GIS发展对岩土工程的影响

2011-08-18邓贤国裴桂红

湖南生态科学学报 2011年3期

邓贤国裴桂红

(西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500)

GIS的发展与测绘科学的发展水平息息相关，对它的定义至今尚没有国际统一的标准，不同学科和领域对GIS的定义有所差别.陈述彭等将GIS定义为:由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务的系统[1].我国GIS在岩土工程中的运用虽然较晚，但是它的发展却相当迅速，极大的促进了岩土工程的信息化.随着我国基础建设的发展，尤其是“十一五”期间公路、铁路，大坝、跨海桥隧等数量众多的大型项目的上马，GIS已经广泛的运用于岩土工程勘察、地质灾害、地下工程、工程预测等方面.由于工程建设的需要，GIS在岩土工程中的运用越来越广泛，同时GIS技术本身的发展也使GIS对岩土工程影响也越来越深.我国GIS运用于岩土工程主要开始于20世纪80年代，在此期间GIS的发展经历了解析测绘、数字化测绘和信息化测绘三个阶段，不同测绘阶段GIS有着不同的发展水平和特点，在岩土程工中的运用以及对岩土工程的影响也大不相同.尤其是现在我国正处于信息化测绘发展阶段，GIS在测绘中的地位越显突出，它推动着各行各业信息化的迅速发展，为岩土工程信息化的发展提供了一个重要的时机.

1 解析测绘阶段GIS技术开始运用于岩土工程

20世纪80年代至90年代初，我国测绘技术处于解析测绘阶段，在此期间光电测量仪器大量使用，航测技术从模拟摄影测量向解析摄影测量发展，机助制图技术广泛应用，我国地理信息系统技术起步并得到较快发展，人们开始将GIS的理念和方法运用到岩土工程实践当中.1993年庞忠和、邬伦以广东花县芙蓉嶂地区新构造研究为例，将GIS方法与遥感技术及传统地质方法相结合，综合研究了我国南方花岗岩地区新构造[2].这一阶段我国开始了利用GIS技术研究和解决岩土工程问题，从此我国岩土行业逐渐走向数字化、信息化.但是，当时我国的计算机技术和GIS技术才起步，GIS和计算机人才也相对较少，GIS理念还未流行，为解决岩土工程问题而开发的应用平台很少也比较落后，很多关于利用GIS技术解决岩土问题的方法，大多还仅停留在理论的研究阶段，并未真的利用到实际生产.

2 数字化测绘阶段GIS对岩土工程的影响

2.1 数字化测绘阶段GIS技术的发展

20世纪90年代我国测绘技术处于数字化测绘阶段.所谓数字化测绘就是指测绘工作生产过程的数字化、测绘产品形式的数字化和测绘保障的数字化，生产过程实现自动化或半自动化.这个时期“3S”技术(遥感 RS、全球卫星定位系统GPS、地理信息系统GIS)迅速发展，形成了“3S”集成技术，此间，GIS实现功能的提升化，管理数据的海量化.地理信息系统基础数据的获取变得容易起来，在此期间我国建成了1:1000 000、1:250 000和1:50 000基础地理信息数据库，为GIS系统提供了强大的数据支持.随着 GIS的发展，其理念越来越为人所了解，GIS技术在各行各业得到广泛运用和发展，GIS人才层出不穷，专业GIS人员开始研究GIS在其他行业的应用，而其他行业中很多工程技术人员也越来越注重利用GIS来解决本行业问题.在GIS软件平台方面，我国不但引进国外具有代表性的专业软件如:ArcGIS、MapInfo、Geo－Media、MGE等，还研制出了大量具有自主知识产权的GIS软件平台，其中具有代表性的有Supermap、MapGIS、GeoStar、TopMap、VRMap 等，GIS 软件平台变的丰富起来.

2.2 数字化测绘阶段GIS促使岩土工程信息化、

可视化的出现和运用

数字化测绘阶段GIS技术已经发展到一个较高水平，GIS人才充裕，软件平台发达，基础数据的获取方便，GIS在岩土工程中的运用逐渐发展和成熟起来.随着GIS在岩土工程中应用的加强，岩土工程信息化和可视化越来越明显，对具体岩土工程数据的管理、分析、处理变得越来越自动化、清晰化[3].GIS在工程勘察管理、环境评价、地质灾害、工程预测、工程专家系统等方面得了广泛的运用并取得了巨大的工程效益.

