基于巖土工程勘察的智慧數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)

冀盼彧,徐利成,劉軒,任沁梟,翁美琳

(1.廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511400; 2.廣州大學(xué),廣東 廣州 511400;3.珠海科技學(xué)院,廣東 珠海 519090)

0 引 言

近年來,利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)助力交通建設(shè)信息化,成為勘察信息化建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),如利用理正勘察數(shù)據(jù)軟件對巖土勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入[1,2],基于ArcGIS地理信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)勘察地圖的三維建模等[3～5]。與此同時,伴隨著數(shù)據(jù)處理和存儲管理能力的提升,利用智能技術(shù)輔助交通工程的建設(shè)評估和數(shù)據(jù)預(yù)測也成為可能。

在大型公共交通設(shè)施和城市公路的建設(shè)規(guī)劃中,往往需要開展大量地質(zhì)預(yù)勘工作。按照預(yù)先定義的鉆孔分布圖,逐一對巖土工程各個鉆孔進(jìn)行勘察和記錄,從而實(shí)現(xiàn)勘察元數(shù)據(jù)的記錄與存儲。然而,目前這類勘察數(shù)據(jù)采集仍然存在兩點(diǎn)難題:一是智能技術(shù)下的數(shù)據(jù)采集需求往往是海量存儲和多源異構(gòu)的,采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式(如借助電子表格,理正軟件,工程制表等),容易導(dǎo)致存儲分離化和內(nèi)容碎片化。二是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集往往是時空非同步的,數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)的復(fù)雜性和巖土工程參與人員的多樣化,使得現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集、存儲、管理和可視化的過程中存在“數(shù)據(jù)斷層”的現(xiàn)象,進(jìn)一步限制了利用智能技術(shù)開展數(shù)據(jù)采集和自動分析的效率。因此,一款基于巖土工程勘察的智慧數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)成為破解這一困境的關(guān)鍵。

本文采用了移動互聯(lián)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺和GIS自動繪制等技術(shù),構(gòu)建了一款集成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理、工程數(shù)據(jù)可視化、柱狀圖生成等多種創(chuàng)新模塊的智慧數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),以此提高巖土工程的數(shù)據(jù)一體化管理和分析能力。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 Web技術(shù)

研究基于Vue前端開發(fā)框架以及Springboot的后臺框架等Web技術(shù)搭建,采用mysql數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)對巖土工程平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。由于平臺融合了巖土勘察工作過程中大量的鉆孔巖芯圖、場地環(huán)境圖和其他類型的圖片,我們通過圖片服務(wù)器的形式對圖片數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分離式緩存。

1.2 OpenCV圖像處理

為了實(shí)現(xiàn)輔助勘察和自動化巖芯信息標(biāo)注,平臺采用了OpenCV視覺庫和相關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)了通過巖芯分箱圖的分割識別,并提供自動生成巖芯柱狀圖。

1.3 理正勘察軟件數(shù)據(jù)對接

由于理正工程地質(zhì)勘察軟件的廣泛使用和實(shí)現(xiàn)平臺對理正數(shù)據(jù)庫信息的對接和遷移,采用WebSocket接口形式開發(fā)了兼容第三方的標(biāo)準(zhǔn)理正接口,解決用戶多端數(shù)據(jù)不對稱的問題。

2 勘察智慧數(shù)據(jù)管理平臺的框架構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織形式

巖土工程勘察數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)的特點(diǎn),數(shù)據(jù)分布廣、形式多。如圖1所示,多源數(shù)據(jù)包括理正勘察數(shù)據(jù)軟件的記錄數(shù)據(jù)、平臺內(nèi)部用戶與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、自有平臺數(shù)據(jù)以及用于鉆孔地圖展示外部的地圖數(shù)據(jù);異構(gòu)數(shù)據(jù)包括了平臺中各類的文本描述數(shù)據(jù),如巖芯對照表、鉆孔數(shù)據(jù)、項(xiàng)目描述等。此外還有以Execl為主等外業(yè)勘察記錄表格、巖芯分箱照等工程圖片、用于數(shù)據(jù)接口的JSON數(shù)據(jù)等其他文件數(shù)據(jù)。

圖1 平臺數(shù)據(jù)組織形式圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的良好數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)采用三級架構(gòu)方式,如圖2所示,自下而上由網(wǎng)絡(luò)管理域、功能管理域和業(yè)務(wù)管理域構(gòu)成。

