工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

齊菊梅，裴麗娜，劉 灝

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

水利水電工程勘察信息采集維持著幾十年如一日的野外手寫記錄工作方式，無論是建立工程勘察數(shù)據(jù)庫還是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行地質(zhì)圖件繪制，都需要再次人工錄入大量勘察數(shù)據(jù)，工程勘察信息的高效傳遞和共享困難。

近年來，隨著移動便攜設(shè)備、操作系統(tǒng)、3S、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)的發(fā)展，基于 GIS 的野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集信息化技術(shù)取得了較大進(jìn)步，不同地質(zhì)專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合自身的需求與特點(diǎn)，開發(fā)了用于不同目的的野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-2]?？v觀這些野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基本上都是針對某一特定目標(biāo)和某些特定要求而開展的研發(fā)工作，應(yīng)用在水利水電工程勘察領(lǐng)域均存在一些局限性，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)模型不同，空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換困難繁瑣，專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析功能缺乏，數(shù)據(jù)接口不完善等方面。基于以上原因，開展適用于水利水電工程勘察信息數(shù)字化采集的關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)。

1 總體設(shè)計(jì)及主要功能

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)由桌面管理和移動設(shè)備采集 2 個子系統(tǒng)構(gòu)成，采用三層系統(tǒng)架構(gòu)[3]，確保技術(shù)實(shí)施的可維護(hù)性、可擴(kuò)充性和可靠性。工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，具體分析如下：

1）數(shù)據(jù)存儲層。主要存儲和提供系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù)，是工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)存儲基礎(chǔ)地理、地質(zhì)信息和文檔等數(shù)據(jù)。

2）中間服務(wù)層。包括空間、屬性數(shù)據(jù)管理和訪問等中間件，主要有服務(wù)層和外部接口兩部分，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用都通過中間服務(wù)層訪問數(shù)據(jù)中心。

服務(wù)層主要包括 SQLite 和 ArcEngine 數(shù)據(jù)引擎，以及 XML 文件解析器；外部接口包括柵格圖片，Word，Excel，CAD 和屬性數(shù)據(jù)庫等接口。

3）應(yīng)用服務(wù)層。主要通過客戶端軟件，向用戶提供數(shù)據(jù)采集、管理、展示，以及圖件制作、統(tǒng)計(jì)分析、成果輸出、文檔管理和系統(tǒng)維護(hù)等功能應(yīng)用。

桌面管理子系統(tǒng)也稱桌面端，運(yùn)行于 Windows操作系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)外業(yè)數(shù)據(jù)采集前的項(xiàng)目準(zhǔn)備和采集完成后的數(shù)據(jù)匯總、分析、成果輸出等工作。外業(yè)數(shù)據(jù)采集前的項(xiàng)目準(zhǔn)備工作主要有項(xiàng)目的管理建立、背景地圖的導(dǎo)入和處理，以及線路的設(shè)計(jì)等；采集完成后的工作主要有數(shù)據(jù)的瀏覽、編輯、匯總、校核，專題圖、成果圖繪制，統(tǒng)計(jì)分析，野外記錄本、送樣單報表輸出等。桌面管理子系統(tǒng)主要包括項(xiàng)目、地圖、線路、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的管理及數(shù)據(jù)應(yīng)用等模塊。

圖 1 工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

移動設(shè)備采集子系統(tǒng)也稱移動端，安裝運(yùn)行在便攜采集設(shè)備上，主要負(fù)責(zé)野外工程勘察數(shù)據(jù)的采集與編錄，在桌面管理子系統(tǒng)形成的線路文件背景圖的基礎(chǔ)上，利用移動設(shè)備的 GNSS 定位功能，快速定位空間位置，對工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集。移動設(shè)備采集子系統(tǒng)包括線路管理、地圖管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)備份及接口等模塊。

2 個子系統(tǒng)基于同一數(shù)據(jù)架構(gòu)、模型，通過文件傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，共同完成工程勘察信息的數(shù)字化采集、管理及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工程勘察的全程數(shù)字化。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多屬性數(shù)據(jù)協(xié)同管理技術(shù)

工程勘察數(shù)據(jù)通過遙感、地質(zhì)測繪、勘探、物探、室內(nèi)試驗(yàn)、原位測試等多種方法和手段獲得，具有多源、異構(gòu)、數(shù)據(jù)量大、多時空、多尺度等特點(diǎn)。多源、異構(gòu)、多時空、多尺度的勘察數(shù)據(jù)只有很好地集成融合在一起，才能為地質(zhì)工程師綜合利用，準(zhǔn)確分析評價工程區(qū)的地質(zhì)條件。工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)融合采用基于空間位置的多屬性數(shù)據(jù)協(xié)同管理為總體解決方案[4]，多屬性數(shù)據(jù)協(xié)同管理技術(shù)流程如圖 2 所示。通過數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間參照系配準(zhǔn)/轉(zhuǎn)換、符號庫設(shè)計(jì)等一系列的研究，基于 GIS 平臺開發(fā)實(shí)現(xiàn)，將勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，對多來源、種類、類型的勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算，以及圖件批量化自動生成等功能。

