試論如何建立工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫

馬湘軍

摘要：當(dāng)前我國的工程建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展的時期，而各類建筑物的規(guī)劃設(shè)計是以工程地質(zhì)勘察資料為基礎(chǔ)的。為了建立結(jié)構(gòu)規(guī)范統(tǒng)一的工程地質(zhì)勘察信息數(shù)據(jù)庫，本文提出了“用戶”與“系統(tǒng)”兩級數(shù)據(jù)庫相互映射的技術(shù)，把用戶對數(shù)據(jù)的操作和計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的過程分離開來。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中采用“塊—層”結(jié)構(gòu)的地層數(shù)據(jù)模型，對鉆探區(qū)域進(jìn)行了“地層層序”優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì) 鉆孔數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)庫 地層

0 引言

地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)地域性強(qiáng)、種類繁雜、輸入輸出量大、加工處理十分復(fù)雜，其中土層的鉆孔數(shù)據(jù)是最重要的資料，這種資料更原始、量更大、更具特點(diǎn)，處理起來也更復(fù)雜。怎樣對這些資料進(jìn)行有效、規(guī)范的管理，到目前為止，還沒有一種公認(rèn)的針對地質(zhì)鉆孔信息的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實踐。本文引入了內(nèi)外兩級數(shù)據(jù)庫優(yōu)化映射的思想和一種新穎的地質(zhì)“塊—層”結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了地質(zhì)信息管理系統(tǒng)，對地質(zhì)勘察信息特別是鉆孔資料信息進(jìn)行科學(xué)有效的管理，并對一個工程實例進(jìn)行了地層情況的插值模擬。這樣不但能夠積累工程經(jīng)驗，對后續(xù)工程的設(shè)計施工提供指導(dǎo)，而且可以為城市規(guī)劃等宏觀決策提供借鑒。

1 內(nèi)外兩級地層數(shù)據(jù)庫

工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)是人們對地球表層巖土分布情況的記錄，包含了地層的眾多信息。受兩方面因素的影響：一是地殼運(yùn)動和周圍環(huán)境的原始構(gòu)造運(yùn)動，二是人類工程活動引起的施工擾動，這就造成了地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，地層翻轉(zhuǎn)、缺失時有發(fā)生。要把這些浩如煙海、多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)建庫，用數(shù)字化的方法直觀地展現(xiàn)出來，采用單一而簡單的地層數(shù)據(jù)模型顯然不能滿足需要。尤其在大型工程中，大范圍地揭露土體，土層較多、土體類型變化復(fù)雜時更是如此。用戶編輯信息時使用的數(shù)據(jù)庫繁雜，計算機(jī)內(nèi)部處理系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫要求結(jié)構(gòu)規(guī)范化，這兩者之間就形成了矛盾。本文提出的用戶數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的兩級映射技術(shù)可以很好地解決這個矛盾。

1.1 用戶數(shù)據(jù)庫 這個數(shù)據(jù)庫是一級數(shù)據(jù)庫，面向用戶，適應(yīng)用戶的使用習(xí)慣和需要，包容性比較強(qiáng)，它的結(jié)構(gòu)可以比較松散，和鉆孔勘察的記錄數(shù)據(jù)差不多，有點(diǎn)號、平面位置、標(biāo)高、各個土層類型和厚度等信息。用戶可以在這個數(shù)據(jù)庫里以區(qū)域為單位導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)、修改編輯數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、生成和瀏覽各種報表圖表。采用對象嵌入技術(shù)還可以實現(xiàn)圖形（主要是地圖）和數(shù)據(jù)的超鏈接。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 這個數(shù)據(jù)庫是二級數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理，由一級數(shù)據(jù)庫優(yōu)化映射得到，各個鉆孔的信息具有規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，即下面要介紹的地質(zhì)“塊—層”結(jié)構(gòu)。這就克服了用戶數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)松散、數(shù)據(jù)冗余的缺點(diǎn)，同時適應(yīng)內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的要求。

1.3 區(qū)域地層層序優(yōu)化技術(shù) 用戶通過一級數(shù)據(jù)庫輸入某一區(qū)域的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)。但是實際應(yīng)用中地質(zhì)情況是復(fù)雜多變的，各個鉆孔所揭露地層的層數(shù)、層序都不會完全一致，需要再經(jīng)過一個“優(yōu)化”的過程，得到針對這一區(qū)域的“優(yōu)化地層層序”?！皟?yōu)化地層層序”包含了該區(qū)域所有鉆孔揭露出的各種類型的土層，并以一種“優(yōu)化”的順序排列起來，目的是著眼于區(qū)域中大多數(shù)鉆孔的地質(zhì)情況來組織系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。例如某種類型的土層在大多數(shù)鉆孔中都處于靠近地面的上層，那么它在“優(yōu)化地層層序”中的位置也相對靠上；某種類型的土層只在極少數(shù)鉆孔中才出現(xiàn)，就可以規(guī)定一個闕值，小于這個值時這種土層在“優(yōu)化地層層序”中就被忽略了，或者與臨近土層合并。當(dāng)然，這些“優(yōu)化”的方法也可以由用戶選擇使用。如果把優(yōu)化規(guī)則定義為：給鉆孔的不同位置賦予不同的數(shù)值，從上到下依次遞增，和地面最接近定義為第1層，最遠(yuǎn)離為最后一層，以此類推。

