徐黎明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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GIS在鐵路工程勘察中的應(yīng)用綜述

徐黎明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

GIS技術(shù)以其特有的功能已廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，其中包括鐵路工程勘察領(lǐng)域。分析GIS技術(shù)在鐵路工程勘察中的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的作用、存在的問(wèn)題以及將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

鐵路工程勘察GIS

目前我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程已突破11.2萬(wàn)km，其中高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到1.9萬(wàn)km，位居世界第一?！熬┙蚣絽f(xié)調(diào)發(fā)展”、“一帶一路”等戰(zhàn)略的提出也必將帶動(dòng)鐵路建設(shè)的空前發(fā)展。在鐵路勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得的工程地質(zhì)勘察資料是非常寶貴的信息資源，這些成果不僅對(duì)當(dāng)時(shí)的鐵路建設(shè)起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工的重要作用，而且還可以供附近線路及巖土工程建設(shè)參考利用，所以這些勘察成果也具有很高的重復(fù)利用價(jià)值[1]。然而，勘察資料的獲取、整理與存檔大多按傳統(tǒng)模式進(jìn)行，不同單位、不同工程、不同階段的勘察成果均是以文字報(bào)告、電子文件等方式孤立的存儲(chǔ)，很難實(shí)現(xiàn)勘察資料的高效重復(fù)利用、信息資源共享和綜合分析應(yīng)用[2，3]，嚴(yán)重影響利用率。GIS(地理信息系統(tǒng))憑借其特有的輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和可視化功能，能快速有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析，將GIS引入到鐵路工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域可以大大提高工作效率，提高已有勘察成果的利用率。

1　GIS概述

GIS是將管理、計(jì)算機(jī)、遙感、空間信息、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科融為一體的新興學(xué)科，并且已經(jīng)發(fā)展為一門新興的產(chǎn)業(yè)并應(yīng)用到當(dāng)今社會(huì)的各大領(lǐng)域，其中包括海洋氣象、農(nóng)林牧業(yè)、遙感測(cè)繪、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害、土地管理、地質(zhì)礦產(chǎn)、城市規(guī)劃及國(guó)防建設(shè)等[4]。GIS是一個(gè)以計(jì)算機(jī)為載體，以信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用模型分析方法為信息研究和決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)，具有以下幾項(xiàng)基本功能[5]。

(1)數(shù)據(jù)的輸入與編輯：GIS的這個(gè)功能主要用于采集數(shù)據(jù)，就是將需要統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入到GIS系統(tǒng)中作為信息數(shù)據(jù)庫(kù)。輸入之后并不是一成不變的信息數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)編輯修改。

(2)數(shù)據(jù)操作：GIS的此項(xiàng)功能主要包括信息數(shù)據(jù)的格式化及信息數(shù)據(jù)不同格式之間的相互轉(zhuǎn)換等。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵，建立了信息數(shù)據(jù)庫(kù)才能實(shí)現(xiàn)GIS的其它功能。

(4)查詢、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算：此項(xiàng)功能是GIS應(yīng)具備的最基本功能之一。GIS信息數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)非常龐大，人工查詢費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難實(shí)現(xiàn)。在GIS系統(tǒng)內(nèi)可根據(jù)需要查詢的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行條件搜索，快速查詢信息數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)行多重條件的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，此項(xiàng)功能也是GIS系統(tǒng)輔助決策分析的基礎(chǔ)。

(5)空間分析：此項(xiàng)功能是GIS的核心功能，是在GIS系統(tǒng)下輔助分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。

(6)顯示和輸出：GIS具有可視化功能，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕將信息數(shù)據(jù)或是成果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，也可以通過(guò)文字報(bào)告、統(tǒng)計(jì)表格、平面圖件的方式將成果輸出。

