巖土工程勘察的數(shù)字化技術(shù)與運用

阮 超

（河南民瑞巖土工程技術(shù)有限公司，河南 信陽 464000）

巖土勘察設(shè)計中對數(shù)字技術(shù)有一定的要求，從目前實際的設(shè)計形式要求看，如何進行技術(shù)分析就成了重點。數(shù)字技術(shù)在地質(zhì)勘查中具有重要作用，從實際應(yīng)用情況和要求等可知，如何進行技術(shù)分析就成了關(guān)鍵，應(yīng)明確注意事項，做好管理。

1 巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)

為了能夠有效降低勘查工作的調(diào)控難度，基于勘查過程自動化的相關(guān)要求，巖土勘查工作以計算機技術(shù)為核心，對其數(shù)字化做出研究。通過構(gòu)建地質(zhì)勘查數(shù)字化平臺實現(xiàn)勘查與設(shè)計的結(jié)合。

1.1 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)將測繪數(shù)據(jù)通過在實時平臺的共享，有效提高了測繪信息的利用效率，是數(shù)字化系統(tǒng)中的重要組成部分。因此，勘查數(shù)字化技術(shù)中離不開計算機信息技術(shù)的支持。勘察人員與工程技術(shù)人員通過在建立在網(wǎng)絡(luò)上專業(yè)的巖土工程信息平臺進行交流，實現(xiàn)了信息的實時傳輸。

1.2 感應(yīng)系統(tǒng)

在巖土工程的勘察工作中，有效的利用數(shù)字化技術(shù)，能夠讓巖土數(shù)據(jù)處理中心呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。在這個過程中，為了能夠?qū)辈靺^(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動智能化的探測，需要將電子傳感器作為智能信號傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)備，從而得到勘察區(qū)域的基本信息。

1.3 存儲系統(tǒng)

在巖土工程的勘察過程中，大量地質(zhì)數(shù)據(jù)會隨著工程規(guī)模的增大而不斷產(chǎn)生，而搭建數(shù)字化的信息平臺，首要條件是必須有一個穩(wěn)定的存儲系統(tǒng)能夠讓調(diào)查人員對不同地區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行分類，并將專業(yè)處理與分析后的結(jié)果進行存儲。以便用戶能夠根據(jù)自身需求隨時調(diào)閱，為用戶提供直觀有效的觀測數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮勘測資料的作用。巧妙地將GIS和CAD系統(tǒng)結(jié)合起來，通過數(shù)字模型建立三維立體模型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理與與加工的一體化。工程設(shè)計人員便能夠在顯示測量地物空間與屬性信息的立體模型上面進行工程設(shè)計。

2 巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 進行數(shù)字化建模處理

目前，地質(zhì)勘察工程數(shù)字化建模方法主要有不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法和表面模型法，兩者各有其優(yōu)點和特點，而且兩者在原理和模型的建立上存在較大差異，所采用的理論依據(jù)也存在較大差異。將這兩種方法結(jié)合起來，構(gòu)成了工程測量中數(shù)字化的主要實現(xiàn)方法。

（1）不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法是一種簡化的差值處理方法，它把有限的點連接起來，把整個區(qū)域分成相連的三角形面的網(wǎng)絡(luò)。每個區(qū)域中的任意一點都是三角形區(qū)域的頂點，三角形邊上或者三角形區(qū)域內(nèi)。對沒有在頂點上的任意點，則通過插值此點的數(shù)值屬性來獲得。因此，不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法所形成的空間，是三維空間中單個線段的模型，但在整個空間中，每個三角形的位移是連續(xù)的，但又是不可微分的，每個頂點處面的法向量方向不同。關(guān)于存儲，有許多種存儲方式表現(xiàn)為不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最常見的是相應(yīng)地記錄每個三角形、節(jié)點、邊的信息。存儲器采用動態(tài)指針的方式進行存儲，包括三邊指針和兩邊頂點指針。利用指針可以直接對用于每個頂點和確定的邊進行定位，也可以在其中找到關(guān)于相鄰三角形的信息。該結(jié)構(gòu)的特點是，對每個三角形區(qū)域都要花費一定的時間來尋找其相關(guān)信息，并且在計算表面時，由于采用了一次方程線性差法進行區(qū)域劃分，因此計算速度較快。但在對計算精度要求較高的工程中，為了提高計算精度，需要將區(qū)域劃分成更小的三角形，這樣雖然計算精度有所提高，但相應(yīng)的速度卻降低了。