圖 2 勘察數(shù)據(jù)協(xié)同管理技術(shù)流程圖

2.2 GIS 與 CAD 空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

工程勘察專業(yè)上下游專業(yè)使用的圖件大部分是AutoCAD 格式的矢量地形圖：地質(zhì)勘察專業(yè)基于工程測量專業(yè)提供的 AutoCAD 格式的地形數(shù)據(jù)開展地質(zhì)勘察工作，工程設(shè)計(jì)專業(yè)需要在 AutoCAD 格式的地質(zhì)圖上進(jìn)行建筑物的布置設(shè)計(jì)。在工程勘察現(xiàn)場，勘察數(shù)據(jù)采集時需要利用 GNSS 定位功能實(shí)現(xiàn)定位與地形圖的實(shí)時關(guān)聯(lián)，在定位的同時，錄入相關(guān)的屬性信息。AutoCAD 平臺并不具備這項(xiàng)功能，只有 GIS 格式的空間數(shù)據(jù)架構(gòu)才能解決這個問題，因此在進(jìn)行工程勘察數(shù)字采集技術(shù)研究時，必須先解決 AutoCAD 向 GIS 的便捷轉(zhuǎn)換問題，適應(yīng) GNSS野外定位需求。AutoCAD 與 GIS 數(shù)據(jù)在底層數(shù)據(jù)組織、結(jié)構(gòu)等方面具有很大的不同[5]。

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)采用分層比對接口處理方法建立動態(tài)二元要素類映射池，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的雙向?qū)ê捅憬轃o損轉(zhuǎn)換[6]，二元要素類映射池是存儲 AutoCAD 與 ArcGIS 2 種要素對照關(guān)系的數(shù)據(jù)庫文件，其邏輯關(guān)系如圖 3 所示。

圖 3 二元要素類映射池技術(shù)邏輯關(guān)系

采用二元要素類映射池技術(shù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要包括打開源數(shù)據(jù)、解析源數(shù)據(jù)、維護(hù)映射池、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等步驟，具體流程如圖 4 所示。

圖 4 空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

二元要素類映射池具有智能記憶、增量式擴(kuò)充等功能，隨著應(yīng)用的增加，映射池會自我完善，要素類逐漸增加，處理方案豐富多樣，積累越豐富應(yīng)用效果也越好。相比其他轉(zhuǎn)換方法，操作簡便，不增加地質(zhì)工程師的作業(yè)負(fù)擔(dān)，且具有較強(qiáng)的人機(jī)交互功能。

二元要素類映射池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)平順無損轉(zhuǎn)換，數(shù)百個項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)踐表明：該技術(shù)操作便捷，記憶擴(kuò)充智能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率高，滿足生產(chǎn)需要，效果良好。

2.3 智能數(shù)字化采集技術(shù)

集 GNSS 定位、數(shù)字羅盤、數(shù)碼相機(jī)等功能于一體的工程勘察智能采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在一臺智能終端上 GNSS 定位與地形圖實(shí)時關(guān)聯(lián)，數(shù)字化采集地質(zhì)測繪類、勘探類、原位測試與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)等功能，替代了傳統(tǒng)的外業(yè)人員工作必備的紙質(zhì)地形圖、記錄本、鉛筆、羅盤、GNSS、照相機(jī)等一系列的野外作業(yè)裝備[7]，減輕了作業(yè)負(fù)擔(dān)，革新了工程勘察信息采集的傳統(tǒng)模式。主要完成以下信息的數(shù)字化采集：

1）空間數(shù)據(jù)采集。在野外工作現(xiàn)場，利用移動端的 GNSS 定位與地形圖實(shí)時關(guān)聯(lián)功能，可快速定位地質(zhì)工程師當(dāng)前位置，采集地質(zhì)要素的坐標(biāo)信息。