2　勘察領(lǐng)域GIS應(yīng)用現(xiàn)狀

在GIS技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的研究方面，美國(guó)、日本等國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，在應(yīng)用的廣度和深度上均比國(guó)內(nèi)要好。20世紀(jì)90年代，美國(guó)已在水資源及工程勘察領(lǐng)域內(nèi)建成了80多個(gè)GIS系統(tǒng)。Ellen S.D.和Wentworth C. M.在1987年運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)區(qū)域工程勘察進(jìn)行分析；Peter D.C.等人于1991年將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程勘察信息數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)；以上國(guó)外學(xué)者的研究均取得了良好的效果[6]。1994年美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局(FHWA)與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)聯(lián)合建立了美國(guó)巖土工程試驗(yàn)GIS系統(tǒng)，這個(gè)GIS系統(tǒng)可以對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、顯示、輸出和管理，進(jìn)而為工程地質(zhì)勘察服務(wù)。

國(guó)內(nèi)將GIS應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域的研究起步較晚，2000年之后國(guó)內(nèi)少數(shù)大城市的勘察單位開始將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域[8]，武漢、深圳、成都、上海、北京、廣州、杭州先后建立了本市的工程勘察GIS系統(tǒng)。在鐵路工程地質(zhì)勘察方面，屈曉輝、喬平等人探索了基于GIS的鐵路工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方案[9]。鐵三院開發(fā)了鐵路工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)。從整體上看，這些系統(tǒng)在研發(fā)與應(yīng)用方面都尚處于起步階段，多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)部分特定功能，輔助完成一些局部的工作。我國(guó)的工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)多停留在科研層面，工程實(shí)用還較少，很少用于工程實(shí)踐。

3　鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的功能

基于GIS本身具有的特定功能，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

3.1工程勘察數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢與管理

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、查詢與統(tǒng)計(jì)是GIS最基本的功能。同理，工程勘察成果的存儲(chǔ)、查詢與管理也是鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)最基本的功能。將工程項(xiàng)目收集到的區(qū)域地質(zhì)資料、氣象資料、地震資料，勘察過(guò)程中獲取的鉆孔成果、原位測(cè)試成果、土工試驗(yàn)成果以及最終的勘察報(bào)告成果，以文字、表格、圖件等形式輸入到鐵路工程地質(zhì)勘察GIS系統(tǒng)內(nèi)。該系統(tǒng)可以將這些成果保存為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一體化的管理，操作人員可以在鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)內(nèi)對(duì)已輸入的成果繼續(xù)編輯，也可以根據(jù)自己的需要選擇多種方式(比如按工點(diǎn)、按里程、按編號(hào)、按數(shù)據(jù)屬性等)進(jìn)行快速的搜索查詢和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以大大提高勘察成果的重復(fù)使用率。

3.2工程地質(zhì)分析與應(yīng)用

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以輔助工作人員完成鐵路工程勘察的專業(yè)分析，可以生成勘探孔平面圖、工程地質(zhì)柱狀圖、工程地質(zhì)縱斷面圖、工程地質(zhì)剖面圖等，還可以生成靜力觸探曲線、動(dòng)探曲線、波速曲線等原位測(cè)試曲線，固結(jié)壓縮曲線、直剪試驗(yàn)曲線等各種土工試驗(yàn)曲線，輔助完成工程決策。鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的工程勘察成果資料自動(dòng)生成鐵路工程地質(zhì)勘察報(bào)告。

3.3地質(zhì)建模與可視化分析

目前，工程勘察領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)軟件均是以傳統(tǒng)模式輸出平面圖件，均不具有三維地質(zhì)建模的功能。GIS技術(shù)具有良好的三維可視化功能[10]，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)工程地質(zhì)勘探孔的地層數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型。系統(tǒng)的此項(xiàng)功能具有交互性，用戶可以根據(jù)需要選定特定的勘探孔數(shù)據(jù)，構(gòu)建反應(yīng)工程場(chǎng)地局部地質(zhì)構(gòu)造單元和地層結(jié)構(gòu)空間展布特征的三維地質(zhì)實(shí)體模型，并且可以實(shí)現(xiàn)三維圖形操作功能，可以對(duì)三維地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作[11]。鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具有三維可視化分析功能，可對(duì)構(gòu)建的三維地質(zhì)模型進(jìn)行任意剖切，并對(duì)剖切后的三維地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行可視化顯示。在此功能基礎(chǔ)之上可以實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬，可以在三維地質(zhì)實(shí)體模型上進(jìn)行開挖路塹、橋梁、房屋基礎(chǔ)等模擬。