（2）巖土工程測量數(shù)字化建模，也主要采用了表層膜法。其又稱為表面模型法，它有著悠久的歷史，在工程實踐中的應(yīng)用時間較長。以工程中使用的中外表面體模型為基礎(chǔ)，對均勻質(zhì)體進行建模，是一種較為精確的建模方法，也是目前使用較為廣泛、較為常用的建模方法。采用表面法處理的數(shù)據(jù)源，是由監(jiān)測點得到的若干列數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是離散的，包含幾何特征和屬性特征的數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)體表面的形狀，然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重建地質(zhì)體界面。這種方法的計算精度比較高，但反過來又會影響計算速度。而且建模時首先將線性插值法歸為一類比較困難。建立數(shù)據(jù)模型時，可以對數(shù)據(jù)進行抽象化處理，將一系列具有相同屬性的數(shù)據(jù)點按一定的規(guī)則連接起來，從而形成系統(tǒng)化的空間曲面，建模過程中常用的數(shù)學(xué)方法和圖形方法。

2.2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

（1）巖士勘測工程涉及到的數(shù)字化原始數(shù)據(jù)主要是相關(guān)工程的地理信息、空間結(jié)構(gòu).并且，巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括地址信息采集、模型描述、特征描述、屬性數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型、數(shù)據(jù)庫、可視化管理、綜合分析。

地質(zhì)資料的收集過程都是通過實驗的方式進行的，應(yīng)根據(jù)操作規(guī)范，盡可能地收集地質(zhì)有關(guān)資料。模型描述是進行模型選擇和相關(guān)系數(shù)、特征設(shè)置，根據(jù)不同的工程項目選擇不同的模型。屬性數(shù)據(jù)的輸入和判定，是指根據(jù)測量所得的數(shù)據(jù)進行屬性相關(guān)數(shù)據(jù)輸入。在整個數(shù)字化過程中，地質(zhì)模型的建立是關(guān)鍵，它決定了數(shù)字化的準(zhǔn)確性?？梢暬芾硎菍⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)輸出成圖形，直觀地進行分析研究，是下一部分“綜合分析”的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)庫的概念模型在巖土工程測量數(shù)字化過程中，信息處理系統(tǒng)具有獨特的特點，其主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)進行分析和整理，并對信息和數(shù)據(jù)進行分析。要使數(shù)字化需求在功能上充分表達，首先要利用有關(guān)問題的概念數(shù)據(jù)，建立信息和數(shù)據(jù)的模型。勘察數(shù)據(jù)庫的實體分為多種類型，主要包括詳細(xì)文檔資料、地形圖、地層特征、鉆孔特征等，它們是巖土勘察數(shù)字化的基礎(chǔ)工作，是處理復(fù)雜數(shù)據(jù)和密集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。建立模型的過程主要是根據(jù)實際的需要和情況，充分考慮各個方面的情況，以便更準(zhǔn)確地計算和分析。

（3）數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)過程在沿途勘測工程的數(shù)據(jù)化過程是一個綜合的過程，主要包括三類數(shù)據(jù)，即用戶輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)處理的最終數(shù)據(jù)?？睖y點數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)的主要來源，勘測點數(shù)據(jù)又可分為測點信息屬性數(shù)據(jù)、勘測點幾何屬性數(shù)據(jù)。它是指測量點的高度、地層厚度、孔隙度、含水率等與地質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)主要有剖面數(shù)據(jù)、三維表面數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)等。

而且可能會有各種各樣的中間數(shù)據(jù)產(chǎn)生最終數(shù)據(jù)，并最終實現(xiàn)最終數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果。文檔資料包括地質(zhì)勘探報告等，圖形資料包括連線剖面圖、單孔柱狀圖等，這是數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

2.3 實現(xiàn)巖土工程場地虛擬

數(shù)字化勘測的核心便是能夠讓勘測場地進行有針對性的虛擬顯示，用數(shù)據(jù)庫反映工程現(xiàn)場的相關(guān)信息。但是場地地理與地形信息等環(huán)節(jié)的虛擬顯示必須在相應(yīng)的環(huán)境下才能夠?qū)崿F(xiàn)。比如說，某工程所在的地理位置中，較為豐富的山川便成為制約其勘察的條件。因此便需要勘察人員首先以地層地質(zhì)為重點對周圍山川的相關(guān)資料進行收集，再通過虛擬勘察系統(tǒng)得到各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，最后，虛擬場地會根據(jù)輸入的資料自動生成勘察人員所要要信息資料。

數(shù)字勘察技術(shù)有利于交點信息的獲取，通過場地虛擬能夠有效實現(xiàn)多層勘察，降低了重疊勘察的難度。近年來，數(shù)字化勘察技術(shù)因勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性高，有利于巖土工程的安全施工，克服了傳統(tǒng)巖土勘察的不足，已成為當(dāng)前巖土工程勘察的主流模式。

