國內外巖土工程勘察智能信息化現狀研究

羅財金LUO Cai-jin

（福建巖土工程勘察研究院有限公司，福州350108）

0 引言

信息化水平不斷進步，網絡通信、人工智能、現代測繪等技術都已運用到巖土工程勘察工作中。在信息智能化技術不斷推進下，從陳舊的紙筆模式逐步走向智能信息化模式。陳舊巖土工程勘察一般是把勘察所得來的芯樣，在現場時邊路人員就開始對各類巖石進行分析識別，之后通過手寫方式將巖土層名稱、層深等記錄在紙上，之后人工再將先前記錄在表上的資料錄入到計算機中生成各類圖表。在這一系列過程中，人工記錄與人工輸入階段容易產生遺漏或是錯記情況，并且還需耗費大量人力物力。芯樣性狀識別完全取決于工程師以往經驗。對于人工方面需求越來越多，如何解決目前人工效率低就成為了炙手可熱問題，一直停留不前，會始終阻礙工程勘察行業的發展。所以如何利用信息化技術來提升巖土工程勘察效率，是當下需解決的問題。

1 國內外巖土工程勘察智能信息化發展歷程

1.1 國外巖土工程勘察智能信息化發展歷程

1993 年，美國對外正式發布“國家信息基礎結構”計劃，隨后，全球很多國家都加大投入，強化本國的信息設施建設，其中代表性的有：歐洲信息社會計劃、新加坡信息島計劃等，與此同時，建筑業也開始對信息技術應用給予高度重視，并對其進行了深入研究，使得相關項目的信息化水平有了顯著增長，其中典型代表包括：澳洲的建筑業信息技術戰略、美國的協同工作系統、英國的建筑網系統開發等。1996 年5 月，日本發布UI 與公共建設項目推進信息化決定，規定2004 年前所有重點建設項目工作均必須通過計算機技術完成。2010 年前，全部工程已實現全部使用計算機來完成，已完全實現信息化[1]。有部分國家建立了電子政務系統，建筑工程經過設計審批、采購、招標等應用，大大減少了工程投入成本，提升工程質量以及監督效率。對于國外工程勘察技術可以分為以下四個階段：

第一階段：借助于WEB 平臺，實現工程勘察公司辦公自動化、管理信息化、并能提供招投標、質量安監、施工管理技術等方面的管理服務。

第二階段：通過網絡虛擬工作室，為項目人員溝通提供重要支持，借助于相應的項目協同系統，對不同工程建設專門的網站平臺，從而為項目建設、設計、施工、監理等主體提供重要的溝通平臺，使得相關信息得到更為快速的交流，同時還能和現場施工情況進行同步。新千年前后，日、歐、美、韓等國家和地區的建筑企業正式跨入該階段，不過在此階段也有相應的局限性，具體表現在投資規模高，而且所涉及到的系統功能尚不豐富。

第三階段：此時開展的是一體化系統研究，相關的項目管理不僅具有自動化屬性，同時還實現了全集成。其中代表就是美國的FIAPP 系統，這是一種功能豐富的IT 模型，對系統與集成工作環境給予很好支持，能夠為整個建筑工程項目的全生命周期提供自動化與集成管理服務[2]。部分研究組織更是將量工程勘察與GIS 開發應用進行密切融合，使得后一種技術在工程地質領域得到很好應用。通過GIS 模糊分類、虛擬場景、立體地形建模等技術，可以對工程勘察情況進行更為科學客觀的評價；在地質災害預測、地層形成過程研究過程中，鉆孔信息數據庫系統給予了很好支持。如今，全球已有頗為成熟的商業軟件，譬如Valan、DGI 等，在建筑、地質等大型工程領域得到較為深入的應用。特別是在2002 年，BIM 系統問世，隨后，歐迪克、Bentley 等公司也紛紛發布自身開發的BIM 系統，這促使勘察、設計、項目建設等諸多環節能夠實現統一化深度管理[3]。

第四階段：智能信息化隨時代變遷快速發展起來。主要由于第四次工業革命以智能制造為主體之后，各個國家開始智能產業改革，在互聯網技術飛速發展的情況下，傳統工業迎來了智能化改革，而它起到的關鍵作用就是連接，將顧客與加工廠、設備、產品、流水線等緊密聯系在一起，最終生成一個智能互聯系統。在各個過程中間，作業管理信息與工程勘查設施漸漸向一體化發面發展，從內到外實現一體化智能化設施。

1.2 國內巖土工程勘察智能信息化發展歷程

因我國國內大約在上個世紀九十年代才開始巖土勘察信息化，起步較晚，大概可以分為三個階段。

1.2.1 數字化階段

對于CAD 軟件進行普及和推廣，工程勘察行業從之前的人工手繪圖紙發展成利用計算機技術進行繪圖。

1.2.2 網絡化階段

大約在2005 年到2015 年期間，計算機的飛速發展推動了建設信息化勘察設計企業，大致包含兩個方面，分別是信息系統建設與基礎設備建設。基于基礎設施建設，各個企業漸漸開始出現職能管理系統。因為BIM 建筑繪圖軟件的出現，促進工程項目快速發展[4]。