2）屬性信息采集。數(shù)字采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了外業(yè)勘察信息采集與工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的同步。地質(zhì)工程師在外業(yè)勘察現(xiàn)場采集地質(zhì)要素的空間坐標(biāo)后，根據(jù)移動端設(shè)計(jì)的界面進(jìn)行地質(zhì)要素屬性信息的采集；工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，在采集界面將需要采集的內(nèi)容依次列出，這樣可以做到外業(yè)勘察信息記錄的不遺漏；將采集常用的描述內(nèi)容編制成勘察信息字典庫，采集時可通過點(diǎn)擊“字段名”，出現(xiàn)與其對應(yīng)的“字典可選值”，由地質(zhì)工程師選擇即可完成對野外信息的描述。勘察信息字典庫的使用提高了數(shù)字化采集的工作效率，同時又保證了信息記錄的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)可采集到的地質(zhì)要素涵蓋了地質(zhì)測繪類數(shù)據(jù)（包括地質(zhì)點(diǎn)、產(chǎn)狀、素描、照片、巖土樣、水樣、水文地質(zhì)點(diǎn)、節(jié)理統(tǒng)計(jì)點(diǎn)、測繪地質(zhì)界線、實(shí)測剖面等數(shù)據(jù)），勘探類數(shù)據(jù)（包括鉆孔、探坑、探槽、探硐、探井、洛陽鏟等數(shù)據(jù)），以及原位測試與試驗(yàn)等數(shù)據(jù)。

3）照片、素描圖采集。照片和素描圖可以直觀形象地表達(dá)地質(zhì)現(xiàn)象。

移動端集成了移動設(shè)備的照相機(jī)功能，針對每一類地質(zhì)對象設(shè)計(jì)了拍攝照片的功能，在拍照的同時，記錄照片的拍攝位置及所拍地質(zhì)現(xiàn)象的描述，通過照片記錄勘察點(diǎn)的地形地貌、地層巖性等。

移動端設(shè)計(jì)了電子厘米紙手繪地質(zhì)素描圖功能，使地質(zhì)工程師可以在電子厘米紙上繪制所觀察到的地貌景觀、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石礦物等場景，表達(dá)用文字表達(dá)不清的地質(zhì)現(xiàn)象。

4）地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息采集。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的幾何特征與力學(xué)性質(zhì)不同程度地影響著巖體工程的穩(wěn)定性，在工程勘察的野外工作中，需要進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測。

移動端通過移動設(shè)備自帶的傳感器感知設(shè)備自身狀態(tài)，采用系統(tǒng)提供的傳感器接口，獲取地磁場和方向等傳感器的狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過磁場干擾校準(zhǔn)，計(jì)算得出地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，傳遞到移動端的采集界面，地質(zhì)工程師確認(rèn)后數(shù)字化存儲入庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地質(zhì)羅盤功能。數(shù)字地質(zhì)羅盤采集產(chǎn)狀信息時需保持移動設(shè)備的長邊或短邊與地質(zhì)對象平行，使傾伏角或翻轉(zhuǎn)角在 ±1° 之間。

2.4 洞內(nèi)地質(zhì)要素空間精準(zhǔn)定位技術(shù)

需要描述的地下洞室的地質(zhì)對象有大有小，最小的結(jié)構(gòu)面達(dá)到厘米級，且精度要求高，因此洞內(nèi)地質(zhì)要素需要精準(zhǔn)定位、測量。傳統(tǒng)的地下洞室定位與編錄方式是采用皮尺、鋼卷尺、地質(zhì)羅盤等設(shè)備工具，量測洞室揭露的地質(zhì)對象的位置、延伸長度、厚度等幾何特征，然后在紙質(zhì)厘米紙上手工展點(diǎn)繪圖。

通過對激光測距、偏心測量及藍(lán)牙傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的研究，工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)集成移動端和激光定位設(shè)備，在探洞及地下洞室內(nèi)沒有 GNSS 和移動網(wǎng)絡(luò)的條件下，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)要素空間信息的精準(zhǔn)測量，做到地表洞內(nèi)全方位一體化的數(shù)據(jù)采集?；诩す鉁y距儀的地下洞室地質(zhì)編錄方法包括輸入激光測距儀位置、測量相對參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)、計(jì)算測點(diǎn)坐標(biāo)、入庫等步驟[7]，編錄流程如圖 5 所示 。

圖 5 基于激光測距儀的地下洞室地質(zhì)編錄流程

2.5 數(shù)字化勘察標(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程勘察從數(shù)據(jù)采集、管理到應(yīng)用的主流程數(shù)字化，將工程勘察業(yè)務(wù)的工作流程與數(shù)據(jù)庫的建設(shè)充分融合在一起，形成新的工作模式。為規(guī)范和統(tǒng)一工程勘察數(shù)字化采集的技術(shù)和方法，確保獲得的勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)一、準(zhǔn)確和可靠，后期該技術(shù)順利的推廣應(yīng)用，并減少或避免因人、方法不同而造成的差異，從工程勘察數(shù)字采集技術(shù)的總體需求出發(fā)，進(jìn)行工程勘察業(yè)務(wù)、信息、技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究，制定了以下4 類標(biāo)準(zhǔn)：