網(wǎng)絡(luò)管理域是管理系統(tǒng)平臺的底層支撐,其整體采用了前后端分離的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。前端使用了Vue框架進(jìn)行開發(fā),可以進(jìn)行組件化開發(fā)。后端使用了SpringBoot框架搭建,用于開發(fā)數(shù)據(jù)訪問服務(wù),響應(yīng)前端業(yè)務(wù)請求。地圖服務(wù)選用奧維GIS信息服務(wù)以支持三維地圖的展示和地圖交互開發(fā)。數(shù)據(jù)庫選用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL數(shù)據(jù)庫和圖數(shù)據(jù)庫,滿足關(guān)系型數(shù)據(jù)和圖數(shù)據(jù)的存儲需求[6]。

功能管理域?qū)⒐芾硐到y(tǒng)的功能抽象出來,主要集成了鉆孔管理、項(xiàng)目管理、巖土管理、GIS服務(wù)、柱狀圖生成、數(shù)據(jù)交換功能、服務(wù)偵測工具等管理功能。

業(yè)務(wù)管理域是管理系統(tǒng)面向用戶的業(yè)務(wù)集,抽象集合了各種子業(yè)務(wù)模塊。這些模塊高度封裝,用于滿足不同用戶對不同業(yè)務(wù)的調(diào)用需求。如項(xiàng)目信息模塊、鉆孔管理模塊、巖芯層管理模塊、地層模塊等十個子業(yè)務(wù)構(gòu)成。

為了滿足勘察、設(shè)計(jì)、施工等不同人員的獨(dú)立操作,系統(tǒng)為不同類型的參與人員開發(fā)了不同的個性化業(yè)務(wù)。如施工人員只需要關(guān)注鉆孔和測試數(shù)據(jù),分析設(shè)計(jì)人員更多關(guān)注巖土和地層數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵核心技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理

在巖土工程勘察項(xiàng)目開展流程中會產(chǎn)生大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,能夠有效打破“數(shù)據(jù)壁壘”現(xiàn)象和解決“數(shù)據(jù)斷層”問題[7,8],同時也是實(shí)現(xiàn)本智慧數(shù)據(jù)一體化管理系統(tǒng)的重要技術(shù)。

平臺中的多源數(shù)據(jù)來源廣泛,主要的來源有理正勘察軟件中的記錄數(shù)據(jù)、內(nèi)部用戶與第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)、自有平臺數(shù)據(jù)和外部地圖數(shù)據(jù)。多源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源具有分散性且數(shù)據(jù)量各有差異,若對多源數(shù)據(jù)獨(dú)立保存,雖然方便省事,卻會造成多源數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性變差、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性缺失,導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理成本增加、數(shù)據(jù)查找效率降低等顯著問題[9,10]。為此,平臺針對多源數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了用于統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)源管理表。該表通過存儲不同數(shù)據(jù)標(biāo)識符來區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,資源表設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 資源表數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.2 勘察數(shù)據(jù)與理正對接功能設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的巖土工程勘察記錄軟件中,理正等工程地質(zhì)勘察軟件作為工作流的上游軟件,具有一定的市場占有率。然而,受限于理正勘察軟件的數(shù)據(jù)封閉性和復(fù)雜的理正數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)第三方軟件平臺與理正勘察軟件之間的數(shù)據(jù)交互,是目前實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)。

為了破解上述難點(diǎn),平臺提出了可以實(shí)現(xiàn)自動與理正數(shù)據(jù)及其系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接和遷移的設(shè)計(jì)方案。基于可拓展的原則,系統(tǒng)利用MDB數(shù)據(jù)格式文件作為中介,開發(fā)了能夠讀取和寫入MDB數(shù)據(jù)的理正數(shù)據(jù)對接接口[11]。該MDB格式文件包含了工程項(xiàng)目所有數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動解析該mdb文件,實(shí)現(xiàn)了已有工程數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間實(shí)現(xiàn)相互導(dǎo)入。在實(shí)際工程應(yīng)用中,這接口將加快工程人員的數(shù)據(jù)錄入效率,實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)和第三方軟件數(shù)據(jù)間的快速管理和對接[12]。

3.3 勘察巖芯圖像自動識別技術(shù)