1.2.3 智能化階段

2016 年到今天，國家將“互聯網+”戰略作為以后發展重點，建筑業正在與信息技術相結合。要想使勘察行業快速發展，就必須遵循工程勘察信息化，與互聯網相結合也是大勢所趨。

2 國內外巖土工程勘察智能信息化研究現狀

當下我國國內巖土工程勘察信息化主要是利用創新信息化技術來實現巖土勘察的信息數字化管理。伴隨著信息化水平的不斷提升，信息化、集成化的信息化數據處理特點漸漸突出，大大提升了企業生產管理時間效率。但是大部分企業還是堅守陳舊的管理原則，勘察行業要想進一步發展，就必須要與信息科技相結合，才可促進勘察行業快速發展[5]。

2.1 外業勘察工作智能信息化技術

對于外業勘察工作，主要在以下五個方面可以體現出來智能信息化技術快速發展。

2.1.1 智能數字圖像技術

用光學攝像頭對現場進行分析研究就叫作智能數字圖像技術。陳舊勘察信息化技術中最后典型的就是勘察鉆孔電視技術。通過電纜將攝像頭放置在水井內，之后利用電信號轉換原理，之后在圖像中就可以看到攝像頭所收集到的資料。智能數字圖像技術中最為具有代表性的一項技術就是二維碼圖像識別技術，利用掃描二維碼搜索出之前所錄入資料與實驗樣品，當前有很多建筑工地已經開始將此項技術運用到其中[6]。

2.1.2 智能鉆探設備及技術

將計算機信息系統、外業勘察鉆探裝置進行深度融合就成了智能鉆探設備，這種設備具有自動化、智能化等屬性，能夠支持數據的動態采集與處理。安百拓跨國公司所開發出來的智能露天鉆機，就具有典型的智能自動化特點，其型號為SmartROC D65。這款產品集成了自動定位、RHS 鉆桿處理等系統。通過該裝置，可以在鉆孔過程中能夠支持持續性作業，在具體定位方面，也有著較高的精準性，其成孔質量、生產效率整體較高[4]。然而，這款裝置在自動取芯領域的技術水平還不是十分出色[7]。奧地利3GSM企業所開發的巖石三維成像系統，性能較為出色，其名稱為ShapeMetriX3D。具體可以借助于專門的相機以及3G系統，對所需數據進行動態采集，在隧道掘進、采礦等諸多領域有著頗為廣泛運用。我國鐵道重工也開發出了具有國際領先的地質勘察設備，其超前鉆探與取芯能夠達到公里級別，而且還呈現出智能、自動、一體化屬性。

2.1.3 智能原位測試技術

將信息數據采集技術、外業勘察原位測試裝置進行融合，就能將其稱作智能原位測試技術。通過這項技術的運用，能夠在測試方面實現數據自動化采集與處理，并具有典型的智能性。

2.1.4 智能勘測技術

通過計算機、AI、現代測繪、無人機等技術完成測繪，就是典型的智慧勘測技術。在這種技術中，主要代表為：RTK 技術，也就是所謂的載波相位動態實時差分技術，它可以將測量技術進行信息化轉變，在巖土勘察領域，可以進行定位、定線，對斷面進行測量放樣時，其定位精度更是能夠達到厘米級，相較于傳統設備，如水準儀、全站儀等，在測量速度上更具有優勢[8]。當前，我國已有較多的公司成功開發出相應的數據處理、接口系統，能夠和測量數據庫進行直接對接，并能導入至CAD 系統，獲得成果圖。此外，還有立體激光放樣機器人，這種技術就是借助于立體激光來對現場情況進行掃描，獲得三維空間，從而使得放樣效率得到明顯提升。目前中建、北京建工等集團公司已經對這種技術進行了實踐應用。超站儀技術，其技術基礎為全站儀，不過具有良好的智能性，它可以支持安卓系統，集成了云平臺、測圖軟件、光電機等，屬于先進的一體化電子測速儀，可以對豎直、水平角、高差等進行精準化測量[5]。借助于移動網絡，可以支持數據的實時互通，并能對外業信息更快的進行內業處理，并能支持即時性入庫。智能航測技術：利用無人機低空拍攝來獲得相關影像數據，之后形成三維模型，實現快速得到地理信息，大大減少了野外測量繪制工作量。中科遙感與中國大疆等都是較為知名的無人機公司。智能測量計數技術：利用視覺識別技術對于鋼筋數量進行甄別，對于密集小物體是最快的一種辦法，還可以將這樣技術運用在這能工地中，進行少人化管理[9]。而這個方法已經在運用在實際中，在華南理工校區工地就已被實踐。

