工程勘察数字采集系统关键技术及工程应用

2021-01-04齐菊梅裴丽娜

水利信息化 2020年6期

齐菊梅，裴丽娜，刘灏

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003）

0 引言

水利水电工程勘察信息采集维持着几十年如一日的野外手写记录工作方式，无论是建立工程勘察数据库还是利用计算机进行地质图件绘制，都需要再次人工录入大量勘察数据，工程勘察信息的高效传递和共享困难。

近年来，随着移动便携设备、操作系统、3S、数据库等信息技术的发展，基于 GIS 的野外地质数据采集信息化技术取得了较大进步，不同地质专业领域结合自身的需求与特点，开发了用于不同目的的野外地质数据采集系统[1-2]。纵观这些野外地质数据采集系统，基本上都是针对某一特定目标和某些特定要求而开展的研发工作，应用在水利水电工程勘察领域均存在一些局限性，主要表现在数据模型不同，空间数据转换困难繁琐，专业统计分析功能缺乏，数据接口不完善等方面。基于以上原因，开展适用于水利水电工程勘察信息数字化采集的关键技术研究及系统开发。

1 总体设计及主要功能

工程勘察数字采集系统由桌面管理和移动设备采集 2 个子系统构成，采用三层系统架构[3]，确保技术实施的可维护性、可扩充性和可靠性。工程勘察数字采集系统架构如图 1 所示，具体分析如下：

1）数据存储层。主要存储和提供系统所需处理的数据，是工程勘察数字采集系统的数据中心，负责存储基础地理、地质信息和文档等数据。

2）中间服务层。包括空间、属性数据管理和访问等中间件，主要有服务层和外部接口两部分，各个业务应用都通过中间服务层访问数据中心。

服务层主要包括 SQLite 和 ArcEngine 数据引擎，以及 XML 文件解析器；外部接口包括栅格图片，Word，Excel，CAD 和属性数据库等接口。

3）应用服务层。主要通过客户端软件，向用户提供数据采集、管理、展示，以及图件制作、统计分析、成果输出、文档管理和系统维护等功能应用。

桌面管理子系统也称桌面端，运行于 Windows操作系统中，主要负责外业数据采集前的项目准备和采集完成后的数据汇总、分析、成果输出等工作。外业数据采集前的项目准备工作主要有项目的管理建立、背景地图的导入和处理，以及线路的设计等；采集完成后的工作主要有数据的浏览、编辑、汇总、校核，专题图、成果图绘制，统计分析，野外记录本、送样单报表输出等。桌面管理子系统主要包括项目、地图、线路、数据、系统的管理及数据应用等模块。

图 1 工程勘察数字采集系统架构图

移动设备采集子系统也称移动端，安装运行在便携采集设备上，主要负责野外工程勘察数据的采集与编录，在桌面管理子系统形成的线路文件背景图的基础上，利用移动设备的 GNSS 定位功能，快速定位空间位置，对工程勘察数据进行数字化采集。移动设备采集子系统包括线路管理、地图管理、数据采集、数据管理、导航、数据备份及接口等模块。

2 个子系统基于同一数据架构、模型，通过文件传输的方式实现数据同步，共同完成工程勘察信息的数字化采集、管理及应用，实现工程勘察的全程数字化。

2 关键技术

2.1 多属性数据协同管理技术

工程勘察数据通过遥感、地质测绘、勘探、物探、室内试验、原位测试等多种方法和手段获得，具有多源、异构、数据量大、多时空、多尺度等特点。多源、异构、多时空、多尺度的勘察数据只有很好地集成融合在一起，才能为地质工程师综合利用，准确分析评价工程区的地质条件。工程勘察数字采集系统多源数据融合采用基于空间位置的多属性数据协同管理为总体解决方案[4]，多属性数据协同管理技术流程如图 2 所示。通过数据库设计、空间数据格式转换、空间参照系配准/转换、符号库设计等一系列的研究，基于 GIS 平台开发实现，将勘察数据进行相互关联，对多来源、种类、类型的勘察数据进行统一管理，实现数据采集、查询、统计、分析、计算，以及图件批量化自动生成等功能。

