（岩土工程专业论文）工程勘察数据的处理及可视化表达.pdf

摘要 摘要 岩土工程勘察是规划选址、工程设计、旌工和咨询的先行环节和技术基础， 是土木工程的重要组成部分。岩土工程勘察成果在很大程度上是以数据的形式来 体现的，工程图件是这些数据的载体，勘察报告中的结论和建议则是对数据处理 与加工后的“产品。和成果。因此，勘察数据是工程建设的宝贵资源。勘察数据 具有多源、多类、多量、多维、多时态等特征，如何方便、合理、快捷地管理数 据、控制数据的流动和进行再加工，挖掘出这些数据体现的岩土工程信息，显然 是岩土工程勘察工作中的一个关键问题。但是，在目前的工程实践中，对数据控 制、冗余数据的处理和数据的可视化表达都存在着较大的问题，在计算机辅助岩 土工程( q 惦e ) 的系统中存在很多需要改进的问题。 本文针对以北京勘察设计研究院“岩土工程专家系统为代表的勘察行业常 用的应用软件在数据传递与处理上欠缺的环节和需要改进的几个问题，讨论了如 何实现从平面图到剖面图的数据传递、如何利用模糊聚类思想提出对琐碎的剖面 数据进行合理的归并和如何利用三维岩土工程信息系统实现三维地质体模型的 可视化表达。本文的研究成果，解决了计算机岩土工程辅助系统中的几个关键性 问题，使系统更加完善和实用。 本文的主要工作有： ( 1 ) 基于岩土工程勘察中的海量数据，提出了“勘察数据流”的概念：数据 流作为软件工程学中的一个重要概念，随着软件技术的发展，其含义己经变得越 来越广泛，而岩土工程勘察实际上也就是对工程数据的采取、传递、处理、解释 和应用的过程，所以我们把这个概念引入到工程勘察中，称之为“勘察数据流一， 更有利于勘察数据的管理和信息挖掘。 ( 2 ) 实现了工程平面图和地质剖面图之间的数据联系，进而规范了工程数据 流的管理和冗余数据的控制，为工程勘察中的数据二次处理提供了思路。 ( 3 ) 利用模糊聚类原理提出了合理化的地层合并方法，并与土工参数统计及 变异系数检验相统一，为工程勘察的基础工作地层划分与归并提供了数学基 础，从而提高了工作的合理性。 ( 4 ) 在二维钻孔数据模糊聚类的基础上，利用城市地质三维软件实现了地质 真三维，不仅能建立地层的三维模型，更能展现地表建筑、地下结构物( 地铁、 隧道等) 和地层地质体之问的相对位置关系，实现了数据的三维可视化的集成耦 合化表达。 关键词工程勘察；数据处理；模糊聚类；三维可视化 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fc i v i le n g i n e e r i n g , g e o t e e h n i e a li n v e s t i g a t i o ni st h e v a n g u 矾a n dt e c h n i c a lb a s i so fl o c a t i o np l a n n i n g , s t r u c t u r ed e s i g n , c o n s t r u c t i o n , a n d c o n s u l t a t i o n a sav a l u a b l ea s s e t , t h en l l n l g l d l 娼d a t af r o mg e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n i s l a r g e l yt h ee x p r e s s i o no fg e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o nr e s u l t s ，w h o s ec a ! 晡e l i s e n g i n e e r i n gd r a w i n g s ，s oc o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n si nt h er e p o r ta t e p r o d u c t s 竹a n d r e s u l t so fd a t ap r o c e s s i n g d a t ai sw i mf e a t u r e ss u c h 鹪m u l t i s o u r c e , m u l t i - c l a s s ， m u c h n e s s , m u l t i d i m e n s i o n a la n dm u l t i - t e m p o r a le r e h o wt om a n a g et h ed a t a c o n v e n i e n t l y , r e a s o n a b l ya n de f f i c i e n t l y , c o n t r o lt h ef l o w i n go fd a t aa n dr e - p r o c e s s t h e s em a s s i v ed a t ai no r d e rt oe x c a v a t et h eg e o t e c h n i c a li n