空地融合数字工程勘察技术体系研究

2021-06-16李清波

人民黄河 2021年6期

李清波

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

工程勘察是保障工程建设顺利实施的重要基础。全面、准确、快捷地采集和处理各类工程勘察信息，分析评价主要工程地质问题，提出合理的工程处理措施，是工程勘察的主要任务。传统勘察作业方式效率低下，需要耗费大量人力物力［1］。随着计算机、移动通信、3S、BIM等信息技术的不断发展，工程勘察领域全流程的数字化、信息化技术研究逐渐深入。工程勘察行业在信息化技术发展的推动下，从传统的“纸笔”模式逐步走向信息化、智能化工作模式［2］。

作为工程建设的基础与环境，岩土体存在性质不均一、空间不连续等特征，全面、准确地获取工程勘察信息存在一定难度；而且工程勘察数据类型繁多、结构复杂，传统勘察手段、勘察工具的信息化基础薄弱，不同环节间的勘察数据传递不畅［3-4］。在此基础上的数据分析、模型表达、工程评价也还存在诸多问题，工程勘察信息化的技术链条还不完备［5］。同时，工程勘察涉及的专业众多，不同专业的工作环境和作业手段有差异，其信息化发展水平参差不齐。对于水利水电、能源、交通等国家重大工程建设领域，大范围、长线路、艰险区的工程勘察数字化、信息化水平还有待提高，如何构建完善的数字工程勘察技术体系，是工程勘察行业信息化建设迫切需要解决的技术难题。

针对上述需求与自身工作需要，笔者在勘察业务流程、工作模式、技术手段的基础上，依托国家“863”计划、水利部“948”项目等重大科研项目和南水北调西线、黄河古贤、泾河东庄等重大水利工程项目，综合运用高精度遥感、InSAR、无人机、图像识别、移动GIS、数据库、BIM等技术，在工程勘察数字化、信息化方面进行了全面的探索和实践，从而总结了工程勘察全流程信息化工作模式，提出了数字工程勘察的定义，建立了空地融合数字工程勘察技术体系。

1 勘察信息技术现状与不足

在数据采集方面，随着信息技术在勘察领域应用的逐渐深入，勘察内外业一体化技术得到显著提升，国内多家单位先后研发了勘察信息采集系统［6-9］，实现了地质测绘、勘探、物探、现场测试及室内试验信息的数字化采集。同时，高精度遥感解译、InSAR变形监测和无人机摄影测量等技术，在大范围、长线路、艰险区勘察信息采集方面的应用不断增加［10-12］，取得了常规手段无法比拟的技术效果。但这些技术在勘察领域的应用，多为单一手段的技术应用，协同化、一体化的信息采集相对较少。而智能钻探、智能测试、智能识别等勘察信息采集技术多处于研究阶段［13］，尚未完全形成生产力。

在勘察数据管理方面，不同单位的数据格式、存储形式和管理方式各不相同，勘察数据存储分散、碎片化严重［14］。工程勘察数据管理多针对勘察过程中采集的结构化数据，对于不同来源或非结构化的数据管理相对较少。住建部颁布的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》明确要求勘察设计类企业要“研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享”。但企业级的勘察信息数据中心或数据库，多处于相对封闭的状态，上下游的数据流动不畅，无法充分发挥专业数据服务能力。

在勘察数据应用方面，数据的统计分析、报表生成、图件绘制、成果输出等基础应用已实现信息化，理正、华宁等商业软件在勘察工作中应用广泛［15］。利用勘察数据进行岩土分析设计的商业软件较多，在工程领域的应用较为普遍，如Dips、Slide、FLAC3D、理正分析设计等软件。但这些岩土分析设计软件的数据和模型格式各不相同，已有的三维地质模型与分析计算模型不能共享，分析结果与支护设计无法自动交互，不利于工程勘察全流程的一体化应用。

在三维地质建模与勘察信息展示方面，随着三维建模技术的发展，勘察数据逐渐由二维平面进入三维空间，三维模型和BIM应用愈发普遍。但不同行业的三维建模软件各不相同，三维展示效果和应用深度也存在较大差异［13］。勘察行业缺乏能够被普遍接受和广泛应用的三维建模软件［16］，大多建模软件与勘察数据、分析设计软件还存在接口或转换问题，在一定程度上制约了三维地质建模技术的推广应用。

目前，勘察信息技术应用主要集中在各个环节，不同环节间的数据传递不畅，勘察全流程信息技术研究相对较少，缺乏完善的数字化工程勘察技术体系，仅北京理正、南京库仑、深圳秉睦等公司提出了岩土BIM框架、工作流程或整体解决方案，也开发了部分专业软件，但距离行业全流程技术应用还存在一定的差距。

2 数字工程勘察技术体系

数字工程勘察是以工程所处的地质环境为对象，以传统工程勘察为基础，以3S技术与新一代信息化技术为手段，以高效解决工程勘察与岩土工程问题为目标，构建的集数字化采集、综合化管理、协同化应用、可视化表达于一体的全链路数字工程勘察工作模式及应用服务体系（见图1）。

