（岩土工程专业论文）基于gis的高速公路软土地基分析支持系统研究.pdf

摘要 摘要 随着我国高速公路近二十年的发展，大规模的建设使各相关部门积累了大量的地质勘察、工程 设计、施工资料。尤其是全国范围内的工程地质分区、不良工程地质概况等地质、工程资料，对今 后工程的预测评价有很高的参考价值。但是，目前对资料的管理多数以纸质介质( 表格、文字、图纸 等) 存档管理的方式，不仅不利于长期保存，而且不具备方便的查询检索、可视化的实时浏览功能。 大量的信息无法联系结合，信息的传递、共享和再利用受到极大限制。本文考察了以上的现存问题 和需求，在研究了组件式g 1 s 的基础上，使用v i s u a l b a s i c 开发语言结合m a p x 组件技术开发了高速 公路软土地基分析支持系统。 系统的需求分析是进行系统开发的基础。本文首先分析了建立软土地基分析数据库的数据来源、 特点和数据需求，并对公路空间数据库进行了初步设计。同时分析了用户群及其需求，确定了系统 的功能需求，主要有：图形浏览、数据载入、数据统计查询、信息的可视化分析以及数据提取输出。 然后进行了系统设计。对比了系统开发软件的选型方案和软件特点，确定选用集成二次开发方 式，以g i s 组件技术对系统进行开发。设计了系统的总体结构，依据需求分析对各个子系统功能进 行了划分和功能设计，设计了各予系统间的逻辑关系。完成了数据库结构设计，数据库数据分为三 类：空问图形数据；g i s 属性数据库：存于a c c e s s 数据库中的与地理实体空间位置没有直接关系的 属性数据数据。空间数据和属性数据分开管理，两者之间通过a d o 动态连接。 随后是系统的开发。完成了空间数据的处理和数据库数据的录入及两者的绑定。利用v b 和 m a p x 组件，对系统电子地图操作、查询功能、专题分析和输出功能进行了开发和实现，并从系统 的主界面到菜单及各细部进行了图文介绍。 最后，利用本系统，以沿江高速公路常熟段为例，对其软土的主要性质进行了初步统计分析研 究。依据长江三角相冲积成因，以下程性质为标准，对常熟段地基进行了软七划分，并统计了软土 沿线分布及厚度情况。对主要软土层的物理力学指标进行了统计，分析了常熟段软土物理力学性质 特性和工程性质变异性。 关键词：地理信息系统、m a p x 、数据库、工程勘察、软土地基、数据分析、软件开发 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t 1t h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ni nr e c e n t2 0y e a r s r e l a t e d s e c t i o n sh a v eg o tag r e a td e a lo fc o n s t r u c t i o nd a t a , s u c ha st h ed a t eo fg e o l o g yi n v e s t i g a t i o n ，e n g i n e e r i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n e s p e c i a l l yt h ed a t ao fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld i s t r i b u t i o n ，d e f e c t i v eg e o l o g yo f t h ec o u n t r yw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr e f e r e n c er o l ei ne v a l u a t i n gt h ef u t u r ep r o j e c t i o nc o n s t r u c t i o n h o w e v e r ， m o s to f t h ed a t aw a sk e p tb yp a p e rc u r r e n t l y ，w h i c hm a k ei tc a l ln o to n l yb ec o n s e r v e df u ral o n gt i m e , b u t a l s o i n e o n v e n i e n t t ob es e a r c h e d a n d u s e d u n t i l n o w g r e a t d e a l o f i n f o r m a t i o nc a n t b ec o r n b i n e d t o g e t h e r , t h a tm a k e sd i f f i c u l t yo ft h et r a n s m i s s i o n , s h a r ea n du s a g eo ft h ei n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e rt h ep r o b l e m s a n dr e q u i r e m e n ti