地質(zhì)柱狀圖和剖面圖作為影響巖芯構(gòu)造的關(guān)鍵因素,也是目前勘察領(lǐng)域的必要考察指標(biāo)。目前巖土勘察工程中,生成柱狀圖的方法主要包括:人工識別、利用GIS技術(shù)軟件進(jìn)行識別分析和基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對巖芯進(jìn)行識別[13,14]。但是這些方法都存在如下缺點(diǎn):人工識別的人為規(guī)則干預(yù)較強(qiáng)且準(zhǔn)確率低下;利用GIS技術(shù)軟件存在導(dǎo)出效率慢、軟件依賴性強(qiáng)的問題;基于計(jì)算機(jī)視覺的巖芯識別技術(shù)則會受戶外場景和其他環(huán)境噪音影響,導(dǎo)致識別準(zhǔn)確率低下[15]。

為此,本系統(tǒng)提出了一種自動通過識別現(xiàn)場方箱圖來自動生成巖芯柱狀圖的算法。通過OpenCV庫和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,采用遠(yuǎn)端模型部署的方式,對勘察巖芯的方箱圖實(shí)現(xiàn)自動識別、分割、重新拼接,最終生成高質(zhì)量地質(zhì)柱狀圖像,滿足了野外計(jì)算資源匱乏和特征不足情況下及時準(zhǔn)確生成巖芯方箱柱狀圖的需求。具體流程如圖3所示:

圖3 巖芯柱狀圖生成流程

首先將每張巖芯方箱圖依次進(jìn)行灰度化、濾波和直方圖均衡化操作,目的是去除圖像的噪聲和干擾線條。將處理過后的圖像進(jìn)行開閉包操作,開閉包操作可以去除大部分巖芯實(shí)體,只留下方箱的分隔線。之后對各個分隔線進(jìn)行直線檢測,對檢測到的直線進(jìn)行篩選,根據(jù)長度、斜率等信息,篩選出可能是巖芯裝載體的直線。進(jìn)一步地,對篩選后的直線進(jìn)行橫向聚類,以此實(shí)現(xiàn)對由于識別誤差導(dǎo)致分割線中斷的這類現(xiàn)象進(jìn)行松弛。最后,對檢測到的直線進(jìn)行數(shù)量檢測,如分箱直線數(shù)量符合既定要求,方可進(jìn)入巖芯圖像的拆分拼接工作。如不滿足要求,則多次重復(fù)進(jìn)行特征提取和直線預(yù)測操作。最終,通過戶外作業(yè)的方箱圖實(shí)現(xiàn)自動生成柱狀圖,并傳回到客戶端機(jī)器網(wǎng)頁[16,17]。

4 技術(shù)實(shí)踐與評測

為保障巖土工程勘察智慧數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的可用性,本平臺在開發(fā)過程中選用i5-12490 16G的Window10作為開發(fā)環(huán)境,其客戶端使用的終端為具備上網(wǎng)功能的手機(jī)和各類計(jì)算機(jī)。

4.1 后臺管理系統(tǒng)展示

(1)巖土項(xiàng)目管理功能

勘察項(xiàng)目的管理頁面主要實(shí)現(xiàn)的是勘察項(xiàng)目的創(chuàng)建、展示及存儲,可以提供查看工程進(jìn)度、項(xiàng)目信息等信息,除此之外還有項(xiàng)目地圖、巖土層、鉆孔管理、標(biāo)準(zhǔn)地層、操作日志等功能選項(xiàng),如圖4所示。

圖4 巖土項(xiàng)目管理功能

(2)巖土數(shù)據(jù)的采集和存儲

在鉆孔管理菜單中,可以進(jìn)行對鉆孔信息,土質(zhì)編錄信息和各類鉆孔圖片和視頻信息的錄入、編輯,如圖5所示。

圖5 巖土數(shù)據(jù)的采集和存儲

可錄入和編輯的信息包括:鉆孔編號、鉆孔類型、分箱數(shù)、鉆孔性質(zhì)、XY坐標(biāo)、高程、里程、偏移量、控制孔深等,如圖6所示。

圖6 錄入鉆孔

4.2 多源數(shù)據(jù)管理展示

多源數(shù)據(jù)使用多源數(shù)據(jù)資源表進(jìn)行管理,使用該表可以提高多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性、降低管理成本,如圖7所示。