f o r m a t i o nf r o mt h e mi s o b v i o u s l yak e yi s s u eo ft h eg e o t e c h n i e a li n v e s t i g a t i o nw o r k i n g h o w e v e r , t ot h e a c t u a lp r o j e c t , t h e r ei ss t i l lm o r ei s s u e sn e e dt ob ei m p r o v e di nt h es y s t e mo f “c o m p u t e ra i d e df o rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ( c a g e ) ，i n c l u d i n gt h ed a t ac o n t r o l ， r e d u n d a n td a t ap r o c e s s i n ga n dt h ed a t av i s u a l i z a t i o ne x p r e s s i o n b a s e do nt h el a c ko fl i n k sa n ds e v e r a li s s u e sn e e d e dt oi m p r o v ei ng e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o nd a t at r a n s f e ra n dp r o c e s s i n gi n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge x p e r t s y s t e m o fb e i j i n gg e o t e c h n i c a li n s t i t u t e , w h i c hi sr e p r e s e n t a t i v eo fo u t s t a n d i n ga n d c o m m o ns o f t w a r ei n g e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o ni n d u s t r y , s o m eq u e s t i o n s a r e d i s c u s s e d ，s u c ha sh o wt h ed a t ab e i n gt r a n s m i t t e df r o ma l li c h n o g r a p h i cl a y o u tt ot h e s e c t i o np l a n e se m p l o y i n gac o m p u t e rp m g r a r n ，am e t h o do fr e a s o n a b l em e r g i n go f c o m p l e xs i m i l a rs u b s o i l l a y e r ss e c t i o nd a t au s i n gt h ef u z z yc l u s t e r i n g , a n dt h e r e a l i z a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e lv i s u a l i z a t i o nd i s p l a y e d 谢钍l3 d g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m r e s u l t so ft h i ss t u d ys o l v e ds e v e r a lk e y i s s u e so fc o m p u t e ra i d e ds y s t e mo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，m a k i n gt h es y s t e m b e t t e ra n dm o r ep r a c t i c a l t os l i mu p ，t h i ss t u d yh a sd o n et h e s et h i n g s ： ( 1 ) b a s e do ht r e m e n d o u sa m o u n t so fd a t ai ng e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n , t h e c o n c e p to f t h ei n v e s t i g a t i o nd a t af l o w i sp u tf o r w a r d ：a sa ni m p o r t a n tc o n c e p ti nt h e s o f t w a r ee n g i n e e r i n g , t h em e a n i n go ft h ed a t ef l o wh a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r e w i d e s p r e a dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r et e c h n o l o g y , a n di nn a t u r e ，g e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o ni s t h ep r o c e s sc o m p o s e do ft h et a k i n gt r a n s m i s s i o n , p r o c e s s i n g , i n t e r p r e t a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h ed a t a s ot h ec o n c e p tn a m e da s t h ei n v e s t i g a t i o n d a t af l o w i si n t r o d u c e dt oe n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n , w h i c hi sm o r ec o n d u c i v et ot h e e n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o nd a t am a n a g e m e n ta n dm i n i n g ( 2 ) t h em a s sd a t al i n kb e t w e e nt h ei c h n o g r a p h i cl a y o u ta n dt h es e c t i o np l a n e si s a c h i e v e di ng e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n ，t h e r e b yt h em a n a g e m e n ta b o u tt h ee n g i n e e r i n g i l l 北京工业大学工学硕士学位论文 li i l 皇毫置昌昌量量| 置鼍皇鲁篁鲁皇皇皇| 鲁昌鲁墨置量高薯| 胃置_ d a t as t r e a ma n dt h ec o n t r o lo ft h er e d u n d a n c ) rd a t ai sr e g u l a t e d , a to n et i m e , s o m e n o t i o nf o rt h es e c o n d a r yp r o c e s s i n go f t h eg e o t e c h n i c a ld a t ai sp r o v i d e d ( 3 ) mc o n c 印to ff u z z yc l u s t e ri si n t r o d u c e dt op r o p o s eam o r er e a s o n a b l ew a y t om e r g ea n dc l a s s i f yt h es o i lb a s e do nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d o x o so f t h es o i l w h i c hi su n i f o r mw i t ht h e g e o t e c h n i c a lp a r a m e t e r s s t a t i s t i c sa n dt h ev a r i a t i o n c o e f f i c i e n t i ta l s op r o v i d e sam a t h e m a t i c a lb a s i st os t r a t i g r a p h i cc l a s s i f i c a t i o na n d m e r g i n gw h i c hi st h eb a s i sp r o c e s so fg e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n , t h u so n h a n c i n gt h e r a t i o n a l i t y ( 4 ) o nt h eb a s i so ft h ef u z z yc l u s t e r i n ga b o u tt w o - d i m e n s i o n a ld a t a , t h et r u e t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e li sc a r r