nc u r r e n tr s c a r e hw a sr e v i e w e d b e do nt h er e s e a r c ho fg i sa n dw i t h 雠m e t h o do f v i s u a lb a s i ca n dm a p x ，g i s b a s e da s s i s t a n ta n a l y s i so f s o f tg r o u n dw a sd e v e l o p e d f i r s t l yo f a i l ，t h es y s t e m sa n a l y s i si sd o n e t h ed a t as o u r c e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n to f t h es o f t g r o u n dd a t a b a s ew e r ea n a l y s e d , a n dt h eh i g h w a ys p a c ed a t a b a s ew a sd e s i g n e di n i t i a l l y a tt h es 扪et i m e ， u s e rg r o u pa n di t sr e q u i r e m e n tw e r es t u d i e d t h er e q u e s to ft h es y s t e mw a sc o n f i r m e dw h i c hi n c l u d e s g r a p h i cb r o w s e r ，t h ed a t al o a di n ，s t a t i s t i ci n d e x , v i s u a t i z a t i o ni ni n f o r m a t i o na n a l y s i sa n dt h ed a t ao u t p u t t h e nt h es y s t e md e s i g ni sc a r r i e do n c o n t r a s t e dt h es y s t e mt od e v e l o ps o r w a r et h et y p ep l a na n dt h e s o f t w a r ec h a r a c t e r i s t i c 。d e t e r m i n e ds e l e c t i n gi n t e g r a t e dt w ot i m e so fd e v e l o p m e n t sw a y s ，c a r r i e do nt h e d e v e l o p m e n tb yt h eg i sm o d u l et e c h n o l o g yt ot h es y s t e m t h es y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r ei sd e s i g n e d , t h e d i v i s i o na n dt h ef u n c t i o n a ld e s i g nb a s e do nt h ed e m a n da n a l y s i st oe a c hs u b s y s t e mf u n 甜o na r ec a r r i e do n , a n dl o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nv a r i o u ss u b s y s t e m sa r ed e s i g n e d c o m p l e t e dt h ed a t a b a s es t r u c t u r a ld e s i g n ， t h ed a t a b a s ed a t ah a sd i v i d c di n t ot h r e ek i n d s ：g e o m e t r i cf i g u r ed a t a ；g i sa t t r i b u t ed a t a b a s e ；s a v e si nt h e a c c e s sd a t a b a s ea n dt h eg e o g r a p h ye n t i t ys p a c ep o s i t i o nn o td i r e c tr e l a t i o n sa t t r i b u t ed a t a t h es p a t i a ld a t a a n dt h ea t t r i b u t ed a t aa r es e p a r a t e d ，a n dt h e ya r ec o n n e c t e dt h r o u g ha d od y n a m i cc o n n e c t i o n a n dn e x ts t e pi st h es y s t e m a t i cd e v