4.3 勘察數(shù)據(jù)的外部對接

通過圖8所示的“導(dǎo)出到理正”按鈕,即可生成包含該項(xiàng)目所有信息的外部數(shù)據(jù)文件。

圖8 導(dǎo)出功能

為進(jìn)一步測試文件可用性,我們選取理正軟件讀取平臺導(dǎo)出的數(shù)據(jù)接口文件。如圖9所示,通過理正數(shù)據(jù)接口讀取和理正接口文件自動生成,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平臺數(shù)據(jù)到理正勘察軟件的自動化對接、遷移,保障了平臺和第三方軟件數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性,從而省去了大量人工數(shù)據(jù)遷移的成本,提高了勘察項(xiàng)目推進(jìn)的工作效率。

圖9 項(xiàng)目數(shù)據(jù)導(dǎo)入

4.4 勘察巖芯圖像自動識別技術(shù)

在編輯鉆孔信息的頁面中,可以選擇巖芯分箱照上傳,如圖10所示。

圖10 巖芯分箱照上傳

上傳分箱照,點(diǎn)擊鉆孔柱狀圖之后,后臺將自動識別全部上傳的巖芯分箱照,執(zhí)行巖芯柱狀圖生成算法,自動生成的巖芯柱狀圖帶有地層描述信息。

如圖11所示,平臺自主開發(fā)的勘察巖芯圖像自動識別技術(shù),實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助巖芯錄入高度自動化和巖芯實(shí)現(xiàn)地質(zhì)柱狀圖的高質(zhì)量生成,節(jié)省了地質(zhì)工作人員的時間,提高了勘察項(xiàng)目工程的推進(jìn)效率。

圖11 帶描述帶巖芯拼接圖片段

4.5 工程評測

(1)實(shí)地評測

為了檢驗(yàn)巖土工程數(shù)據(jù)管理平臺在勘察項(xiàng)目中的有效性和高效性,本文對管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地評測分析。評測根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)對“傳統(tǒng)人工方式“以及”使用管理平臺“分別進(jìn)行耗時記錄,生成評測結(jié)果。如表2所示,結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠提供給勘探人員一款優(yōu)質(zhì)的勘察工程數(shù)據(jù)和輔助生成工具,大大節(jié)約了勘察工程的時間,提高了勘察工程效率,同時驗(yàn)證了利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)輔助當(dāng)前巖土工程勘察的技術(shù)可行性。

表2 工程因子評測表

(2)功能性評測

為了驗(yàn)證管理系統(tǒng)最終使用功能與開發(fā)預(yù)期功能是否一致,本文對用戶的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行評測。評測方法為多方融合評測,即由開發(fā)者、用戶分別評測,評測結(jié)果匯集成下表3:

表3 管理系統(tǒng)功能評測表

由評測數(shù)據(jù)可以得到功能評測的實(shí)驗(yàn)時間均在 1 s內(nèi),功能性驗(yàn)證基本通過且達(dá)到預(yù)期。這說明管理系統(tǒng)在功能可用性上已經(jīng)滿足了實(shí)際的開發(fā)預(yù)期,能夠作為一款優(yōu)質(zhì)的勘察工程管理工具輔助實(shí)際現(xiàn)場作業(yè),大大節(jié)約了勘察工程的時間,提高了勘察工程效率。

5 總 結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,移動GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維建模與可視化技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到勘察、測繪等多領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用中。將移動GIS、地質(zhì)建模與工程地質(zhì)勘察應(yīng)用相結(jié)合,構(gòu)建出包含工程地質(zhì)數(shù)據(jù)外業(yè)移動采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)自動化處理以及地質(zhì)數(shù)據(jù)模型多維可視化應(yīng)用的系統(tǒng)平臺,對工程地質(zhì)應(yīng)用具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[18]。本文闡述了巖土工程的勘察數(shù)據(jù)一體化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、相關(guān)技術(shù)以及核心技術(shù)的設(shè)計(jì)。本文還從工程可用性和功能健全性對平臺進(jìn)行了測試,結(jié)果表明通過設(shè)計(jì)基于移動信息技術(shù)和人工智能技術(shù)開發(fā)的勘察數(shù)據(jù)一體化管理系統(tǒng),可以輔助巖土工程勘察數(shù)據(jù)的采集、處理與可視化工作,提升巖土工程勘察的效率、質(zhì)量與智能化作業(yè)水平,對巖土工程勘察的信息化與智能化發(fā)展具有重要意義。