基于岩土工程勘察的智慧数据管理与分析系统

冀盼彧,徐利成,刘轩,任沁枭,翁美琳

(1.广州市交通设计研究院有限公司,广东 广州 511400; 2.广州大学,广东 广州 511400;3.珠海科技学院,广东 珠海 519090)

0 引 言

近年来,利用人工智能和大数据技术助力交通建设信息化,成为勘察信息化建设领域的研究热点,如利用理正勘察数据软件对岩土勘察数据进行录入[1,2],基于ArcGIS地理信息技术实现勘察地图的三维建模等[3～5]。与此同时,伴随着数据处理和存储管理能力的提升,利用智能技术辅助交通工程的建设评估和数据预测也成为可能。

在大型公共交通设施和城市公路的建设规划中,往往需要开展大量地质预勘工作。按照预先定义的钻孔分布图,逐一对岩土工程各个钻孔进行勘察和记录,从而实现勘察元数据的记录与存储。然而,目前这类勘察数据采集仍然存在两点难题:一是智能技术下的数据采集需求往往是海量存储和多源异构的,采用传统的数据采集方式(如借助电子表格,理正软件,工程制表等),容易导致存储分离化和内容碎片化。二是现场数据采集往往是时空非同步的,数据采集地点的复杂性和岩土工程参与人员的多样化,使得现有的数据采集、存储、管理和可视化的过程中存在“数据断层”的现象,进一步限制了利用智能技术开展数据采集和自动分析的效率。因此,一款基于岩土工程勘察的智慧数据管理系统成为破解这一困境的关键。

本文采用了移动互联技术、计算机视觉和GIS自动绘制等技术,构建了一款集成多源异构数据管理、工程数据可视化、柱状图生成等多种创新模块的智慧数据管理系统,以此提高岩土工程的数据一体化管理和分析能力。

1 相关技术介绍

1.1 Web技术

研究基于Vue前端开发框架以及Springboot的后台框架等Web技术搭建,采用mysql数据库存储技术对岩土工程平台的相关数据进行缓存。由于平台融合了岩土勘察工作过程中大量的钻孔岩芯图、场地环境图和其他类型的图片,我们通过图片服务器的形式对图片数据实现分离式缓存。

1.2 OpenCV图像处理

为了实现辅助勘察和自动化岩芯信息标注,平台采用了OpenCV视觉库和相关机器学习算法,实现了通过岩芯分箱图的分割识别,并提供自动生成岩芯柱状图。

1.3 理正勘察软件数据对接

由于理正工程地质勘察软件的广泛使用和实现平台对理正数据库信息的对接和迁移,采用WebSocket接口形式开发了兼容第三方的标准理正接口,解决用户多端数据不对称的问题。

2 勘察智慧数据管理平台的框架构建

2.1 系统数据组织形式

岩土工程勘察数据具有多源异构的特点,数据分布广、形式多。如图1所示,多源数据包括理正勘察数据软件的记录数据、平台内部用户与第三方系统的数据、自有平台数据以及用于钻孔地图展示外部的地图数据;异构数据包括了平台中各类的文本描述数据,如岩芯对照表、钻孔数据、项目描述等。此外还有以Execl为主等外业勘察记录表格、岩芯分箱照等工程图片、用于数据接口的JSON数据等其他文件数据。

图1 平台数据组织形式图

2.2 系统架构

为了满足多源异构数据之间的良好数据传输,系统采用三级架构方式,如图2所示,自下而上由网络管理域、功能管理域和业务管理域构成。

网络管理域是管理系统平台的底层支撑,其整体采用了前后端分离的架构进行设计。前端使用了Vue框架进行开发,可以进行组件化开发。后端使用了SpringBoot框架搭建,用于开发数据访问服务,响应前端业务请求。地图服务选用奥维GIS信息服务以支持三维地图的展示和地图交互开发。数据库选用了关系型数据库MySQL数据库和图数据库,满足关系型数据和图数据的存储需求[6]。

功能管理域将管理系统的功能抽象出来,主要集成了钻孔管理、项目管理、岩土管理、GIS服务、柱状图生成、数据交换功能、服务侦测工具等管理功能。

业务管理域是管理系统面向用户的业务集,抽象集合了各种子业务模块。这些模块高度封装,用于满足不同用户对不同业务的调用需求。如项目信息模块、钻孔管理模块、岩芯层管理模块、地层模块等十个子业务构成。