e l o p m e n t s p a t i a ld a t ap r o c e s s i n ga n dt h ed a t ao f d a t a b a s e i n p u t a n db o t ho f t h e mb i n d e du pa r ec o m p l e t e d u s i n gv ba n dt h em a p xm o d u l e ，t ot h es y s t e me l e c t r o nm a p o p e r a t i o n , t h ei n q u i r yf u n c t i o n ，t h es p e c i a la n a l y s i sa n dt h eo u t p u tf u n c t i o nh a sc a r r i e do nt h ed e v e l o p m e n t a n dt h er e a l i z a t i o n ，a n dt ot h em e n ua n dv a i l o u sd e t a i l sh a sc a r r i e do nt h ec h a r ta r t i c l ei n t r o d u c t i o nf r o m t h es y s t e mm a i nc o n t a c ts u r f a c e a tl a s t , s t a t i s t i ca n a l y s i so ft h em a i np r o p e r t i e so fs o f ts o i lg r o u n di sc a r r i e do nt a k i n gc h a n gs h u s e c t i o na l o n gy a n g t z er i v e r 雒a ne x a m p l e t h es t a t i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o na n dt h et h i c k n e s so fs o f ts o i l g r o u n da r et a k e nb a s i n go nt h es t a n d a r do fe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ey a n g t z e r i v e rd e l t ar e g i o n a n dt h e n t h em a i ni n d e x e so fp h y s i c sa n dm e c h a n i c sa n dt h e i rv a r i a b i l i t yo f e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d k e yw o r d ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；m a p x ；d a t a b a s e ；g e o l o g i c a le n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n ； s o f ts o i lg r o u n d ；d a t aa n a l y s i s ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：立丝疡卜一导师签名： 日期：竺21 ， 第一章绪论 笛一童绪论 1 1 研究开发的背景 中国高速公路从1 9 8 8 年实现零的突破，经过十多年的建设，到2 0 0 3 年年底已突破3 万公里， 总里程位居世界第二。2 0 0 5 年底全国高速公路总里挥达到4 1 万公里，0 6 年新增高速公路4 4 6 0 公 里，总里程达到4 5 4 万公里。计划到2 0 1 0 年，公路总里程要达到2 1 0 万至2 3 0 万公里，全面建成 “五纵七横”国道主干线。 如此规模的建设涉及到的地质勘察、地基处理设计、施工、沉降观测等各方面的资料、报告、 数据也是非常庞大的。特别是上世纪9 0 年代以来，高速公路、水运等重点交通工程建设全面开展。 经过多年的工作，各相关部门积累了大量的地质勘察资料，如工程地质水文地质钻探、静力触探、 工程物探，以及全国范围内的工程地质分区、不良工程地质概况等地质资料。1 二程产生的资料非常 丰富，其中的数据对今后 ：程的预测评价有很高的参考价值。 但是，目前对于这些宝贵资料的管理大多数是采取以纸质介质( 表格、文字、图纸等) 存档管理 的方式，不仅不利于资料的长期保存，而且不具备方便的查询检索、可视化的实时浏览功能，大量 的信息无法联系结合起来，信息的传递、共享和再利用受到极大限制，可以说，堆积如山的丰硕果 实成了一堆废品。 而随着社会的发展，我国的高速公路建设还将在今后很长一段时间内继续进行，这其中工程人 员要解决的问题包括老路的拓宽，已建高速公路的沉降观测，相近地质条件下路基处理等等，都涉 及原有勘察资料应用、分析。