集的效率，地質采集數據的標準化是提高數據采集效率的最有效途徑。通過實現地質外業采集數據的標準化，建立地質數據字典，地質工程師只需要從地質數據字典中選擇需要記錄的信息，這種模式可大幅提高工作效率。另外，也可輔助采用一些新興技術，例如語音識別技術進行數據記錄，能夠在一定程度上提高數據采集效率，尤其是惡劣工作環境的數據采集工作。

地質外業采集的數據來之不易，因此對于數據安全在軟件開發中也應重點考慮。外業數據采集系統應具備數據自動備份、手動備份、數據恢復等功能，用戶根據實際需要，隨時可對數據進行備份，并可選擇任何備份恢復數據。另外數據的備份可采用互聯網云端備份模式，云端備份可保證在移動設備終端損壞的情況下準確恢復采集數據，云端備份應對數據進行有效加密，保證數據傳輸安全。

（2）地質數據庫的設計與數據管理應滿足不同工作環境的需求

水電工程多處于經濟欠發達地區，地質工程師所處的工作環境難以保證都具備網絡通訊條件，因此工程地質數據庫的設計和數據管理軟件的開發應考慮離線管理數據的實際需求。為適應不同工作環境的需求，工程地質數據庫系統宜采用分布式數據庫，同時采用分割式和全復制式相結合的混合式數據分配方式。簡單來說，不同的地質工程師利用自己的終端處理不同的數據，這就是分割式數據分配；同時在數據分析和應用時可以通過系統自動把數據匯總起來并同步到地質數據庫服務器，每個終端再復制一份完整的數據，這就是全復制式數據分配方式。這樣的數據管理方式既保證各個地質工程師工作的獨立性，同時又保證了數據的統一性。這種數據管理模式會大幅增加數據庫設計和數據管理軟件開發的難度，但能夠更好地適應不同工作環境的需求。

（3）數據分析系統應處理好標準化與個性化需求的關系

工程地質數據分析系統既要做到標準化又要能夠滿足一些個性化需求，沒有標準化系統的開發就無所適從，但對于不同的工程規模、地質條件、壩型、樞紐布置形式，地質數據分析的要求也不盡相同。因此數據分析系統應處理好標準化與個性化需求的關系。

例如，對于地質勘探揭示的地質結構面發育規律的統計分析，應在數據統計分析的具體內容、形式及成果輸出做到標準化，這樣可以快速生成地質工程師需要的數據分析結果，供地質工程師進行地質分析和評價；同時對于數據樣本的選擇，不同的項目需求千差萬別，應充分考慮個性化需求，實現對于不同的工程區、工程部位、岸坡、風化類型、卸荷類型等邊界條件內地質結構面發育規律的自動分析統計。

（4）地質三維建模系統應與多專業三維協同設計充分銜接

三維設計工作只有實現了多專業的協同設計才能真正發揮其效率和作用，因此地質三維建模系統的開發工作應與三維協同設計的流程和技術要求做好銜接工作。

首先，應分析地質專業在三維協同設計中的角色定位和工作流程，并據此設計地質三維建模系統。地質專業三維建模成果是設計專業開展三維設計工作的基礎，設計專業關注的是與設計工作相關聯的各種地質三維曲面或三維實體模型，對于地質專業內部分析使用的地質三維對象可不關注。因此，地質三維建模系統對于地質專業內部使用的模型對象和提供下序專業協同設計的模型對象應區別對待，專業協同設計需要的模型對象既要滿足地質專業的需求，又要兼顧下序設計專業的需求。

其次，地質三維建模系統應設計好專業協同設計的數據接口，對于下序設計專業需要參照利用的模型對象，應對模型樣式、模型名稱等內容建立統一的標準和規則并與下序專業達成共識，這樣設計專業在協同設計過程中對于地質模型對象的識別才能一目了然，否則三維協同設計就無從談起。

另外，地質三維模型對象只有賦予工程地質屬性才能提高其利用價值，僅提供地質三維幾何模型不利于設計專業應用。地質三維建模系統對于每一個地質模型單元都建立了工程地質屬性，在具備條件的情況下，應探討設計專業三維建模軟件對于地質模型中地質屬性的繼承。例如，一個斷層三維模型，設計專業只有了解該模型單元對應的各種地質構造特性數據，才能有針對性的設計工程處理措施。

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