2.1.5 智能視頻監控采集技術

美國是最開始研究視頻智能監控技術，來源于一個美國VSAM 項目。中國對于此項研究起步比較晚。中科院發明出的智能監控技術，已經廣泛應用于交通范疇，和較多技術結合在一起形成的綜合技術工程。在國內有部分研究者對于工程勘察現場進行相應分析，結合現場特點，研究出一項視頻智能采集技術。

2.2 巖土工程地質數字建模

一般收集到的偵查鉆孔資料不是特別規整，較為零散，為了便于后期對數據進行處理分析，一些勘察企業把獲取到的鉆孔材料利用計算機仿真模型建模方法進行三維建模。

2.2.1 地質建模

當前建模方法主要有不規則格網法與表面模型法。前者是以區域為對象，將其中數個點細分成相連三角面網格，相關點將處于三角面的內部、邊上、頂點，并對其中點進行插值處理，為此，TIN 為分段線性模型；后者則是數字表面模型法，具體借助于測點幾何與屬性特征數據，借助于數據解釋結構，來對地質體界面進行重構，進而打造相應的網狀曲面片。

2.2.2 三維手段

近年來，三維沿途信息技術越來越被人們所關注。當前對于數據的二維研究與管理已經逐漸趨于成熟階段，開始漸漸將關注重點轉移到三維工程、數字研究等方面[10]。

2.2.3 三維商業APP

國內國外已經開始出現多種專業相結合的三維地質建模APP，其中有重要影響力的有理正地質 GIS、GeoMo3D、GOCAD 等。

3 巖土工程勘察智能化系統今后的研究重點

3.1 巖土工程勘察智能化技術難點問題

陳舊工程勘察工作模式有很多難點，如果繼續采取陳舊工作方法，不能根本解決問題，大致總結為六個方面：

①因為較多數據很容易受到人為因素干擾，導致數據不準確。如果專門讓一個工程師來進行監管，人工成本較高，所以就需要一個可以隨時偵查的無人智能監控系統。

②記錄勘察數據時會發生重復記錄錯誤問題：陳舊錄入勘察數據方法非常容易記錄錯誤，出現多記、錯記現象。應該將這些勘察書記一次性錄入到電腦中，利用信息化錄入技術，節省時間效率，降低人工成本。

③勘察內外業數據傳輸流程較多：一部分勘察軟件和設備的內外也比較特殊，數據轉化有一系列流程，相當復雜，所以在此之前，應提前確定好數據格式，貫徹一體信息化技術。

④勘查進程內無法進行分節點審查：在之前勘察工程師沒有審查重點，之后要形成系統信息化，創造便捷的審查功能，為后續把控工程進度提供便利[11]。

⑤勘察項目分析數據困難：在勘察工程師會干涉到較多數據，以此數據來分析地質條件，還需要將此些數據與他人共享，應積極引入人工智能來提升準確率。

⑥勘察項目總結工作較為繁瑣：因為工程項目涉及到的數據較多，需要對這些數據進行簡化在進行分析。總而言之，陳舊勘察項目內外業中有著格式各樣的問題，而使勘察項目與智能信息化技術相結合則可解決此問題[12]。

3.2 巖土工程勘察智能化新技術和發展方向

3.2.1 互聯網+虛擬現實技術

因為巖土工程勘察環境很容易受到各種因素的干擾，利用提高現實技術可以提高內外業技術感知能力。如今互聯網技術呈快速發展狀態，為巖土工程勘察信息化快速發展提供了一個很好的平臺。當前虛擬現實技術還未走向成熟階段，沒有廣泛應用于日常生活中，很多工程項目都是作為實驗技術。人工智能在工程勘察時突然需要人工來幫助判斷，虛擬現實技術對于減少空間距離提供了很大幫助[13]。

3.2.2 人工智能+視覺識別技術

可以利用分析巖石特征建造數學模型，促使識別過程自動化、智能化。視覺識別技術相較于人工識別相比仍有較大差距，無法做到精準識別，原因在于現場實際巖石圖片和標準巖石差距很大，很容易干擾視覺識別技術精準度[14]。數據識別技術具有小樣本性，一部分巖土勘察芯樣需要識別很多相關資料，具備多標簽語特點。另外需對現場進行快速分析，計算精準度要求也很高，所以需要對視覺識別進步更深層次進行探究，不斷完善。

4 結語

我國各個巖土工程建設中最為關鍵的一個環節就是巖土工程地質勘察。將巖土工程勘察智能化與信息化進行到底。較為復雜的現場施工環境，促使勘察巖土工程辨別芯樣性狀更加復雜，信息化智能化是非常具有挑戰性的一項課題[15]。精確辨別巖土性狀與辨別地層緊密相關。互聯網的發展，加速了信息傳播與工程勘察項目技術扁平化，數據共享范圍越來越大。巖土工程勘察想要達到信息化，需要共享并廣泛使用，進而走向智能化道路。