如果在处理这类问题的时候能够充分利用已有的资料则能大量节约 资源，提高预测分析的精确度。 相对于其他工程而言，岩土工程具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩士体性质把握的 不准确性，始终需要在工程的勘察、设计和施工过程中获取各种各样的信息和数据，更需要对这些数 量大、种类多的信息和数据进行快速处理，及时反馈，优化设计，指导施工”。但目前勘察资料过于地 质化勘察、设计常常是分散工作：各专业设计系统间封闭，资料信息交流多采用书面形式。基本 没有实现数据互享：数字化地图与数字化设计系统间不够贯通：设计软件不够完善，设计前沿的核 心问题，如方案设计、设计中的综合评价等经验性丁作。现在开发的软件远不能胜任。可以看出， 目前岩士工程中最主要问题是勘察与设计分离、设计软件功能不够完善。所以岩士f 程对积累的 大量的数据资料和信息的数字化、定量化以及智能化的要求日盏提高。 因此，如何对现有的或可收集到的工程勘察资料进行科学管理，总结分析已有的实测资料，并 在此基础上进一步开发应用，为以后设计，施工提供指导和参考，提高工程的管理水平和决策水平， 已经越来越成为急需解决的课题。 随着计算机技术的飞速发展，g i s 在技术上日趋成熟，为岩土t 程信息化和可视化奠定了检视基 础。我国g i s 的研究和应用已进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模 的组织机构、研究中心和实验室。大量的国际g i s 平台软件也己涌入国内市场，如a r c i n f o i w a p i n f o 、 a r c v i e w 等，近几年国内也相应产生了不少g i s 软件平台，如- t a p g i s 、s u p e r m a p 2 0 0 0 等。g i s 作为处 理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统，已经可以作为足够的技 术支持应用于岩土工程。 1 2 研究开发意义 概括来说，借助计算机组建地理信息系统，将工程中具有空间特征的信息进行可视化表达。可 为信息利用者提供直观、清晰、全面的信息表达方式：( 1 ) 增加信息的积累( 2 ) 提高时效性( 3 ) 提 高可操作性( 4 ) 提高信息利用的效率( 5 ) 提高预测准确性。 在高速公路建设中积累的资料无论是其经济价值还是社会价值都是不可估景的，对于今后的交 通：薯建设、土地利用区域地质分析，专题应用研究( 如地震分析、地质灾害评估等) 都将具有十分 重要的意义。 将地理信息系统应用于高速公路建设前期的岩土工程勘察，利用g i s 具有较强的空间位置数据 储存和管理能力的特点，把勘察资料数值化、数据库化，使地理信息系统实现对工程地质资料的输入、 存储以及对工程数据进行可视化综合动态查询、检索等基本功能，增强了地理信息系统专业适用性。 同时增加软基处理的设计、检测数据，如地基处理方式、桩长、桩间距、沉降观测数据等，将地质 勘察数据和软基处理设计、监测数据结合，形成更为全面的地质、施工质量的对比综合查询和显示， 有助于节省劳力，综合统筹。基于工程地质的影响因素定量分析以及软基方式辅助决策系统，为勘 察管理部门、设计部门、质量检测单缔提供科学的结论和更高层次的辅助决策信息，使目前人为定 性决策方法数值化、科学化。 东南大学硕士学位论文 此外，对将来公路的修复、改建以及临近地区的岩土建设工程提供灵活机动的设计、施工参考依据， 避免重复投资浪费。 因此，基于g i s 技术，最大效率的实现这些基础勘察、设计、监测资料的利用和再利用价值将 是一项十分有意义的研究。 1 3 地理信息系统概述 1 3 1 地理信息系统及其应用现状 地理售息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一种为了获取、存储、检索、 分析和显示空间定位数据而建立的计算机话的数据库管理系统( 1 9 9 8 年，美国国家地理信息与分析 中心定义) ”。地理信息系统作为一个专门的科学术语最早出现于1 9 6 8 年，是由t o ml i n s o n 在联 邦科学与工业研究组织一次学术会议提交的一篇题为“区域规划中的地理信息系统”论文中最早提 出。现在，地理信息系统( 简称g i s ) 这一术语已被广为使用。 地理信息系统的发展经历了四个阶段”“”： ( 1 ) 地理信息系统开拓期( 2 0 世纪6 0 年代) 这一时期，注重于空间数据的地学处理。例如，处理人口统计局数据( 如美国人口调奁局建立 的d i 壮) 、资源普查数据( 如加拿大统计局的g l i d s r ) 等。但由于计算机硬件系统功能较弱，限制了软 件技术的发展，软件主要是针对当时的主机和外设开发的。算法粗糙，图形功能有限。 ( 2 ) 地理信息系统巩固发展期( 2 0 世纪7 0 年代) 这一时期注重于空间地理信息的管理。这个时期地理信息系统发展的总体特点是：地理信息系 统在继承6 0 年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在 地理信息系统技术方面未有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构：专家个人的影响削弱， 而政府影响增强。