为了满足勘察、设计、施工等不同人员的独立操作,系统为不同类型的参与人员开发了不同的个性化业务。如施工人员只需要关注钻孔和测试数据,分析设计人员更多关注岩土和地层数据。

3 关键核心技术设计

3.1 多源异构数据管理

在岩土工程勘察项目开展流程中会产生大量的多源异构数据,对这些数据进行统一管理,能够有效打破“数据壁垒”现象和解决“数据断层”问题[7,8],同时也是实现本智慧数据一体化管理系统的重要技术。

平台中的多源数据来源广泛,主要的来源有理正勘察软件中的记录数据、内部用户与第三方系统数据、自有平台数据和外部地图数据。多源数据的数据来源具有分散性且数据量各有差异,若对多源数据独立保存,虽然方便省事,却会造成多源数据之间关联性变差、数据结构性缺失,导致数据管理成本增加、数据查找效率降低等显著问题[9,10]。为此,平台针对多源数据设计了用于统一管理的数据源管理表。该表通过存储不同数据标识符来区分不同类型的数据,最终实现对多源数据的统一管理,资源表设计如表1所示。

表1 资源表数据库设计

3.2 勘察数据与理正对接功能设计

在现有的岩土工程勘察记录软件中,理正等工程地质勘察软件作为工作流的上游软件,具有一定的市场占有率。然而,受限于理正勘察软件的数据封闭性和复杂的理正数据结构,实现第三方软件平台与理正勘察软件之间的数据交互,是目前实际应用中的难点。

为了破解上述难点,平台提出了可以实现自动与理正数据及其系统数据对接和迁移的设计方案。基于可拓展的原则,系统利用MDB数据格式文件作为中介,开发了能够读取和写入MDB数据的理正数据对接接口[11]。该MDB格式文件包含了工程项目所有数据,系统自动解析该mdb文件,实现了已有工程数据和系统数据库之间实现相互导入。在实际工程应用中,这接口将加快工程人员的数据录入效率,实现工程数据和第三方软件数据间的快速管理和对接[12]。

3.3 勘察岩芯图像自动识别技术

地质柱状图和剖面图作为影响岩芯构造的关键因素,也是目前勘察领域的必要考察指标。目前岩土勘察工程中,生成柱状图的方法主要包括:人工识别、利用GIS技术软件进行识别分析和基于计算机视觉技术对岩芯进行识别[13,14]。但是这些方法都存在如下缺点:人工识别的人为规则干预较强且准确率低下;利用GIS技术软件存在导出效率慢、软件依赖性强的问题;基于计算机视觉的岩芯识别技术则会受户外场景和其他环境噪音影响,导致识别准确率低下[15]。

为此,本系统提出了一种自动通过识别现场方箱图来自动生成岩芯柱状图的算法。通过OpenCV库和机器学习算法,采用远端模型部署的方式,对勘察岩芯的方箱图实现自动识别、分割、重新拼接,最终生成高质量地质柱状图像,满足了野外计算资源匮乏和特征不足情况下及时准确生成岩芯方箱柱状图的需求。具体流程如图3所示:

图3 岩芯柱状图生成流程

首先将每张岩芯方箱图依次进行灰度化、滤波和直方图均衡化操作,目的是去除图像的噪声和干扰线条。将处理过后的图像进行开闭包操作,开闭包操作可以去除大部分岩芯实体,只留下方箱的分隔线。之后对各个分隔线进行直线检测,对检测到的直线进行筛选,根据长度、斜率等信息,筛选出可能是岩芯装载体的直线。进一步地,对筛选后的直线进行横向聚类,以此实现对由于识别误差导致分割线中断的这类现象进行松弛。最后,对检测到的直线进行数量检测,如分箱直线数量符合既定要求,方可进入岩芯图像的拆分拼接工作。如不满足要求,则多次重复进行特征提取和直线预测操作。最终,通过户外作业的方箱图实现自动生成柱状图,并传回到客户端机器网页[16,17]。

4 技术实践与评测

为保障岩土工程勘察智慧数据管理系统的可用性,本平台在开发过程中选用i5-12490 16G的Window10作为开发环境,其客户端使用的终端为具备上网功能的手机和各类计算机。