i e do u tu s i n g3 ds o f t w a r eo f u r b a ng e o l o g y , w h i c hn o t o n l yc a nb u i l dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs t r a r m l ，b u ta l s ot h er e l a t i v e p o s i t i o nb e t w e e nt h es u r f a c eb u i l d i n g s , u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s ( s u b w a y , t u n n e l s ，c t c ) a n dg e o l o g i cb e d yc a r lb es h o w n , a n dt h e3 dv i s u a l i z a t i o no ft h ed a t ei si n t e g r a t e d a n dd i s p l a y e d k e y w o r d sg c o t c c h n i c a li n v e s t i g a t i o n ：d a t ap r o c e s s i n g ：3 dv i s u a l i z a t i o n ； f u z z yc l u s t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 7 , , , - 0 8 ，歹、如 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：送虹导师签名：蚪 日期：堡笙兰! 堑 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着国民经济的蓬勃发展，国家建设的步伐和规模都以前所未有的速度展 开，国家面貌日新月异，大量的工程建设项目使岩土工程勘察活动在深度和广度 上都达到了相当规榭1 2 1 。 岩土工程勘察涉及水利水电、公路、桥梁、铁路、岸坡、市政工程、工民建、 环境岩土等大土木的各个方面，是评价土地资源能力、工程能力最重要的手段之 一，通过地质勘探、工程勘察可以确定地下岩土的分布情况、物理力学指标、地 下水资源等情况，为工程的决策提供最基础的信息资料。很多工程实践 2 , 3 1 - i 正明， 没有高质量的、有效的岩土工程勘察成果与资料分析，就不可能选择最优的设计 和施工方案；而岩土工程条件的变坏，往往是增加造价和延长工期的主要原因。 这些工程的岩土勘察成果资料是十分宝贵的信息资源，它们不仅对过去的规划建 设起到了相当重要的作用，而且有很高的重复利用价值。若能有效管理、综合利 用这一资源，使其由“死厣资料变成“活信息，则无论是对单项工程还是总体 区域规划都有十分重要的意义【4 】。 作为工程建设的“先行官，岩土工程勘察的成果是规划、设计、施工工作 决策依据之一。在这方面，周恩来总理曾强调：“没有勘察，不能设计；没有设 计，不能施工。 【l 】这充分说明岩土工程勘察是国家规划建设的一个重要环节。 国家极为迅速的建设发展使得工程的管理日益需要科学化、信息化。因此，岩土 工程勘察数据的信息系统建设是勘察行业和规划、建设、管理部门的迫切需要， 是现代化发展的必然趋势。 岩土工程勘察信息系统【7 】的建立，对建设项目的区域地质构造研究、区域 规划、土地评估、地震小区划、减灾防灾以及建设项目可行性研究等都具有十分 重要的意义，对提高工程勘察技术水平、完善勘察技术报告、实现勘察报告的电 子信息化也具有积极的推动作用。 随着计算机技术在岩土工程勘察行业中应用的推广和深入，张在明院士眵, 9 1 等人分析了由于勘察行业工作对象、工作规律和工作成果表达方式的特点，认为 在设计行业中普遍应用的计算机辅助设计( c a d ) 对工程勘察和岩土工程并不完 全适用，因此提出了“计算机辅助岩土工程( c a g e - c o m p u t e r a i d e dg e o t e e l m i c a l e n g i n e e r i n g ) 的概念和相应的方法和软件系统。以北京勘察设计研究院“岩土 工程专家系统为代表的勘察行业常用应用软件，在推广应用中不仅实现了计算 北京工业大学工学硕士学位论文 机控制下的数据传递、处理和分析，节约了时问，提高了准确性和工程质量，而 且在客观上实现了更加合理的勘察工作环节的搿生产流程再造一但是，在多年 的实践中，也发现了有关系统中存在的一些带有共性的问题，主要体现在数据传 递与处理方面的欠缺。如何快捷、科学的管理海量工程勘察数据，如何有效地挖 掘数据信息，如何形象的实现地质体的三维可视化表达，这些都是岩土工程勘察 信息系统最为关注的核心问题，也是比较关键的薄弱环节和难点网 1 2 研究对象和研究意义 1 2 1 研究对象 岩土工程勘察和勘察数据是构建岩土工程勘察信息系统的基础，因此有必要 首先着重介绍一下岩土工程勘察和工程勘察数据的特点。 