这一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。 ( 3 ) 地理信息系统大发展时期( 2 0 世纪8 0 年代) 这一时期重于空间决策支持分析。地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划 到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学科与领域。美国于1 9 8 7 年成立了国家地理信息与分析中心( n c g i a ) 。英国于1 9 8 7 年成立了地理信息协会。同时，商业性的 咨询公司，软件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务。 ( 4 ) 地理信息系统用户时代( 2 0 世纪9 0 年代现在) 一方面，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由 于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对地理 信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化，地理信息系 统成为确定性的产业。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题。地理信息系统将 发展成为现代社会最基本的服务系统。 由于g i s 是用来管理、分析空间数据的信息系统，所以几乎所有使用空间数据和空间信息的部门 都 - l b a 应用g i s ”。在地质、农业、城市建设、商业、军事等领域得到广泛的应用，且效果良好”。 ( 1 ) 建立基础地学信息库，编制地学图件和系统开发 各发达国家都建立了数字地图数据库，并实现了数字的连续更新，在全国建立修测网络，每年 还对大比例尺数字地图产品提供个新版本。近几年，我国地矿部利用g i s 信息系统对几十年的基础 地质进行地学信息库的建库工作，取得了丰硕成果。 ( 2 ) 地质找矿和矿产资源预测与评价 近年来，g i s 技术在国内外地质找矿中的应用比较广泛。例如德国利用g i s 技术，结合发射的s p o t 卫星用于石油、天然气以及其他矿产资源的勘查，可立体观测地貌。产生高分辨率、高精度的图像。 我国也进行了利用g i s 对成矿预测区进行定性和定量研究，结果表明g 1 8 在成矿预测方面具有如下优 点：( 1 ) 能快速分析成矿有利地段和找矿标志：( 2 ) 能得到人工方法难以划分的地质异常带；( 3 ) g i s 与传统方法相比，可加速数据的分析对比，缩短研究周期；( 4 ) g i s 对各种地学图件和输入的数据，既 可长期保存，又可根据研究者需要，进行增添和修改。 ( 3 ) 国土整治、自然资源管理及区域经济规划 美国地调局最早于1 9 8 4 年组织了4 个应用项目来评价g i s 技术的有效性。结果表明，应用g i s 技术 的确比传统的管理自然资源评价方法先进。我国于1 9 9 0 年利用建立了l ：1 0 0 万比例尺全国国土资源 信息系统和1 ：4 0 0 万比例尺全国。 ( 4 ) 灾害的评估、预测与防治 主要指自然灾害和人为作用所造成灾害影响的评估与防治，利用技术，对灾害进行监测、评 估、预报、抗灾及应急救援，灾害保险、灾后恢复等工作。1 9 9 0 年起我国即建立洪水险情预报系统。 2 第一章绪论 1 9 9 8 年国土资源部进行“地质灾害信息系统及防洪决策支持系统”的开发研究，系统根据地质灾害 信息在空间的分布特征提供人机交互的综合分析处理和计算机编图辅助处理功能，获得区域规划、 灾害防治、管理决策等方面的有用信息。据统计，目前全国各类灾害监测系统的主要站总数达3 84 2 4 个。这些台站为各地区灾情预测和灾害评估发挥了较好的作用。 ( 5 ) 资源调查、环境动态监测、抗震设防区划与防灾规划 1 9 9 5 年，江苏、浙江和上海市利用g i s 技术，研制了“长江三角洲地区遥感卫星动态决策咨询系 统”。应用该系统对长江三角洲地区的土地资源、长江岸线资源、上海市农用地资源、杭州湾海岸 带滩涂资源进行了调查与动态监测，从而为政府部门提供决策咨询服务。我国还利用进行了抗震设 防区规划工作。规划主要利用技术，依据城市现状资料、地震地质资料、工程和水文地质资料、地 形地貌资料、基础资料和图件、抗震防灾规划中的信息及图件编制而成。利用g i s 编制的抗震防灾规 划具有应用方便、资料实时性强和资源共享的特点。 ( 6 ) 水及水文模型研究 水对自然环境和人类活动是至关重要的，无论是地表水还是地下水，都面临着管理问题。利用 可以解决水文模型研究中长期以来存在数量不足和信息量不丰富的问题，推动分布式、半分布式水 文模型的发展，丰富了水文地质研究内容，提高了水文模璎的预报和估算精度。我国于1 9 9 0 年利用 建立了1 ：25 0 0 万比例尺全国水土保持信息系统，并已投入使用。 ( 7 ) 城市建设 利用信息技术来进行城市规划、建设、管理、服务，使高新技术和传统产业相结合、拉动经济。 近几年，国内利用技术在城市建设中取得了一定的成效。