1.4 兩級數(shù)據(jù)庫映射技術(shù) 得到“優(yōu)化地層層序”后，就以此為基礎(chǔ)，聯(lián)系下面要提到的“塊—層“結(jié)構(gòu)模型組建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。因為經(jīng)過了優(yōu)化，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)緊湊規(guī)范，為特定區(qū)域?qū)Ｓ茫奖懔撕罄m(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由用戶數(shù)據(jù)庫可以映射到唯一的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。同樣，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫也可以唯一映射回用戶數(shù)據(jù)庫。在一個數(shù)據(jù)庫中所做的修改可以迅速地反映到另一個數(shù)據(jù)庫中。從本質(zhì)上說，這兩個數(shù)據(jù)庫是對同一個客觀事物用不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行的抽象和反映。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，用戶只能操縱用戶數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對用戶來說是不可見的。

2 地質(zhì)“塊—層”結(jié)構(gòu)模型

用戶數(shù)據(jù)庫優(yōu)化之后仍有一些問題不能解決，各鉆孔怎樣利用“優(yōu)化地層層序”來表達(dá)自身的地層層序呢？這就要用到地質(zhì)“塊—層”結(jié)構(gòu)模型。這種結(jié)構(gòu)模型把“優(yōu)化地層層序”作為一個基本塊，這個基本塊重復(fù)出現(xiàn)。即各個地層組成基本塊，各個基本塊組成鉆孔模型。各鉆孔的土層情況與基本塊比較，順序相同的依次填入數(shù)據(jù)，有土層翻轉(zhuǎn)的就增加一個基本塊再填入，有土層缺失的就填0。數(shù)個基本塊連接成鉆孔的土層結(jié)構(gòu)，形成一種靈活的、可伸縮的數(shù)據(jù)模型。

3 地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)建庫的根本目的是為了高效、合理、科學(xué)、規(guī)范地管理和處理數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在有關(guān)地質(zhì)實體的研究多著眼于三維地層建模，體現(xiàn)在兩方面：一是適應(yīng)于地層模擬的空間數(shù)據(jù)模型研究；二是三維地層建模的具體實現(xiàn)方法。綜合考察現(xiàn)有的各種地層模擬方案發(fā)現(xiàn)：多數(shù)方法的建模過程都比較復(fù)雜煩瑣，而且最終成果往往是形態(tài)構(gòu)造和直觀形象，缺少具體的數(shù)值結(jié)果和量化指標(biāo)，可利用性不強(qiáng)。針對這些缺陷，本文提出的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)不但能夠向用戶提供以查詢結(jié)果為基礎(chǔ)的報表、平面圖、剖面圖、壓縮特性曲線圖和土工實驗表等可視化效果，更重要的是它可以把鉆孔的地層信息量化地提供給用戶。由于工程鉆探的高成本和自然條件的約束，在一個特定的研究區(qū)域中，往往只能獲取有限數(shù)目的鉆孔數(shù)據(jù)，那么沒有鉆孔資料的點(diǎn)位怎么辦？在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，各鉆孔的地質(zhì)信息有形式上一致的結(jié)構(gòu)，可以使用比較成熟的技術(shù)，利用各鉆孔點(diǎn)的平面坐標(biāo)構(gòu)建整個區(qū)域的點(diǎn)位拓?fù)潢P(guān)系，如構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)。再根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系選擇一些已勘探點(diǎn)來模擬插值未知點(diǎn)的地層信息。

4 結(jié)語

4.1 要把繁雜的鉆孔地層信息建立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行科學(xué)有效的管理，前提是要建立一個操作性強(qiáng)、統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)模型。地層“塊—層”結(jié)構(gòu)就能夠比較完美地解決地層層序中的大多數(shù)異常問題，如地層翻轉(zhuǎn)、缺失等。但對于在同一鉆孔中重復(fù)出現(xiàn)的地層只能舍棄，認(rèn)為它只出現(xiàn)一次。雖然實踐中重復(fù)出現(xiàn)同一地層的現(xiàn)象不太常見，但是這也是這種結(jié)構(gòu)的不足之處，建議進(jìn)行更深一步的研究。

4.2 要由鉆孔信息的原始數(shù)據(jù)建立地層信息數(shù)據(jù)庫，就要先由用戶數(shù)據(jù)庫優(yōu)化出區(qū)域的“優(yōu)化地層層序”，建立各個鉆孔的地質(zhì)“塊—層”結(jié)構(gòu)，再建立起適用于信息處理要求的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。以此為基礎(chǔ)開發(fā)出的工程地質(zhì)勘察信息處理系統(tǒng)可以為工程建筑設(shè)計部門和城市規(guī)劃部門的計劃、決策提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

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