2.1 数字化采集

数字化采集主要包括空天高精度遥感地质信息识别与获取技术、地面便携式移动勘察信息采集技术、地下岩体综合信息集成采集技术三大部分，分别从空天、地面、地下3个层次全方位获取工程勘察信息，为综合判断工程地质条件提供数据支撑。基于空天手段获取的勘察信息可作为地面采集的基础，用于外业复核验证和针对性的数据采集。同时，地面采集的勘察信息能够与地下岩体信息采集进行关联，便于数据集成与协同应用。数字化采集系统架构见图2。

（1）高精度遥感地质信息识别与获取技术包括遥感层次解译技术和面向地质信息识别的无人机影像解译技术。遥感层次解译技术是以遥感信息和地形图为信息源，建立三维可视化解译系统，获取地质灾害及其发育环境要素信息，通过便携移动勘察信息采集系统进行现场验证；面向地质信息识别的无人机影像解译技术针对特定工程靶区或主要场址区，通过垂直摄影测量和近景摄影测量，获取特定对象多角度的近景影像，实现地质测绘、地质灾害、边坡及基坑施工地质素描等地质信息的准确识别与提取。

图2 勘察信息数字化采集系统架构

（2）便携式移动勘察信息采集技术集GNSS定位、数字罗盘、数码相机等功能于一体，实现在一台智能终端上定位与地形图实时关联，数字化采集文字、素描、照片等地质测绘、勘探、原位测试与试验等数据，结合数字工程勘察信息综合管理平台进行综合信息处理、管理与应用。该技术的应用替代了传统外业人员工作必备的纸质地形图、记录本、铅笔、罗盘、GNSS、照相机等一系列野外作业装备。

（3）地下岩体综合信息采集技术集成SystemⅥ测井系统、全波列测井仪、电阻率测井仪、光学成像测试系统、钻孔弹性模量测试仪、电磁波CT测试仪等多种钻孔测试设备，实现同平台下一次下井完成自然伽马、电阻率、井径、纵横波速度、地下水流速流量、全孔壁光学成像及超声图像、孔径、孔斜等十几种物性参数的综合采集，并可计算地层倾角、倾向、孔隙率、弹性模量、剪切模量、抗力系数、岩体完整性系数等衍生参数。

通过高精度遥感、InSAR、无人机、移动采集等技术的综合应用，实现了基于空天手段的勘察信息快速获取和地面地下工程勘察信息的数字化采集，构建了多尺度、多场景、多手段协同融合的工程勘察数字化采集技术体系，全方位的数字化采集为工程全生命周期的勘察数据利用奠定了数据基础。

2.2 综合化管理

针对工程勘察数据类型和传统数据管理存在的问题，数字工程勘察要求对勘察数据进行综合化管理。综合化管理结合不同采集手段、不同数据类型、不同应用方向，建立了工程勘察信息分类与编码技术标准，编制了工程勘察数据库表结构及标识符，构建了数据全面、管理高效、应用便捷的勘察数据中心，研发了数字工程勘察信息综合管理平台，提升了工程勘察数据共享与专业服务能力。

工程勘察数据中心不仅实现了结构化勘察数据的集成管理，对多样化、碎片化的非结构化数据，通过有效的数据组织和索引结构，将非结构化数据化“散”为“整”、化“异构”为“同构”，还实现了对非结构化数据的有效管理。勘察数据中心包括基础地理库、遥感影像库、地质数据库、勘探数据库、物探数据库、试验数据库、监测数据库、模型库和系统库等（见图3）。

图3 勘察信息综合化管理

综合化管理以勘察数据中心为核心，通过多尺度、全要素、全过程勘察信息的一体化存储与管理，实现了多源异构勘察数据的深度整合，提升了工程勘察数据共享与专业服务能力。随着勘察数据量的不断积累和信息量的不断丰富，通过数据挖掘、人工智能、机器学习等新兴技术手段，扩大数据服务领域和应用深度。

2.3 协同化应用

数字工程勘察协同化应用是在勘察数据中心的基础上，通过基础应用算法开发，实现勘察数据自动分析、图件精准绘制、格式自由转换、成果批量输出等功能；通过工程地质评价与岩土分析设计算法、模块研发，实现了多种分析方法的一体化协同应用，形成了空地融合的数字工程勘察应用技术体系。

协同化应用体系包括三维地质建模平台、岩土分析设计一体化三维平台、双护盾TBM施工隧洞围岩分类系统、基于GIS的水库区工程地质条件综合评价系统和3DSlopeGIS边坡分析评价系统等（见图4）。

图4 勘察信息协同化应用

协同化应用体系可实现以下4方面的功能:

（1）勘察数据中心的数据可直接用于统计分析、图件绘制、成果输出等，实现勘察数据的基础应用。

（2）勘察数据中心的水库区遥感解译数据、勘察数据，可进入基于GIS的水库区工程地质条件综合评价系统，开展水库区渗漏评价、水库塌岸分析、水库浸没分析等；同时能够直接调用3DSlopeGIS边坡分析评价系统，开展岸坡稳定分析和评价工作。