例如我国于1 9 9 7 年用g i s 技术开展“城市 地理编码”、“城市基础信息系统分类编码与图形编辑”、“1 ：5 0 0 l ：20 0 0 地形图分类编码” 等研究。1 9 9 8 年，深圳市建立了城市国土规划信息系统，该系统分规划、建筑管理、土地、市政、 基础5 个子系统，目前这些子系统已全部投入使用。且效果较好。 ( 8 ) 综合国情研究 1 9 9 3 年，我国测绘总局利用g i s 建成了“国务院综合国情地理信息系统”，该系统为高层领导 机关建立一个以高新技术为支撑的宏观分析决策系统。到目前为止，一期工程已经完成，并已投入 运行。 ( 9 ) 农作物估产和耕地动态变化 实践表明，g i s 信息系统对农作物的监测、评估准确率高。这种有效的方法已向全国推广。另 外，利用g i s 可帮助分析农作物管理、农田保护和大田农作物因地施肥、科学耕地等。 1 3 2 地理信息系统在岩土工程方面的应用及现状 人类历史进人2 1 世纪后，岩土工程发展迅速。8 0 年代后期以来，随着现代信息技术的高速发 展，计算机及信息管理技术1 在岩土工程领域稚4 n t 广泛的应用。 包惠明等根据国内外在这一领域及相关领域的发展状况及我国目前的实际发展水平，构建了岩 土工程领域的信息技术系统构架如图所示。由图可见基于g i s 技术的岩土工程信息系统在整个信 息技术系统构架中处于核心地位，因此，推动岩土工程信息化的发展，基于g i s 的应用研究是重中 之重。 图i - i 岩土领域信息技术系统构架 瞄j 3 东南大学硕士学位论文 目前g i s 在岩土工程中主要有以下几个方面应用： ( 1 ) 商业化g i s 软件方面的应用 现在市场上流行的g i s 软件很多，主要有e r s i 公司的a r c i n f o 、a r c v i e w 、a r e g i s 、i n t e g r a p h 公司的m g e 、g e o m e d i a 、g e o m e d i a 、w e b m a p 、m a p i n f o 公司的t a p i n f o ，国内有中国地质大学的m a p g i s ， 武汉大学的g e o s t a r ，北京大学的c i t y s t a r 等，并已广泛应用于地质勘察、滑坡、地质灾害分析等 领域。m c g i s 软件是国内应用领域最广的g i s 平台，全国1 ：5 万1 ：2 5 万d 雕数据库系统、全国1 ： 2 0 万数字地质图空间数据库系统、各省级测绘单位：1 ：i 万空间信息数据库系统等基础地理数据库 大多基于此平台，此外也是岩土工程界组建地理信息数据库并应用于专业领域的首选平台。国内g i s 软件在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下取得了重要进展，其中m a p g i s 以其在制图方面的 优势和二次开发的便利，在地下勘察信息系统中应用较多”。 ( 2 ) 数据库管理信息方面应用 g i s 技术成熟标志之一是其数据管理能力，数据显示、查询、更新、维护为数据正常使用与实 时更新提供了保证 早在1 9 7 0 1 9 7 6 年，美国地质调查所就建成了5 0 多个信息系统，作为管理地理、地质和水资 源等领域空间信息的工具。由于b e n o i t 和d ea l b a 两位国家科学基金会创始人( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ，简称n s f ) 在1 9 8 9 年和1 9 9 1 年的两次联名建议，n s f 与联邦高速公路管理处建立 了美国岩土工程试验现场信息系统，该系统是一个基于g i s 的大型数据库，对美国所有岩土工程试 验现场所得的数据进行处理、管理、显示及输出“”。 国内目前在此方面也初有成效，涌现了大量关于勘察信息系统理论、设计及应用的文献，相当 多地区已经或正着手建立当地的岩土工程勘察信息系统“2 ”。如武汉市勘测设计研究院1 9 9 7 年 建成的“武汉市工程勘察信息系统”包括五个功能模块，即资料管理、资料检索、统计分析、图表 输出和信息处理等功能。这些系统能够对勘察数据进行编辑、存储、检索和查询，也能提供一些剖 面图、等值线图等，此外还有“广州市城市勘测信息系统青岛城市地质环境信息系统”等等。 在岩土工程施工监测信息系统方面，国内起步不久，起点较高，以监测信息管理、可视化分析 一体化为目标，有初步应用。刘大安、杨志法等在其提出的“综合地质信息系统的构思”中，将地 质工程监测系统作为其重要组成部分，它由数据库管理系统、可视化查询及分析系统组成，系统功 能结构设计比较完整，目前主要针对边坡工程开发1 。 孙钧主持的“城市地下工程施工安全的智能控制预测与控制及其三维仿真模拟系统研究”，施工 监测与理论预测，分析的可视化也是其重要组成，监测信息系统已有阶段性研究成果，可视化仍在 研究中”1 。李元海，朱合华开发的岩土工程施工监测信息系统主要以隧道与基坑工程施j 二监测为应 用对象，将监测数据库管理、分析与图形可视化功能完整集成“。 ( 3 ) 可视化方面的应用 可视化是数据库管理的进阶应用同时也是进行空间分析、预测和决策的基础。