2.4 巖土工程的勘察模擬

巖土工程內(nèi)的數(shù)據(jù)難以通過真實調(diào)查進行測量，通過數(shù)字化勘察技術(shù)對各種巖土數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格的處理，再通過數(shù)字調(diào)查技術(shù)對巖土工程環(huán)境進行模擬，以獲得整個工程的真實信息。對于巖土工程調(diào)查過程中的技術(shù)問題，可通過建立概念調(diào)查系統(tǒng)對其進行全面的研究，再通過數(shù)字控制快速獲得勘察量。因此，巖土程程部為了獲取復(fù)雜巖土工程的基本信息，通常會使用能夠準(zhǔn)確反映真實與模擬巖土工程之間的屬性關(guān)系的數(shù)字模擬勘察技術(shù)。

2.5 進行一體化建設(shè)

數(shù)字技術(shù)應(yīng)用階段涉及的數(shù)據(jù)類型較多，用戶在輸入輸出過程中要把握原始數(shù)據(jù)，以系統(tǒng)生成管理為前提，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序處理。根據(jù)資料種類及實際情況等可知，應(yīng)明確資料產(chǎn)生形式，結(jié)合原始資料及測點等可知，應(yīng)掌握資料類型。在等值模型的基礎(chǔ)上，以多種信息操作為前提，做好生成管理，最終的數(shù)據(jù)類型多種多樣，主要是根據(jù)用戶需要，生成包括圖形和文檔數(shù)據(jù)的中間數(shù)據(jù)。員工需要提前處理，掌握技術(shù)類別，做好具體管理，滿足要求。

3 巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)的實際應(yīng)用

數(shù)字系統(tǒng)具有智能感應(yīng)，信號傳輸和數(shù)據(jù)存儲等功能。它在測繪項目管理和相關(guān)信息處理中具有動態(tài)，安全和集群的特點，可以有效地保證測繪項目的實時機密數(shù)據(jù)傳輸。通過將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與工程設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，提高信息傳輸效率，實現(xiàn)測繪工程設(shè)計的一體化，滿足各地測繪工程的需要。

3.1 信號轉(zhuǎn)換

地質(zhì)勘探所獲得的地質(zhì)資料，如資料、文字、圖形等，必須經(jīng)過綜合處理才能轉(zhuǎn)化為有效的地質(zhì)勘探資料，為工程設(shè)計和施工規(guī)劃提供科學(xué)的參考依據(jù)。數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)處理效率高和得到的信息統(tǒng)一。通過系統(tǒng)編程獲得的原始測量信息可以直接轉(zhuǎn)換為自然語言，再由人工識別和編輯來完成綜合的信息轉(zhuǎn)換。為了確保信息的即時性并提高信息的利用率，其在現(xiàn)有的傳統(tǒng)繪圖過程中，改變了多道工序的數(shù)據(jù)需要人工處理的不足。

3.2 數(shù)據(jù)處理

勘查工作的質(zhì)量直接影響到工程建設(shè)的質(zhì)量，并確保巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)必須在工程設(shè)計和施工中充分利用。原始數(shù)據(jù)可以通過信號變換獲得，該數(shù)據(jù)是抽象性的結(jié)果并且相對獨立，通過GIS進行信息處理和分析，得到測繪對象的三維動態(tài)模型能夠為巖土工程的設(shè)計和施工提供數(shù)字化監(jiān)測的數(shù)字模型。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字探測器可以實現(xiàn)對項目施工現(xiàn)場的合理規(guī)劃，建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對區(qū)域的地質(zhì)水文數(shù)據(jù)變化進行持續(xù)補充，自動對項目施工現(xiàn)場進行實時動態(tài)監(jiān)測并處理與勘察工程相關(guān)的信息。

3.3 安全監(jiān)控

信息技術(shù)的進步雖然增加了信息資產(chǎn)對社會生產(chǎn)的影響，但同樣也使信息安全變得不安全。地質(zhì)勘探數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在于信息的安全性。當(dāng)系統(tǒng)通過安全監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行計劃外的數(shù)字模式轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)處理時，系統(tǒng)將直接停止相關(guān)工作并將其報告給系統(tǒng)中心以消除系統(tǒng)運行的安全風(fēng)險和程序漏洞。信息平臺的權(quán)限管理能夠讓工作人員根據(jù)工作需要獲得不同的信息權(quán)限，只能瀏覽與編輯相應(yīng)權(quán)限下的信息，有效地保證信息的機密性，安全性和真實性。

4 結(jié)語

隨著科技的不斷進步，巖土測量技術(shù)的實際應(yīng)用已達到要求，在后續(xù)測量階段，受其他因素的影響，存在技術(shù)應(yīng)用不合理的情況。為使技術(shù)在巖土工程勘察中得到全面的發(fā)展，必須提前推廣應(yīng)用。理解現(xiàn)代化信息技術(shù)的種類，推動巖土工程的全面進步，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，是整個實施過程的目標(biāo)。