3.4成果的生成與輸出

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)可以將查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果、分析成果以及存儲(chǔ)的勘察資料成果以紙質(zhì)文件的形式輸出。包括資料圖件的輸出、數(shù)據(jù)表格的輸出、平面成果圖的輸出和三維地質(zhì)實(shí)體模型成果的輸出。資料成果圖輸出包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖、工程地質(zhì)圖、地貌分區(qū)圖、水文地質(zhì)圖、水土侵蝕性分區(qū)圖、地震液化分區(qū)圖等。報(bào)表數(shù)據(jù)輸出包括各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格、勘探孔一覽表、土工試驗(yàn)物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)表、承載力計(jì)算單和液化判定計(jì)算單等。平面成果圖件包括勘探孔平面布置圖，工程地質(zhì)柱狀圖、斷面圖、剖面圖等。三維地質(zhì)實(shí)體模型輸出就是對(duì)三維地質(zhì)模型靜態(tài)效果圖進(jìn)行輸出，包括根據(jù)需要進(jìn)行剖切后的地質(zhì)模型輸出。

4　GIS應(yīng)用于鐵路工程勘察存在的問(wèn)題

4.1操作人員的GIS技術(shù)水平不高

目前，工程勘察領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員中多數(shù)對(duì)于GIS技術(shù)的了解并不深入，技術(shù)水平相對(duì)薄弱。GIS在鐵路工程勘察領(lǐng)域內(nèi)要取得良好的應(yīng)用效果，需要操作人員既要有扎實(shí)的工程地質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)，又要能熟練運(yùn)用GIS技術(shù)，只有這樣才能在鐵路工程勘察領(lǐng)域內(nèi)充分利用好GIS技術(shù)，這也是GIS技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域內(nèi)推廣普及的瓶頸。因此，加強(qiáng)技術(shù)人員的GIS技術(shù)培訓(xùn)，提高操作人員的GIS技術(shù)水平非常重要。

4.2數(shù)據(jù)質(zhì)量

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具查詢統(tǒng)計(jì)及工程地質(zhì)分析功能，但是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)畢竟不如人腦，它不能綜合考慮相關(guān)因素，它的分析只根據(jù)系統(tǒng)獲取的內(nèi)部數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)工程地質(zhì)分析質(zhì)量的好壞直接取決于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，比如數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、誤差較大或是缺乏數(shù)據(jù)均會(huì)影響最終分析結(jié)果。同一場(chǎng)地的綜合勘察數(shù)據(jù)有可能采取鉆探、觸探、挖探等不同的勘探方式，扁鏟、旁壓等不同的原位測(cè)試方法，存儲(chǔ)的格式也不盡相同，這些都有可能影響數(shù)據(jù)管理的效率和數(shù)據(jù)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

4.3數(shù)據(jù)的閉塞性

數(shù)據(jù)的共享是提高數(shù)據(jù)重復(fù)利用率的關(guān)鍵，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)建立的最主要目的是實(shí)現(xiàn)勘察資料的高效重復(fù)率用和共享。目前，不僅鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)也包括其他勘察GIS系統(tǒng)最大的缺陷就是數(shù)據(jù)的共享不足。首先，不同單位之間的勘察成果都是保密的；其次不同的勘察GIS系統(tǒng)之間不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。原因在于不同的勘察GIS系統(tǒng)可能采取不同的數(shù)據(jù)整理方式、不同格式的數(shù)據(jù)源、不同的存儲(chǔ)格式等，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此造成各個(gè)系統(tǒng)之間、各個(gè)環(huán)節(jié)之間比較封閉，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換合作，也就不能實(shí)現(xiàn)勘察信息的共享，使得GIS系統(tǒng)不能發(fā)揮其最大的功效，這注定阻礙了鐵道工程勘察GIS系統(tǒng)的廣泛普及。