岩土勘察和量测 获得的岩土信息是一些离散的数据，面对这些抽象的岩土信息，对于如何运用这些资料来推断其在 研究区内的发育分布规律，以及如何作出设计、分析、决策可能会让岩土工程师陷入困境。图形图 像是最直观的数据解释，而且岩土工程师习惯于用图件来反映岩十信息，白然会希望利用计算机来 显示结构面等在岩土体中的分布状况。因此，空间地质模型及可视化系统的研究和应用是工程地质 和岩土工程勘察评价领域计算机应用的必然趋势。 1 9 7 0 1 9 7 6 年，美国地质调查所建成的5 0 多个信息系统，使美国早于其他国家迈上了空间信息 可视化管理的道路。1 9 8 9 年美国的f i n n e yl i c h a e la 和b a i nn a n c y r ，就运用g i s 技术来分析滑 坡灾害，主要是利用了g i s 的数据处理、数据管理、绘图输出等基本功能。1 9 9 0 年荷兰i t c 的v a n w e s t e r ncj 和哥伦比亚i g a 的a l z a t eb o n i l l ajb 利用g i s 的空间定位、空间数据库管理以及 数字高程模型( d e m ) ，开发了斜坡稳定性分析模型、山区落石滚落速率计算模型。1 9 9 3 年，美国的 e m i rj o s em a c a r i ，鲫e sm a r t i n 和t h o m a slb r a n d o n 就利用g i s 对西p l l e r t or i c o 地区进行了 砂土液化研究。他们利用a r c i n f o 软件将所有的数据信息处理为多个图层，实现了对该区砂土液 化的可视化管理与分析，为岩土工程师和结构工程0 0 1 f j 的设计以及政府部门的规划提供了科学的依 据。1 9 9 7 年加拿大的t r e v o rjd a v i s 和cp e t e rk e l l e r ，运用g i s 的最新技术模糊分类和虚 拟现实技术，再现斜坡的形态。从而为工程勘察管理及评价提供依据“。 目前对地质数据可视化的表达开始向三维地质可视化模型研究转变，三维可视化模型是当前三 维g i s 、岩士工程、数学地质、石油地质、化探、石油物探、水文地质与工程地质等研究的前沿和 热点，也是快速、及时地再现地质岩十体三维信息及综合分析的有效途径。国内这方面才刚刚起步， 文 2 7 采用d 蹦建立了三维层状地层模型。文 2 8 采用柱体构模方法建立了基于三棱柱体体元的层 状地层模型，文 2 9 3 1 分别采用柱体构模方法、表面构模方法与断面构模方法分别构建了连续岩体、 4 第一章绪论 非连续岩体和倒转褶皱岩体三维模型。文 3 2 ，3 3 采用三维拟合的方法实现岩体结构及结构面的三维 可视化。文 3 4 采用基于体素的不规则三棱柱网( t r i a n g l ep r i s mn e t w o r k ) 空间数据模型对边坡 进行三维体视化。何满潮等人根据非层状岩体的空间几何特征及地质数据的特点，提出适合于非层 状岩体的数据模型采用断面构模技术实现非层状岩体三维构模，开发了三维可视化构模系统，并利 用该系统所提供的构模技术实现了灵宝金矿侵入型岩体三维模型的构建”。 ( 4 ) 空间分析、预测、决策方面的应用 空间分析、预测、决策是地理信息数据库的建立、各种可视化技术的应用最终目的，也是g i s 系统应用的高级阶段。 1 9 8 7 年美国的w e n t l o r t hc a r t hm 和e l l e ns t e p h e no 等，运用g i s 对区域工程地质作了 分析。1 9 8 9 年p e t e rd o u g l a sc 等，用g i s 对工程数据进行分析评价，都取得了良好的效果。1 。 1 9 9 1 年美国的c a m p b e l lr u s s e i lh 等，利用g i s 空间分析功能对滑坡灾害进行空间预测。同年， 意大利的c a r r a r aa 等将研究进一步推向深入，将g i s 空间分析与统计模型相结合，用于滑坡灾害 评价。1 9 9 5 年美国的d a n i e l j m i l l e r 利用g i s 中的d e m 模拟出滑动面位置和形态；利用数字地面 模型( 硎) ，勾绘出山脊与沟谷界线，并辅助于切剖面，从而对深层滑坡灾害进行评价”。1 9 9 6 年， m a r i om e j i an a v a r r o 又运用g i s 及工程数学模型建立了地质灾害及风险评估的决策支持系统 ( d s s ) ，并应用于科罗拉多州的g l e n w o o ds p r i n g 地区1 。 国内岩土工程研究人员在此方面也进行着积极的探索，同时也取得了一定成果。大庆油田设计 院勘察室基础地理信息中心在基于大庆油田基础地理信息系统子系统( t 程地质数据库) 的基础上 开发了拟建场区分析模块，并成功地模拟得出了拟建场区探孔的地层信息”“。目前利用g i s 系统进 行空间分析、预测评价更多集中在与环境岩土工程相关的诸如边坡稳定、场地液化、地质灾害评价 方面。文 3 8 采用4 个基于g i s 栅格数据的边坡稳定三维极限平衡分析模型开发了一个用于边坡稳 定性评价的g i s 扩展模块。该模块可用于复杂边坡的辅助设计及稳定性验算。