1)GIS与工程勘察管理

已有的工程勘察资料对后续的勘察、设计、规划都有着十分重要的作用.它在一定程度上能够宏观地描述区域内的工程地质情况，提供一定的地形地貌数据及其人文环境等信息.这些信息能够为初勘提供重要的参考信息，让我们的初勘具有指导性，从而提高初勘的效果.对一些一般意义的工程，我们甚至可以根据现有的勘察信息直接制定详细的勘察方案.因此，充分收集和利用现有勘察资料进行分析和处理，可以更好的指导勘察工作，节省大量的人力物力，提高工作效率.由于，GIS既可以组织管理海量数据，又能进行空间地理信息的分析和处理，因此收集区域内各种勘察资料，利用GIS平台建立一个区域岩土工程勘察系统具有十分重要的意义.这个系统不仅能描述区域内的岩土工程概况，而且具有分析功能，能帮助人们在勘察设计、区域规划等方面迅速地作出适当的决策.现在很多的部门和单位在这方面做出了大量相关的研究并取得了很好的成果.杜大宗建立了大庆油田岩土工程地理信息系统，该系统具有岩土工程勘察资料的实时处理、分类存储、查询检索、综合统计功能.用户可方便地进行图形和属性的双向查询，数据的空间分析.该系统在大庆油田区域规划，大型产能和化工项目的选址，地下输油输气管道防腐，建立大庆典型地层模型等方面产生了显著的经济和社会效益[4].

2)GIS与环境评价、地质灾害

环境变化、地质灾害及其影响因素都与其空间位置的分布密切相关.利用GIS技术管理其相关信息并进行空间分析既能帮助人们很好的了解其现状，又能根据各个影响因素建立相关模型，对环境变化和地质灾害的发展从不同空间和时间尺度作出定量或半定量地评价，从而作出环境变化和灾害发生的超前预报，帮助制定优化的防灾减灾方案.陶丽娜、唐胜传等利用组件式GIS技术开发了了边坡支护方案优化设计系统，将地理信息、工程技术等有机地融为一体，不但能对公路沿线边坡进行管理，还能对边坡模型进行稳定性评价，并提出相应的治理方案[5].李娜、高德政基于GIS技术，利用层次分析法对嘉陵江上游地质环境进行了综合评价，为科学的开发嘉陵江流域自然资源，合理利用与保护开发地质环境，开展对该流域地质灾害防治及生态地质环境保护，提供了重要参考依据[6].李明霞、李玉起等借助GIS相关理论和方法，以ArcGIS软件为平台，实现了对区域的砂土液化分级预测，为基于有限资料下的大区域砂土液化判别及预测提供了可行有效的途径[7].1998年底开展的国土资源大调查，进行了“地质灾害信息系统及防治决策支持系统”的开发研究，该系是一个面向全国地质灾害调查和评价的综合信息系统[8].

3)岩土工程GIS专题系统

在实际工作中我们可以针对具体的工程实际开发出相应的GIS系统，从而方便我们进行项目管理、数据分析.根据具体情况，我们可以直接采用GIS软件也可以直接运用高级语言开发自己需要的系统.马明国、管频基于遥感图像利用Arc－View采用相应的模型计算出了甘肃省公路工程各区域的困难指数，为甘肃公路规划提供了参考[9].李元海、朱合华开发了岩土工程施工监测信息系统，该系统利用高级语言做的底层开发无需其它应用软件系统支撑，主要以隧道、基坑和边坡工程施工监测为应用对象，对指导工程信息化施工、变更设计与科学研究具有较强的实用价值[10].

3 信息测绘阶段GIS促进岩土工程的信息化和专业化

3.1 信息化测绘阶段GIS的特点

以2003年“国家基础测绘设施项目(大专项)”成功验收为标志，我国开始了由数字化测绘向信息化测绘转化和过度，我国测绘事业进入了信息化测绘建设新阶段.目前对信息化测绘还没有一个明确的定义，简单的说，它是在数字化测绘的基础发展起来的，是以基础数据获取实时化、空间化，信息处理自动化、智能化，信息服务社会化、多样化、网络化为特征的测绘模式.它的数据来源一是数字化测绘阶段的数据成果，二是依靠现代更加强大的测绘手段实时动态更新的地理信息数据.其中第二点是信息化测绘达到高级阶段才能实现的，目前我们只能实现基础数据快速更新，离实时更新还有一段距离.信息化测绘的直接服务则是通过GIS来实现的，如果把信息化测绘比着一个精彩纷呈的大舞台，GIS就是精彩节目的呈现者，其他测绘技术则是幕后工作者.信息化测绘阶段，GIS展现着信息化测绘的各种优点:功能取向服务化、数据获取实时化、信息交互网络化、信息共享法制化、信息服务社会化等.这些优点必然会使GIS对岩土工程产生更加深远的影响.