1 2 1 1 岩土工程勘察 岩土工程勘察是一项以多学科理论为指导、采用多种劳动形式进行的技术性 工作。其主要职责是为区域开发、工程建设的规划选址、可行性研究、设计、施 工、竣工验收、运行监测和安全检验以及地质环境的监测、保护与治理等全过程 提供工程地质、水文地质、岩土工程等方面的数据资料，并在此基础上提出经济 合理的地基方案和与设计、施工、运营有关的工程评价和建议【l o l 。 工程勘察是基本建设中的第一道程序，是地下部分设计、施工的主要依据， 其主要任务是探明勘察场区工程地质和水文地质条件，为设计、施工提供必要的 设计参数及地基方案，提出地下水评价与环境保护等方面的意见和建议。为了达 到上述目的，通常要在地面地形地貌调查和浅层地质结构调查的基础上，通过现 场钻探、野外测试( 原位物理力学性质测试) 、室内试验( 土样、水样和岩芯样) 等多项工作后，对勘察的原始成果数据进行综合分析，利用数理统计、解析或数 值分析和工程类比等手段i l o 】，加上工程师的经验，形成“工程判断( e n g i n e e r i n g j u d g m e n t ) 【l l 】。勘察工作要求从点到面，分析了解区域的地质构造、地层结构、 岩土特征、水文地质等详细信息，形成相关技术参数和合理的建议。最后提出以 物理力学参数统计表、地层平面图和文字报告为表述语言的勘察成果。可见，勘 察是一项系统性较强的多种手段综合评价工作。 岩土工程勘察通过在勘察场区设置勘探点，如布置勘探孔、原位测试孔进行 勘探。也可以在场区或者钻孔内实旌不同类型的物理勘探，进行其他类型的原位 测试或取样进行室内试验，获取原始的物理几何、岩土力学和化学组分等特征的 离散数据。原位测试通常有标贯试验( s p t ) 、静力触探( c p t ) 、动力触探( d p t ) 、 第1 章绪论 皇一i i 鼍鼍皇舅量置簟曹毫皇皇基鲁詈鼍置鼍鼍量| 曹量鼍置皇置曩薯量薯蛋鼍 载荷试验( p l t ) 、十字板剪切( v s t ) 和抽( 注) 水试验等，室内试验有土工试 验、岩石试验和水质分析等。勘探孔是具有狭小地表面积和一定深度的柱状三维 空间实体，相当于垂直方向上的多个观测点，具有不同深度的岩土特征分层数据， 即对应着真实的地层，通过制作各类图表表现勘探孔的垂直分层特征以及原位测 试数据和采样室内试验数据，进而反映整个场区地表下的地质状况。 工程勘察通常以工程项目的组织方式分阶段进行，包括可行性研究、初步勘 察、详细勘察和施工勘察四个阶段【l e l 。各阶段勘察内容见表1 1 。 表1 - 1 工程勘察各阶段内容 t a b l e1 - 1t h ec o n t e n t so f g e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o ni n d i f f e r e n tp h a s e s 勘察阶段主要勘察内容 1 ) 调查区域地质构造、地质单元、地形地貌，如断裂、岩溶、区域地震背景 可行性研究及震情，调查不良地质作用； 阶段2 ) 调查第四纪地层的分布及地下水埋藏性状； 3 ) 调查地下矿藏及古文物分布范围。 1 ) 根据选址方案范围( 勘察场区) ，布置一定的勘探孔与测试工作； 2 ) 初步查明场区内地质构造及不良地质作用的具体位置； 初步勘察3 ) 探测场区土的地震效应； 4 ) 地下水性质及含水层的渗透性： 5 ) 收集区域内已有勘察材料( 数据) 及建筑经验。 1 ) 查明建筑位置处岩土层分布及物理力学性质，钻探、取样，进行原位测试； 详细勘察 2 ) 查明建筑位置下是否隐藏不良地质作用、异常层或段次； 3 ) 探明地下水埋深分布，对水样进行水质分析，了解水质的腐蚀性。 1 ) 进行地基验槽，当地层现状与报告不符时，应进行监测工作或补充勘察； 施工勘察2 ) 对基坑的稳定性进行监测； 3 ) 对周边环境不良地质作用进行监测。 根据岩土工程勘察的特点，岩土工程勘察数据主要来自如下工作环节：任务 委托书( 拟建结构特征数据、勘探范围与精度要求等) 、踏勘准备( 包括对临近 已建工程的经验与数据) 、野外勘探作业( 钻孔描述) 、室内试验和内业分析整理 ( 成果数据) 。任务委托书包括拟建工程的编号、名称、性质、规模和位置；踏 勘准备包括搜集到的场地地形地貌、地物等；野外勘探作业包括勘探孔高程、钻 孔记录、原位测试记录等；室内试验包括土工试验、水分析试验等；内业分析整 理包括岩土物理力学指标、地基评价、基础方案、施工建议等。 岩土工程勘察的工作程序见图1 1 【9 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 = 1 岩土工程勘察的工作程序 f i g a - ip r o c e d u r e so f g e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n 岩土工程勘察除了正确反映场地的工程地质条件及其岩土体性状的影响外， 还要结合工程设计、施工条件、地基处理、开挖、支护和降水等工程的具体要求， 进行技术论证和评价，并提出基础、边坡等工程的设计准则和岩土工程施工的指 导性意见，为设计、施工提供依据，服务于工程建设的全过程，而不是只局限于 “打钻、取样、试验、查明工程地质条件、提供工程地质资料的狭小圈子里。 