文 3 9 应用边坡单 元划分方法，对大范围边坡应用三维力学模型进行稳定性评价，采用随机生成假想滑动面并通过一 个基于g i s 的边坡稳定性三维分析模型计算其安全系数的方法，找出具最小安全系数的危险滑动面， 同时求出在试算过程中安全系数小于某临界值结果出现的比率，以此作为指标对研究区域进行危险 度评价。文 4 0 利用边坡稳定的普遍极限平衡法理论和边坡加固后的稳定计算，在组件式g i s 技 术上进行了边坡支护方案优化设计系统的设计与开发，将地理信息、工程技术等有机地融为一体， 完成对公路沿线边坡进行管理、边坡模型进行稳定性评价，并提出相应的治理方案“。余跃心，于 顶成基于地质统计学方法，分析了饱和砂土场地液化势数据结构特征，结果表明k r i g i n g 方法适用 于砂土场地液化势及其它岩土参数的空间估值”“。南京大学地球环境计算工程研究所( a c e i ) 张凌、 施斌等运用桌面g i s 系统m a p l n f o 对苏北某高速公路地段进行了液化分析得出了各种程度的液化危 害性分布图，并进行了叠加和缓冲等空间分析验证了分析模型的适_ 1 1 j 性”“。胡成、陈植华等采用模 糊层次综合预测法建立了岩溶塌陷模型，并通过接口程序与g i s 技术有机结合，对桂林西城区岩溶 塌陷进行了定量评价”。 综合国内外的应用实践，可以看出，在岩土工程g i s 应用研究方面，国内与国外还是存在着一 定差距，主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 国外( 尤其发达国家如美国) 的研究领域十分广泛和系统，包括区域工程地质、工程勘察，滑 坡、砂土液化、地质灾害总体评价、放射性核废料处置等各个方面，尤其在滑坡方面，研究十分全 面和深入。国内在工程勘察有初步研究，更多集中于地质灾害研究，其它如江岸稳定性评价等方面， 涉及较少，至于核废料处置等前沿课题方面几乎空白。可见，国内研究领域较窄，亟待拓展。 ( 2 ) 从2 0 世纪7 0 年代至今，国外g i s 技术的应用已从简单的数据处理、图形输出，发展到空间分 析、d e m 、d t m 的使用，g i s 与有关专业扩展模型( 如统计模型，力学模型等) 的结合，g i s 与d s s 的集成，乃至g i s 虚拟现实技术的运用，研究的深度一步步加深。而国内g i s 应用研究在9 0 年代 以后才逐渐开展起来，在与专业扩展模型结合，与其它高新技术集成方面，还很欠缺，尚需进一步 的发展与提高。 1 4 开发研究内容 g i s 下的高速公路软土地基分析系统，由于地基处理方案、设计调整有其行业的习惯和特殊性， 与一般g i s 系统相比有很多不同之处，为使研究具有更强的针对性和行业适用性，本文在系统构建 时充分考虑了行业需求。本文主要从以下几个方面展开： ( 1 ) 软土地基分析的需求分析 该部分从行业特点出发，主要从数据需求、用户群需求、功能需求、用户界面需求等方面对基 于g i s 的公路软基分析系统进行基础性的分析与研究。为系统体系结构、功能设计作准备。 5 奎塑奎兰堡主兰竺堡苎 ( 2 ) 基于g i s 的软基分析系统体系结构设计 在充分了解系统需求的基础上，根据系统的需求分析，设计适含岩土软基分析的系统开发软件 选型方案，进而研究系统体系结构，考虑从数据管理层、中间技术层和应用服务层构建。确定系统 的主要功能划分以及各子系统间的逻辑关系 ( 3 ) 系统数据库的建立 数据库是系统实现的关键基础。首先完成系统数据库组织设计，在充分了解用于软基处理分析 的数据来源和现有数据结构的基础上，以关系型数据库a c c e s s 为平台，建立适合系统需求的数据库： 探讨g i s 空间数据库的建立及数据存储和访问等技术，研究系统空间数据和属性数据问的存储与访 向形式。 ( 4 ) 系统功能的开发和系统的介绍 首先研究确定系统的研发技术路线及运行开发环境，并在考虑行业对数据操作要求的基础上， 结合g i s 的信息显示、查询、统计、输出和专题图等分析功能的设计对系统各功能模块进行开发 实现。将各模块进行系统集成。并介绍已开发系统的各个功能、界面及操作。 ( 5 ) 系统的工程应用 以沿江高速公路常熟段为例。利用系统对其软土的主要性质进行初步统计分析研究 6 第二章系统分折 第二章系统分析 沿江高速软基分析g i s 支持系统开发的内容主要包括：( 1 ) 建立沿江高速软土地基分析 数据库；( 2 ) 结合地基处理分析的需要，发挥g i s 的特点，实现系统的基本功能( 如文件的载 入、地图操作、基本查询、输出等等) ：( 3 ) 利用开发平台的开发集成功能，将与高速公路 地基处理分析有关数据库、自定义查询统计功能以及专题图分析进行模块化开发并进行系统 集成，使得在同一个集成环境中，可以发挥各个模块的功能。 2 1 系统数据库分析 2 1 1 软土地基分析数据库的功能及特点 数据库是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。数据库与传统的文件系 统有许多明显的差别，其中主要的有两点：一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了数 据共事，减少了数据冗余，提高了数据的效益 二是在数据间建立了联系，从而使数据库能 反映出现实世界中信息的联系，这也是数据库与