1）《工程勘察基礎(chǔ)信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《工程勘察基礎(chǔ)信息資源數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》。這 2 個標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)數(shù)據(jù)獲取方法，把數(shù)據(jù)分為原始數(shù)據(jù)（原始采集部分）和成果數(shù)據(jù)（綜合分析部分）兩大部分，對相應(yīng)的空間、屬性等圖層進(jìn)行規(guī)定，對原始和最終成果 2 個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一編碼、描述、組織、存儲，從而使信息的獲取、查詢、檢索、共享、整合更為方便。這 2 個標(biāo)準(zhǔn)的建立，為工程勘察內(nèi)外業(yè)一體化、全程數(shù)字化、BIM 技術(shù)的應(yīng)用提供了規(guī)范的數(shù)據(jù)支撐。

2）《工程勘察數(shù)字采集作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和《工程勘察數(shù)字采集工作指南》。這 2 個標(biāo)準(zhǔn)針對工程勘察數(shù)字采集作業(yè)而定，規(guī)定了工程勘察數(shù)字采集的內(nèi)容、工作流程、技術(shù)方法、操作步驟，以及數(shù)據(jù)安全、成果提交與質(zhì)量監(jiān)控，目的是對工程勘察信息的數(shù)字化采集過程進(jìn)行指導(dǎo)。

這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為工程勘察業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)定義及分類編碼、數(shù)字化作業(yè)等建立了一套完整的，科學(xué)的，可操作的標(biāo)準(zhǔn)體系，對類似工程勘察信息化建設(shè)具有指導(dǎo)作用。

3 工程應(yīng)用

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了勘察數(shù)據(jù)采集直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的功能，有了采集數(shù)據(jù)的支撐，開展資料整理分析工作的效率顯著提高。通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，可以直接批量繪制實(shí)際材料圖、鉆孔柱狀圖、坑槽展示圖、剖面圖等基礎(chǔ)圖件[8]；基于勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì)及報表輸出等工作；根據(jù)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合工程建筑物布置，評價建筑物不同部位的工程地質(zhì)條件、穩(wěn)定性及支護(hù)措施等；通過接口，為三維地質(zhì)建模、模擬計(jì)算平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在涇河?xùn)|莊和黑河黃藏寺水利樞紐工程、蘭州市水源地建設(shè)工程、黃河下游“十三五”防洪工程等上百個大中型工程項(xiàng)目中。工程涵蓋水利水電樞紐、引調(diào)水、河道治理、灌區(qū)、地下、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等多種工程類型，遍布國內(nèi)外高山峽谷、戈壁沙漠、高原、赤道等極端環(huán)境地區(qū)。在這些工程的地質(zhì)勘察過程中，數(shù)字采集系統(tǒng)均能平穩(wěn)、高效運(yùn)行，勘察工作效率提升了 2～8 倍。

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、管理，專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算及圖件自動繪制等勘察作業(yè)全程數(shù)字化，提高了工程勘察成果的統(tǒng)一規(guī)范性，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的共享性，縮短了勘察周期，提高了勘察工作效率。

地質(zhì)工程師利用移動端的 GNSS 定位與導(dǎo)航功能，在野外勘察現(xiàn)場可以迅速知道自己的當(dāng)前位置，快速找到需要勘察的地質(zhì)目標(biāo)，在節(jié)約時間的同時，降低了安全風(fēng)險，增加了安全效益。

4 結(jié)語

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)提出了工程勘察信息采集與管理應(yīng)用的新模式，實(shí)現(xiàn)了工程勘察數(shù)據(jù)的采集、管理和應(yīng)用的全流程數(shù)字化，推動了工程勘察信息化進(jìn)程。工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)不僅適用于各類水利水電工程勘察項(xiàng)目，也同樣適用于其它各行業(yè)的工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評估、規(guī)劃查勘、移民調(diào)查及智能巡檢等諸多相關(guān)工作領(lǐng)域。

工程勘察數(shù)字采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但仍需及時追蹤相關(guān)前沿技術(shù)，持續(xù)進(jìn)行更新、改進(jìn)、完善，使之能更好地滿足使用者需求?？煽紤]實(shí)現(xiàn)各采集終端之間及與后臺管理控制節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)工作設(shè)備、工作方式、成果過程控制和多專業(yè)一體化，促進(jìn)工程勘察行業(yè)產(chǎn)業(yè)化升級。