图 2 勘察数据协同管理技术流程图

2.2 GIS 与 CAD 空间数据转换技术

工程勘察专业上下游专业使用的图件大部分是AutoCAD 格式的矢量地形图：地质勘察专业基于工程测量专业提供的 AutoCAD 格式的地形数据开展地质勘察工作，工程设计专业需要在 AutoCAD 格式的地质图上进行建筑物的布置设计。在工程勘察现场，勘察数据采集时需要利用 GNSS 定位功能实现定位与地形图的实时关联，在定位的同时，录入相关的属性信息。AutoCAD 平台并不具备这项功能，只有 GIS 格式的空间数据架构才能解决这个问题，因此在进行工程勘察数字采集技术研究时，必须先解决 AutoCAD 向 GIS 的便捷转换问题，适应 GNSS野外定位需求。AutoCAD 与 GIS 数据在底层数据组织、结构等方面具有很大的不同[5]。

工程勘察数字采集系统采用分层比对接口处理方法建立动态二元要素类映射池，实现空间数据的双向导通和便捷无损转换[6]，二元要素类映射池是存储 AutoCAD 与 ArcGIS 2 种要素对照关系的数据库文件，其逻辑关系如图 3 所示。

图 3 二元要素类映射池技术逻辑关系

采用二元要素类映射池技术进行空间数据转换主要包括打开源数据、解析源数据、维护映射池、实现数据转换等步骤，具体流程如图 4 所示。

图 4 空间数据转换流程

二元要素类映射池具有智能记忆、增量式扩充等功能，随着应用的增加，映射池会自我完善，要素类逐渐增加，处理方案丰富多样，积累越丰富应用效果也越好。相比其他转换方法，操作简便，不增加地质工程师的作业负担，且具有较强的人机交互功能。

二元要素类映射池技术实现了空间数据平顺无损转换，数百个项目的生产实践表明：该技术操作便捷，记忆扩充智能，数据转换效率高，满足生产需要，效果良好。

2.3 智能数字化采集技术

集 GNSS 定位、数字罗盘、数码相机等功能于一体的工程勘察智能采集系统，实现在一台智能终端上 GNSS 定位与地形图实时关联，数字化采集地质测绘类、勘探类、原位测试与试验的数据等功能，替代了传统的外业人员工作必备的纸质地形图、记录本、铅笔、罗盘、GNSS、照相机等一系列的野外作业装备[7]，减轻了作业负担，革新了工程勘察信息采集的传统模式。主要完成以下信息的数字化采集：

1）空间数据采集。在野外工作现场，利用移动端的 GNSS 定位与地形图实时关联功能，可快速定位地质工程师当前位置，采集地质要素的坐标信息。

2）属性信息采集。数字采集系统实现了外业勘察信息采集与工程地质数据库建设的同步。地质工程师在外业勘察现场采集地质要素的空间坐标后，根据移动端设计的界面进行地质要素属性信息的采集；工程勘察数字采集系统根据规程规范要求，在采集界面将需要采集的内容依次列出，这样可以做到外业勘察信息记录的不遗漏；将采集常用的描述内容编制成勘察信息字典库，采集时可通过点击“字段名”，出现与其对应的“字典可选值”，由地质工程师选择即可完成对野外信息的描述。勘察信息字典库的使用提高了数字化采集的工作效率，同时又保证了信息记录的标准化、规范化。

工程勘察数字采集系统可采集到的地质要素涵盖了地质测绘类数据（包括地质点、产状、素描、照片、岩土样、水样、水文地质点、节理统计点、测绘地质界线、实测剖面等数据），勘探类数据（包括钻孔、探坑、探槽、探硐、探井、洛阳铲等数据），以及原位测试与试验等数据。

3）照片、素描图采集。照片和素描图可以直观形象地表达地质现象。

移动端集成了移动设备的照相机功能，针对每一类地质对象设计了拍摄照片的功能，在拍照的同时，记录照片的拍摄位置及所拍地质现象的描述，通过照片记录勘察点的地形地貌、地层岩性等。

移动端设计了电子厘米纸手绘地质素描图功能，使地质工程师可以在电子厘米纸上绘制所观察到的地貌景观、地层岩性、地质构造、岩石矿物等场景，表达用文字表达不清的地质现象。

4）地质结构面产状信息采集。地质结构面的几何特征与力学性质不同程度地影响着岩体工程的稳定性，在工程勘察的野外工作中，需要进行大量的结构面产状量测。

移动端通过移动设备自带的传感器感知设备自身状态，采用系统提供的传感器接口，获取地磁场和方向等传感器的状态参数，经过磁场干扰校准，计算得出地质结构面的产状数据，传递到移动端的采集界面，地质工程师确认后数字化存储入库，实现数字地质罗盘功能。数字地质罗盘采集产状信息时需保持移动设备的长边或短边与地质对象平行，使倾伏角或翻转角在 ±1° 之间。