正是因为岩土工程勘察涉及到工程建设的自始至终、方方面面，包含了纵向多工 序的衔接和横向多方面的协调，因此具有很强的系统性。 我国的工程勘察作为一个行业，创始于二十世纪五十年代。在其工作对象、 内容和特点上，与土建各行业相比都有一定的差别。为适应建国后大规模的基础 建设的需要，从上世纪5 0 年代到7 0 年代中期，受原苏联技术体制的影响，我国 工程勘察的行业定位局限于为工程设计和施工提供工程地质和水文地质方面的 基本数据和背景资料，专业产品缺乏对工程特点的针对性，过多地偏重定性评价， 不注重定量分析。二十世纪七十年代以后，行业的深度和广度首先在一些发达国 家发生了深刻的变革。即所谓从“工程勘察向“岩土工程 的转型1 2 】，这其中， 计算机技术越来越深入的加入到岩土工程勘察的管理和分析领域，逐渐形成了岩 土工程勘察信息系统。 从工作程序看，一项岩土工程勘察报告的完成，包含了纵向多工序衔接和横 向多专业的协调。为了在整个工作中得到计算机的帮助，从接受工程项目开始， 即希望纵向环境能方便地为我们提供拟建场区的工程地质和水文地质库存资料， 自动形成勘察纲要；勘察工作开始以后，能够接受和处理来自各专业的不同类型 的数据，形成完整的、可操作的数据文件；报告编写中，则希望计算机软件箱能 提供适当的工程分析软件，进行分析计算，提出优化的地基方案，形成工程图件 第1 章绪论 和报告书；最后在实施中检验修正，并将工程资料储存入库；对横向环境的要求 则是：( 1 ) ：在整个工作过程中，各相关专业能够实时地通过接口提供试验数据 和测试成果数据，作为下一步工作的输入；( 2 ) ：有关的地质地貌、水文地质、 地震工程等专业的信息系统能够提供与本工程有关的区域性资料、科研成果，作 为勘察报告的宏观依据。这样做，显然要求具有相应能力的计算机搿大系统一， 将勘察生产的全过程看成是数据的“采集_ 传递- + 加工- 输出修的过程，文献【8 、 9 、13 中提出将此定义为“计算机辅助岩土工程系统( c a g e c o m p u t e ra i d e d g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) 这样一个概念：它是一个基本上能满足工程勘察和 数据处理要求，在空间上，它可以提供我们几何和物理意义上工作点周围的资料 和知识；在时间上，它可以在接受任务以后，自始至终地辅助我们工作，直至将 最终成果储存在库中，完成一个封闭的循环的计算机集成系统。岩土工程勘察辅 助专家系统的工作流程如图l - 2 所示。经过后来的发展，岩土工程与计算机技术 的结合越来越紧密，进一步提出了“岩土工程专家系统和“三维岩土工程信息 系统一，大大扩充了岩土工程勘察的领域和内涵。 岩土工程勘察工作内容上的三大特性【1 4 】：工作对象的变异性( 岩土体是自然 材料，其工程特性远远比混凝土等人工材料复杂) 、工作成果的不可见性( 土体 埋于地下，其工作性状难以直接观察) 、工作失误的难以弥补性注定了岩土工程 勘察的任何失误，都可能为整个工程带来不可估量的损失。总之，岩土工程勘察 在国家建设的作用是十分巨大的。 1 2 1 2 勘察数据的特点 数据是信息的载体，信息是数据的内涵。要从数据中获取信息，就必须对数 据做出准确的解释，合理的处理、挖掘和表达数据就是为了获取全面详实的信息。 “工欲善其事，必先利其器”，改进和完善数据挖掘处理的方式方法一直是各个 行业研究的重点之一，岩土工程勘察行业也不例外。 岩土工程勘察专业的数据，从类型和结构说，有以下特点： ( 1 ) 因为要储存拟建建筑的特性参数，地形地貌、地层的空间关系和物理 力学参数，以及地基方案与方案实施中的监测结果。数据量大，类型多； ( 2 ) 由于地形、地层和地质构造分布的随机性和复杂性，可能存储的数据 必须保持比较严格的空间拓扑关系，要求数据有较好的图形存储、转换处理和三 维属性更新特点； ( 3 ) 为便于对这些样本数据进行统计分析，随时可整理出需要的区域性资 料和图表，要求勘察数据具有较好的时间性和易于进行特殊属性查询。 综合文献 1 5 、1 6 1 ，可以看出，作为重要的工程资源，工程勘察数据具有多 源、多类、多量、多维、多时态和多主题特征，空间分布具有随机变量特征；原 北京工业大学工学硕士学位论文 始数据不得删改等特征，由此造成了勘察数据传递、控制与处理的复杂性 l 接受任务l 一。i 散物情况数据i 场地条件数据i：附近地层数据l l g i s 资料数据 m - 7 订工g r h l l ll 前期数据处理li平面图输入i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 卜一一一一一 l l 一一一一 l 场地复杂程度判断i承载力估算及基础类型的判断i ，p m w * 日，x h 钻孔深度估算l钻孔布置il 内外业工作量估计l 一一一一一一哺一一一一一一 | 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 l j 敷卜a u u _ j i i- ih 钻髁与凋试甄 钻孔数据l室内试验数据ll 原位测试数据l 据采集作 一一一一一一一一一一l 卜一一一一一一一- l 一一一一一一一一一l 卜一一一一 数据分析并生 勘探孔位置 数据统计计算l 工程地质剖钻孔柱状图 配置图面图生成生成 成工程图表 i i 综合统计表l 一一 工程分析i 工程分析 1 1， ” 。