4.1 后台管理系统展示

(1)岩土项目管理功能

勘察项目的管理页面主要实现的是勘察项目的创建、展示及存储,可以提供查看工程进度、项目信息等信息,除此之外还有项目地图、岩土层、钻孔管理、标准地层、操作日志等功能选项,如图4所示。

图4 岩土项目管理功能

(2)岩土数据的采集和存储

在钻孔管理菜单中,可以进行对钻孔信息,土质编录信息和各类钻孔图片和视频信息的录入、编辑,如图5所示。

图5 岩土数据的采集和存储

可录入和编辑的信息包括:钻孔编号、钻孔类型、分箱数、钻孔性质、XY坐标、高程、里程、偏移量、控制孔深等,如图6所示。

图6 录入钻孔

4.2 多源数据管理展示

多源数据使用多源数据资源表进行管理,使用该表可以提高多源数据的关联性、提高数据结构性、降低管理成本,如图7所示。

4.3 勘察数据的外部对接

通过图8所示的“导出到理正”按钮,即可生成包含该项目所有信息的外部数据文件。

图8 导出功能

为进一步测试文件可用性,我们选取理正软件读取平台导出的数据接口文件。如图9所示,通过理正数据接口读取和理正接口文件自动生成,系统实现了平台数据到理正勘察软件的自动化对接、迁移,保障了平台和第三方软件数据的统一性,从而省去了大量人工数据迁移的成本,提高了勘察项目推进的工作效率。

图9 项目数据导入

4.4 勘察岩芯图像自动识别技术

在编辑钻孔信息的页面中,可以选择岩芯分箱照上传,如图10所示。

图10 岩芯分箱照上传

上传分箱照,点击钻孔柱状图之后,后台将自动识别全部上传的岩芯分箱照,执行岩芯柱状图生成算法,自动生成的岩芯柱状图带有地层描述信息。

如图11所示,平台自主开发的勘察岩芯图像自动识别技术,实现计算机技术辅助岩芯录入高度自动化和岩芯实现地质柱状图的高质量生成,节省了地质工作人员的时间,提高了勘察项目工程的推进效率。

图11 带描述带岩芯拼接图片段

4.5 工程评测

(1)实地评测

为了检验岩土工程数据管理平台在勘察项目中的有效性和高效性,本文对管理系统进行了实地评测分析。评测根据各项指标对“传统人工方式“以及”使用管理平台“分别进行耗时记录,生成评测结果。如表2所示,结果表明,该系统能够提供给勘探人员一款优质的勘察工程数据和辅助生成工具,大大节约了勘察工程的时间,提高了勘察工程效率,同时验证了利用人工智能和大数据技术辅助当前岩土工程勘察的技术可行性。

表2 工程因子评测表

(2)功能性评测

为了验证管理系统最终使用功能与开发预期功能是否一致,本文对用户的业务功能进行评测。评测方法为多方融合评测,即由开发者、用户分别评测,评测结果汇集成下表3:

表3 管理系统功能评测表

由评测数据可以得到功能评测的实验时间均在 1 s内,功能性验证基本通过且达到预期。这说明管理系统在功能可用性上已经满足了实际的开发预期,能够作为一款优质的勘察工程管理工具辅助实际现场作业,大大节约了勘察工程的时间,提高了勘察工程效率。

5 总 结

随着信息技术的发展,移动GIS技术、空间数据库技术、三维建模与可视化技术已经逐渐渗透到勘察、测绘等多领域的学术研究和工程应用中。将移动GIS、地质建模与工程地质勘察应用相结合,构建出包含工程地质数据外业移动采集,内业数据自动化处理以及地质数据模型多维可视化应用的系统平台,对工程地质应用具有很重要的现实意义[18]。本文阐述了岩土工程的勘察数据一体化管理系统的结构框架、相关技术以及核心技术的设计。本文还从工程可用性和功能健全性对平台进行了测试,结果表明通过设计基于移动信息技术和人工智能技术开发的勘察数据一体化管理系统,可以辅助岩土工程勘察数据的采集、处理与可视化工作,提升岩土工程勘察的效率、质量与智能化作业水平,对岩土工程勘察的信息化与智能化发展具有重要意义。