2.4 洞内地质要素空间精准定位技术

需要描述的地下洞室的地质对象有大有小，最小的结构面达到厘米级，且精度要求高，因此洞内地质要素需要精准定位、测量。传统的地下洞室定位与编录方式是采用皮尺、钢卷尺、地质罗盘等设备工具，量测洞室揭露的地质对象的位置、延伸长度、厚度等几何特征，然后在纸质厘米纸上手工展点绘图。

通过对激光测距、偏心测量及蓝牙传输等相关技术的研究，工程勘察数字采集系统集成移动端和激光定位设备，在探洞及地下洞室内没有 GNSS 和移动网络的条件下，实现地质要素空间信息的精准测量，做到地表洞内全方位一体化的数据采集。基于激光测距仪的地下洞室地质编录方法包括输入激光测距仪位置、测量相对参数、传输数据、计算测点坐标、入库等步骤[7]，编录流程如图 5 所示。

图 5 基于激光测距仪的地下洞室地质编录流程

2.5 数字化勘察标准体系技术

工程勘察数字采集系统实现了工程勘察从数据采集、管理到应用的主流程数字化，将工程勘察业务的工作流程与数据库的建设充分融合在一起，形成新的工作模式。为规范和统一工程勘察数字化采集的技术和方法，确保获得的勘察数据统一、准确和可靠，后期该技术顺利的推广应用，并减少或避免因人、方法不同而造成的差异，从工程勘察数字采集技术的总体需求出发，进行工程勘察业务、信息、技术的规范和标准体系框架研究，制定了以下4 类标准：

1）《工程勘察基础信息分类与编码标准》和《工程勘察基础信息资源数据库表结构与标识符标准》。这 2 个标准根据数据获取方法，把数据分为原始数据（原始采集部分）和成果数据（综合分析部分）两大部分，对相应的空间、属性等图层进行规定，对原始和最终成果 2 个数据库进行统一编码、描述、组织、存储，从而使信息的获取、查询、检索、共享、整合更为方便。这 2 个标准的建立，为工程勘察内外业一体化、全程数字化、BIM 技术的应用提供了规范的数据支撑。

2）《工程勘察数字采集作业标准》和《工程勘察数字采集工作指南》。这 2 个标准针对工程勘察数字采集作业而定，规定了工程勘察数字采集的内容、工作流程、技术方法、操作步骤，以及数据安全、成果提交与质量监控，目的是对工程勘察信息的数字化采集过程进行指导。

这些标准的建立为工程勘察业务流程、数据定义及分类编码、数字化作业等建立了一套完整的，科学的，可操作的标准体系，对类似工程勘察信息化建设具有指导作用。

3 工程应用

工程勘察数字采集系统实现了勘察数据采集直接进入数据库的功能，有了采集数据的支撑，开展资料整理分析工作的效率显著提高。通过调用数据库数据，可以直接批量绘制实际材料图、钻孔柱状图、坑槽展示图、剖面图等基础图件[8]；基于勘察数据进行分层统计及报表输出等工作；根据结构面统计数据结合工程建筑物布置，评价建筑物不同部位的工程地质条件、稳定性及支护措施等；通过接口，为三维地质建模、模拟计算平台提供数据支撑。

工程勘察数字采集系统已广泛应用在泾河东庄和黑河黄藏寺水利枢纽工程、兰州市水源地建设工程、黄河下游“十三五”防洪工程等上百个大中型工程项目中。工程涵盖水利水电枢纽、引调水、河道治理、灌区、地下、地质灾害调查等多种工程类型，遍布国内外高山峡谷、戈壁沙漠、高原、赤道等极端环境地区。在这些工程的地质勘察过程中，数字采集系统均能平稳、高效运行，勘察工作效率提升了 2～8 倍。

工程勘察数字采集系统的应用实现了数据采集、管理，专业统计分析、计算及图件自动绘制等勘察作业全程数字化，提高了工程勘察成果的统一规范性，增强了数据的共享性，缩短了勘察周期，提高了勘察工作效率。

地质工程师利用移动端的 GNSS 定位与导航功能，在野外勘察现场可以迅速知道自己的当前位置，快速找到需要勘察的地质目标，在节约时间的同时，降低了安全风险，增加了安全效益。