n l 承载力分析ll 沉降分析il 整体稳定性分析ll 场地液化评价 i ihi il l 一一一一一一一一一一一一一一一一一i 卜一一一8 一一一一一一一一一一一 报告与工程图件编辑岩土工程勘察报告 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i i 一一一一一一一一一一一 数据入备份库知识库匆一充知识库扩充、数据弭利用 l 图1 2 系统的工作流程图 f i g 1 - 2w o r k i n gp r o c e d u r eo ft h es y s t e m 现有的工程勘察数据转化为今后工作的资源是工程勘察行业的又一大特点。 对于某一拟建工程而言，过去的工作成果工程所在地区的区域性工程地质、 水文地质和地震工程背景资料以及邻近建筑的勘察资料和建筑经验无疑是十分 重要的资源。在建筑密集，且周围建筑资料比较充分的地区，少打钻孔，甚至不 打钻孔就提出报告也是可能的。因此，掌握工程勘察数据的特点和规律就显得尤 为重要。开发用于储存和利用这些资料的岩土工程勘察信息系统自然会成为集成 第1 章绪论 化体系的组成部分。 岩土工程勘察的数据资料揭示了区域浅层的地层结构、地质异常、工程特征 和地下水分布等丰富的信息，国内对这些地质勘察数据的管理和应用一直缺乏全 面有效的手段，目前科研应用的现状主要有两个层面：工程勘察与数据管理。在 工程勘察层面是以勘察企业、施工单位等为主体，目前主要停留在数据半自动收 集、文字报告的应用水平，其数据的产生、整理和归档是按项目要求进行的，文 字方式存储、单机环境进行制图或编写报告，以致这些信息散落在工程勘察报告 中而未被充分利用，难以实现信息的综合分析应用。 可见，仅仅使用通用的数据库尚难满足岩土工程勘察数据各方面的要求，岩 土工程勘察信息系统的开发利用就显得更加必要了。 1 2 2 研究意义 工程所在地区的区域性工程地质、水文地质和地震工程背景资料以及邻近建 筑的勘察资料和建筑经验无疑是十分重要的信息资源。庞大的、形形色色的数据 的储存及空间拓扑关系的建立是对未来岩土工程勘察提出的更严格的要求。对勘 察数据的处理和三维可视化表达，使得这些数据由“死 资料变成“活”信息， 提高数据的直观可视性和重复利用价值，对于实现工程勘察地学信息资源共享、 支持规划建设的科学决策，完善单项岩土工程勘察，辅助规划设计、旅工管理等 工作，为将来地下空间的深层次开发提供基础数据都有非常重大的现实意义i l 丌。 将工程勘察的原始数据转化为勘察成果本身就是岩土工程勘察行业的一个非常 鲜明的特点。 现状的岩土工程勘察成果是工程勘察纸质报告，并作为设计部门进行设计的 最重要的基础资料，一般包括平面图、剖面图、柱状图和土试图等。但传统方式 生产的纸质工程勘察图最大缺陷就在于很难更新和修编，图上任何一点更改都意 味着重绘全部内容。另一方面，对于纸质地质勘察图而言，一旦数据信息进入地 图固定下来，就不再具有灵活性，再想从中派生出其它图件同样费钱费时费力， 甚至难以办到。所以，传统的手工绘制方法是一项极其烦琐的工作，它不仅工作 效率低，而且耗费大量人力财力，在图件的修改、复制、存储和精度等方面都存 在诸多困难。随着计算机技术的发展，一种以数字储存代替纸质储存，由计算机 进行控制、管理、显示、必要时可输出到纸介质上的岩土工程勘察信息系统正在 逐渐成为各勘察设计单位的信息化系统中的重要组成部分。岩土工程勘察信息系 统已在地质信息管理、国防建设、城市规划、环境管理、资源管理等方面得到了 广泛的应用。 在岩土工程勘察设计中，特别是复杂地区的多方案比选中，其数据信息处理 的复杂程度要求很高。因此，模糊数学、空间数据技术、三维可视化技术等的应 北京工业大学工学硕士学位论文 用已显得越来越必不可少随着可持续发展战略在我国现代化建设中的全面实 施，以及我国地铁、高速铁路、深基坑等大工程的跨越式发展，岩土工程勘察不 仅要求作业时间短、工程花费小等经济效益，而且还要求能有效地与社会和环境 相协调。在这种现代勘察设计思想指导下，除综合考虑地形、地物、地貌、地质 和水文等自然条件外，还必须考量环境影响、国家和地方的规划与政策。所有这 些都是对原有工程勘察的挑战，因此，引入模糊数学、三维空间数据技术等对信 息处理系统的研究，利用模糊数学和三维可视化技术对现有的勘察数据进行挖掘 和处理是十分必要的。 。 岩土工程勘察数据的处理和可视化表达可以提升岩土工程勘察企业生产效 率和市场竞争力、降低社会综合成本，是勘察行业和规划、建设、管理部门的迫 切需要，是近年来岩土工程勘察行业的前沿和热点课题之一，是国家现代化发展 的必然趋势。 文献 1 8 ，1 9 1 提出：除了扎实的专业基本理论和基本知识之外，综合的工程 评价能力、测试试验技术、数值分析技术和计算机应用能力等四个方面都是岩土 工程师应该具备的基本技能，所以本文的选题范围是计算机在工程技术中的应 用，对学科的发展和个人的培养都是有意义的。 