4.4GIS技術(shù)本身的缺陷

目前我國(guó)勘察領(lǐng)域GIS技術(shù)的發(fā)展尚不完善，處于發(fā)展的初級(jí)階段，很多勘察專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題依賴GIS技術(shù)尚不能解決，比如相對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的三維建模及其處理分析等。GIS技術(shù)本身的缺陷也限制了GIS技術(shù)所能發(fā)揮的最大功效，其本身還需要一個(gè)完善的過(guò)程。

5　鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

5.1與專家系統(tǒng)相結(jié)合

如前所述，鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的分析功能僅依靠其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)，它的分析是機(jī)械的。然而工程地質(zhì)條件是復(fù)雜多變的，更多的情況需要依靠工程經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，所以需要與專家系統(tǒng)相結(jié)合，運(yùn)用專家學(xué)者的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)來(lái)幫助GIS系統(tǒng)進(jìn)一步提高工程分析結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，進(jìn)而促進(jìn)鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)的發(fā)展。

5.2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

在將來(lái)發(fā)展中，GIS系統(tǒng)需要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)所有勘察信息資源的共享，以促進(jìn)勘察信息資源的利用率。

5.3更好的數(shù)據(jù)處理能力

鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)具有可視化分析功能，但是目前GIS系統(tǒng)大多應(yīng)用于數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，數(shù)據(jù)處理更多的應(yīng)用于平面圖形的分析與處理，三維地質(zhì)實(shí)體模型的空間分析功能有限，比如多期構(gòu)造形成的復(fù)雜地質(zhì)體的實(shí)體模型尚無(wú)法構(gòu)建。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，建立面向多維度、多元化數(shù)據(jù)處理的鐵路工程勘察GIS系統(tǒng)是必然的趨勢(shì)。目前，鐵路工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)、鐵路工程BIM技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的工程勘察成果模式已不能滿足要求，基于GIS技術(shù)的鐵路工程勘察成果與鐵路工程BIM技術(shù)、三維協(xié)同設(shè)計(jì)相結(jié)合將是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1]喬平.基于GIS的鐵路工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方案[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(12)：35-43

[2]王小明，樸春德.基于GIS的電力工程勘察信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2011(2)：207-232

[3]宋桂榮.GIS地理信息系統(tǒng)在巖土工程中的應(yīng)用研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2012

[4]包世泰.基于GIS的地質(zhì)勘察信息模型研究及其應(yīng)用[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2004

[5]劉勇.基于GIS技術(shù)的工程地質(zhì)資料管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用-以云萬(wàn)高速公路為例[D].成都：西南交通大學(xué)，2005

[6]Emmi Jose Macari， James R Martin， Thomas L. Brandon (ASCEA.M.). Liquefaction Potential of Puerto rice[A]. David Frost J， Jean-Lou A Chteau. Proceedings of Geographic Information Systems and Their Application in Geotechnical Earthquake Engineering[C]. Atlanta: American Society of Civil Engineers，1993:72-77

[7]James R Martin. Development of geographical information system(GIS) for seismic hazard study of Charleston， SC[A]. David Frost J， Jean-Lou A Chameau. Proceedings of Geographic Information Systems and Their Application in Geotechnical Earthquake Engineering[C]. Atlanta: American Society of Civil Engineers，1993:77-82

[8]朱良峰，潘信.基于GIS的工程勘察信息系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2007(S)：163-167

[9]屈曉輝，喬平，等.工程地質(zhì)勘察信息資源研究與應(yīng)用[R].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，2006

[10]趙龍，趙亮亮.三維GIS技術(shù)在三臺(tái)階七步開挖法隧道工程進(jìn)度管理中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2014(1)：11-13

[11]蘇林.鐵路線路三維設(shè)計(jì)研究與開發(fā)[J].鐵道勘察，2007(2)：77-78,93

Overview of Application of GIS in Railway Engineering Geological Investigation

XU Liming

2016-01-25

徐黎明(1985—)，男，2013年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)02-0046-03

P208； P642

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