3.2 信息化测绘阶段GIS在岩土工程中的应用及展望

1)岩土工程勘察设计一体化

2002年包惠明、胡长顺提出了基于GIS的岩土工程勘察设计一体化的设想.其主要思想是:利用GIS强大的空间数据储存和管理能力，把勘察资料数字化、数据库化.同时加强勘察和设计环节的交流，勘察阶段提供给设计阶段提供设计需要的内容和数据格式;通过WebGIS服务器在勘察、设计单位内部和各工种之间实现数据共享，做到数据的区域共享，实现岩土勘察设计一体化[11].岩土工程勘察设计一体化系统结果如图1所示.这个设想是在我国即将进入信息化测绘时提出的，具有很强的先见性和现实性.信息化测绘的宗旨是服务[12]，它向各行各业提供专业格式的、实时的、动态的基础数据.其中对地形数据、数字高程模型(DEM)、数字地面模型(DTM)、遥感正射影像等成果的调用在岩土工程勘察设计中起着非常重要的作用;信息化测绘要建立的强大的网络数据共享平台，对实现勘察数据的区域共享提供了强有力的支持.信息化测绘的这些优点全是岩土工程勘察设计一体化所必须的，而GIS是息化测绘成果的表达者，因此GIS的运用势必会推动岩土工程勘察设计一体化取得巨大的进步.

图1 勘察设计一体化系统结构Fig.1 system structure of survey and design Integrated

在实际工作中为了加强勘察设计的一体化，我们还要加强勘察数据、设计使用数据和信息化测绘共享数据格式的统一或互转，对专业需要的而共享平台没有提供的数据要积极主动的测取，同时在一定的营运模式下这些数据在保证准确的情况下有可能也会提供给共享平台，丰富共享平台数据.勘察设计一体化是岩土工程信息化的一个重要体现，也是未来岩土工程信息化的主要方向.

2)信息化测绘阶段GIS在岩土中的应用将更加广泛和专业

信息化测绘阶段相关的基础数据获取变的十分的容易，GIS平台也更加的专业和方便，GIS在岩土工程中的应用必然会更加的广泛.现在的岩土工程GIS系统更多的是对GIS软件平台良好的地学信息采集、存储、分析和显示功能的简单运用，而岩土工程本身是力学、地质学、化学、环境科学、建筑科学等学科的交叉和融合，这势必要求岩土工程GIS系统具有各种相关专业的分析模型，如模糊数学模型、数量化理论模型、信息论模型、人工智能模型、神经网络模型、及各种专家系统模型等[13].岩土工程GIS系统是针对实际的问题而建立的，只有针对实际的问题在系统中建立起准确的模型，才能够在存储和管理好工程数据的同时，利用相应数据作出精确的分析，得到正确的结论.徐帮树、徐建华等就利用相应算法研究了边坡岩土数值分析相关数据的GIS数据存储格式，提出了基于栅格的六面体有限元网格生成和基于TIN的三棱柱有限元网格的生成方法，并利用Arc－GIS 9.0、Ansys 7.0 实现了有限元网格自动生成[14].

4 结束语

在不同的发展阶段，GIS在岩土工程生产中发挥着不同的作用，随着GIS技术的提高，它势会必促进岩土工程生产、管理的信息化.我国正处在迈入和建设信息化测绘的初级阶段，GIS会得到前所未有的发展，我们应该把握这个时机，提高GIS在为岩土工程服务的能力，更好解决实际工程问题.同时，我们还要认识到在岩土工程生产中GIS是为岩土工程服务的工具，要完成好岩土工作必须做好基础资料的收集，完成好必要的野外调查试验、室内分析实验等工作，并且针对具体问题进行研究建立相应模型.只有全面深入的做好这些工作，我们才能运用GIS更好的解决岩土工程的实际问题.

[1] 陈述彭，鲁学军，等.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社，2001:1－14.

[2] 庞忠和，邬伦.用GIS方法研究我国南方花岗岩地区新构造[J].第四纪研究，1993，(2):185 －190.

[3] 白世伟，贺怀建，等.三维地层信息系统和岩土工程信息化[J].华中科技大学学报(城市科学)，2002，19(1):23－25.

[4] 杜大宗.大庆油田岩土工程地理信息系统设计[J].东北测绘，2002，25(2):27 －29.

[5] 陶丽娜，唐胜传，等.基于组件式GIS技术的边坡支护方案优化设计系统[J].岩石力学与工程学，2004，23(16):2824－2829.

[6] 李娜，高德政.基于GIS的嘉陵江上游地质环境评价[J].资源与产业，2007，(6):32 －35.

[7] 李明霞，李玉起，等.基于GIS的安全系数法在区域砂土液化评价中的应用[J].华北水利水电学院学报，2009，30(2):98 －100.

[8] 沈芳，黄润秋，等.地理信息系统与地质环境评价[J].地质灾害与环境保护，2000，11(1):6 －10.

[9] 马明国，管频，等.基于遥感与GIS的甘肃省公路工程困难指数计算[J].中国公路学报，2007，20(2):45－50.

[10] 李元海，朱合华.岩土工程施工监测信息系统初探[J].岩石力学，2002，23(1):103 －106.

[11] 包惠明，胡长顺.GIS支持下岩土工程勘察设计一体化[J].水文地质工程地质，2002，(2):74 －76.

[12] 李德仁，邵振峰.信息化测绘的本质是服务[J].测绘通报，2008，(5):1 －4.