1 3 国内外研究历史及现状 计算机的推广应用给整个人类社会中带来了巨大的变化。我国的第二代领导 人邓小平同志在强调发展计算机技术时说过，计算机对人类进步的影响要超过以 蒸汽机发明为标志的工业革命。同样，计算机技术在岩土工程勘察中的应用和推 广也是必然的【l l 。在我国，计算机应用日益普及，并已在工程勘察的技术应用方 面取得了很大成就。如北京市勘察设计研究院在“北京工程地质信息系统 ( b e g t s ) 的研发过程中，分析了岩土工程工作过程和目标的特点，提出了与工 程c a d 相对应的“计算机辅助岩土工程( c a g e ) ”概念，将计算机的开发利用 扩充到工程周围的空间( 利用己有资料) 和工程自始至终的全部时间( 从勘察纲 要到出报告，和最后的数据储存) ，此后该院研制开发的“工程勘察与地基评价 计算机专家系统 实现了c a g e 的理念【7 - 9 ，1 3 , 2 0 - 2 2 1 ；武汉市勘测设计研究院1 9 9 8 年开发了“武汉市工程勘察信息系统 瞄】；成都市勘察测绘研究院2 0 0 0 年开发 了“成都市岩土工程勘察信息系统【2 4 1 ；铁道部第三勘测设计院设计开发了“建 筑岩土工程勘察计算机处理系统 ，使得原位测试、分析评价、基础设计三者有 机地结合起来，提高了勘察设计的质量和速度【2 5 】；北京理正软件设计院也开发了 商业岩土工程地质勘察系列软件1 2 6 1 ，在工程勘察行业占有一定的市场。 在绘制钻孔柱状图和剖面图中，门桂珍、萨贤春等学者以煤层为例，探讨了 地质剖面图的几种绘制方法，利用整体平移法和分层平移法很好地处理了剖面图 第1 章绪论 中断层处理和地层曲线间的形态协调问题 2 7 1 ，温永左、孙永堂等学者利用b a s i c 语言对水文地质剖面图的生成做了探讨网，王德筑、狄卫发等学者提出了利用钻 孔数据库结合c a d 技术以及一些编程语言实现的地质剖面图的自动绘制，同时 也编制了相应软件，功能效率较高，成图快速方便，是一种较为成熟的地质剖面 图的绘制技术嘲，陈兆田针对地层结构的特殊性，对薄夹层、透镜体、尖灭等复 杂地质体的空间分布规律、自动生成方法做了较详细的探讨，并建立了一套行之 有效的水文地质勘察c a d 系统刚 针对国外相关领域的现状和发展情况的比较，可以分成两个方面来分析： 一方面，可能是由于工程师水平、勘察技术标准和对勘察工作理念理解的差 别，欧美的岩土工程工程师们对勘察成果的评估主要依靠所谓“工程判断 ( e n g i n e e r i n gj u d g m e n t ) 一，而不太注重数据的统计。这里，不妨引用两位加拿大 专家的几段话来说明其中的道理( g r e e n ，r & b e e k e r , d ，两人中，后者是该国主 要规范的起草人) ：“可以认为，对于特定场地地层的钻探、土与岩石岩性的认定， 以及由此选取设计参数，实际上并不是一种精确的科学，而是一种艺术。在 很多情况下，在很大程度上需要由经验得到的工程判断( e n g i n e e r i n gj u d g m e n t ) 来解释现场勘察的结果，并获得用于设计的代表性数据。“从来没有规范 对如何从现场勘探数据选定代表性的岩土工程参数做出硬性的规定。也许这样的 规定本身就是不合适的。许多加拿大和美国的岩土工程师反对在规范中规定选择 用于设计的代表性岩土工程参数的做法。一【3 l 】可能是出于这种理解，国外对类似 c a g e 的系统的研发很少见于文献。 我国的情况有很大的不同：首先，有一支庞大的技术队伍在全国各条战线上 从事勘察工作，工程师们的水平参差不齐，需要用一个比较统一的工作流程来保 证勘察工作的完整性；其次，与上述情况相对应的，我国有一个比较刚性的、或 强制性的技术标准体系来衡量勘察成果的质量和正确性；最后，规模巨大的建设 规模和繁重的任务，要求我们有一个效率较高的计算机系统作为工程师们的助 手。这些背景造成了c a g e 在我国的发展取得了较好的进展。据不完全统计， 我国现有工程勘察设计单位万余家，仅北京地区就有上百家甲级勘察单位，尽管 中外在该领域的发展存在上述的差异，鉴于我国的国情和巨大的需求，在当前很 长一段时期，这方面的研究不应该削弱，而应该大大加强。 另一方面，发达国家对工程勘察的数据库的建立和勘察成果的可视化研究则 比较注重。2 0 世纪8 0 年代初期，针对地质勘察和矿藏行业，先后推出了具有三 维地质建模功能的各种软件，勘察数据信息可视化模型和分析系统研究发展较 快，比较有影响的有 3 2 1 ：美国的s u r p a cs o f t w a r ei n t e r n a t i o n a l 公司开发的基于u n i x 的s u r p a e ，在采矿方向和石油物探领域的商业化软件【3 3 , 3 4 1 ；日本大阪土地研究所 结合城市地下开发和施工过程进行了三维信息化研究开发；法国地质大学计算机 系开发的g o c a d ，基于m a l l e t 教授的离散光滑插值( d i s c r e t es m o o t h 北京工业大学工学硕士学位论文 i n t e r p o l a t i o n , d s i ) ，具有强大的交