（3）勘察数据中心的地下岩体综合信息，通过双护盾TBM施工隧洞围岩分类系统，可直接进行TBM地质适宜性评价和TBM围岩分类等。

（4）勘察数据中心的建模数据可通过系统接口，进入地质建模平台构建三维地质模型；构建的地质模型能够直接导入岩土工程分析设计一体化三维平台，用于边坡、洞室等岩土工程的分析评价与支护设计。

协同化应用基于“一套数据、一个模型”，不仅实现了勘察数据到地质建模数据、分析评价数据的有效传递，还实现了三维地质建模与分析计算、岩土设计的模型共享，从而系统化地提升了勘察数据整理、工程地质评价和岩土分析设计工作效率。

2.4 可视化表达

数字工程勘察体系的可视化表达，在传统勘察数据展示的基础上，综合运用GIS+BIM技术，在三维GIS环境中融合地质BIM模型，充分发挥BIM模型具有精细几何结构与丰富语义信息、GIS环境具有地理空间分析与可视化场景的技术优势，实现了工程勘察信息的“一张图”展示。基于GIS+BIM的可视化表达，便于不同阶段、不同类型的勘察数据快速浏览与查询，为工程布置、方案比选、运行维护提供重要支撑。

可视化表达中的地质BIM模型，是将工程勘察的点、线数据，通过空间插值技术，构建地层界面、风化界面、断层面等三维地质界面；然后通过面模型的布尔运算，形成各类地质体，通过对地质体进行属性赋值，实现工程勘察信息的真三维展示。在地质BIM模型的基础上，集成基础地理信息、遥感影像信息、工程勘察信息、三维地质模型、分析结果模型和岩土设计模型等，融合三维地上与地下环境，在GIS环境中实现全阶段、全要素、全专业工程勘察信息的可视化表达（见图5）。

图5 勘察信息可视化表达

3 工程应用

泾河东庄水利枢纽工程位于陕西省礼泉县与淳化县交界的泾河下游峡谷段，距峡谷出山口约29 km，控制流域面积4.32万km2。设计混凝土拱坝坝高230 m，水库总库容32.76亿m3，是渭河下游河防工程体系中不可缺少的重要骨干工程。工程坝址区为深切V形河谷地貌，两岸基岩裸露，山势陡峻，自然坡度为60°～75°；水库区长度约97 km，为黄土丘陵地貌和基岩中低山地貌，河谷深切，冲沟众多，河曲发育。东庄水利枢纽工程勘察范围大、周期长、工作环境艰险、地质条件复杂，为全面提高勘察工作效率、提升勘察全流程信息化水平，工程勘察采用了空地融合的数字工程勘察技术。

勘察工作首先利用Landset-8和高分2号等卫星遥感数据，通过高精度遥感地质信息识别与获取技术，对东庄库坝区大范围出露的主要地层岩性、地质构造和地质灾害等信息进行快速识别提取；然后利用便携式移动勘察信息采集系统和地下岩体综合信息一体化采集设备，对地质、勘探、物探、试验等地面地下全要素勘察信息进行数字化采集，先后获取4 376点地质测绘数据、29 376 m钻孔数据、7 386 m平洞数据、61 486 m物探数据和1 853组岩土体试验数据。

全要素勘察信息以统一、标准的数据格式，录入勘察数据中心，实现多源异构勘察数据的深度整合与管理。在工程勘察信息综合管理平台完成数据校审后，不仅能够进行勘察数据的自动分析与高精度图件的批量绘制，还可通过数据转换接口直接导入三维地质建模平台，开展地质BIM正向设计。东庄地质BIM模型包括地表模型、钻孔模型、平洞模型、地层模型、结构面模型、堆积体模型、透水率模型、岩体分级模型等。

基于勘察信息综合管理平台，通过基于GIS的水库区工程地质条件综合评价系统和3DSlopeGIS边坡分析评价系统，对水库区30处滑坡、68处塌岸和3处浸没点进行了系统评价，大幅提高了水库区工程地质问题评价效率。利用东庄地质BIM模型，系统开展了岩溶渗漏分析、建基岩体分析、坝肩抗滑稳定分析，为坝址区关键地质问题评价提供了重要支撑。地质BIM模型与设计模型的顺利装配，有效指导了坝线比选、导流洞布置等工作。利用GIS+BIM技术，将高精度遥感数据、工程勘察数据和BIM模型数据，加载到三维GIS环境中，实现了全阶段、全要素工程勘察信息的可视化表达。同时，通过模型轻量化处理和网络发布，各方工程建设人员可在浏览器中顺利访问。

利用空地融合数字工程勘察技术，实现了东庄水利枢纽工程多尺度、多场景、多手段协同的勘察信息技术应用，提高了勘察工作效率和成果质量，为构建智慧工程提供了重要支撑，对大范围、长线路、艰险区的工程勘察全流程信息化应用具有一定的借鉴意义。