GIS在岩土工程中的前景叶梦杰

GIS在岩土工程中的前景叶梦杰

叶梦杰1郑锐2刘招3

中交第四航务工程勘察设计院有限公司广州510220

摘要：本文主要论述在岩土工程某些领域，提出用GIS来处理这类问题。包括文物古迹的三维虚拟现实模拟、工程进度的监控、地质灾害的数字化、工程勘察的信息管理等四个方面。最后阐述了GIS在岩土工程中的趋势。

关键词：GIS，岩土工程，三维数字模拟，数字地质

Abstract：Thispapermainlydiscussesaboutsomeareasofgeotechnicalengineering，andputtingforwardusingGIStodealwiththiskindofproblem.Including3Dvirtualrealitysimulationofculturalrelics，theprogressofmonitoring，geologicaldisastersofdigitization，andinformationmanagementofengineeringsurvey.FinallypaperelaboratedthetrendofGISinthegeotechnicalengineering.

Keyword：GIS，geotechnicalengineering，three-dimensionaldigitalsimulation，digitalgeology

1、引言

岩土工程在我们的日常生活中随处可见，高楼大厦的拔地而起，四通八达的高速公路交通网，矿山的开采。随着高科技的迅速发展，地理信息系统（简称GIS）给岩土工程行业带来了新的技术突破。地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）作为采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统，自从20世纪60年代诞生至今，在理论研究、产品开发和应用方面都取得了令人瞩目的伟大成就。随着计算机技术和软件技术的飞速，特别是Internet的出现，GIS无论是操作平台还是软件操作系统，都紧跟这个时代的潮流往前发展[1]。

2、地理信息系统的概述

地理信息系统是以采集，存储，管理，分析，显示和应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的计算机系统，是分析和海量处理数据的通用技术，是集计算机科学，空间科学，地学，环境科学，管理科学与一体的多学科交叉科学，是未来全球高速公路的组成部分[2]。GIS作为一门新型技术，自1963年加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出以来，以其管理空间信息的独特优越性，已经广泛应用于林业、水利水电、资源开发与管理、城市规、交通、岩土工程等各行各业。美国劳工部在2004年初已经将地球空间信息和纳米、生物等技术一起列为正在发展中和最具前途的三大重要高新技术[3]。我国的地理信息系统起步较晚，但发展较快。已有不少的科研工作者为此进行过尝试和研究，并取得了不少成果。

3、GIS在岩土工程的应用

目前，地理信息系统的应用遍及林业、资源利用、环境保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、交通、政府管理等众多领域，取得了良好的经济效益和社会效益。本文提出GIS在岩土工程以下四个领域的应用：○1数字文化遗产、○2工程进度的监控、○3地质灾害的数字化、○4工程勘察信息管理。

3.1文化遗产的三维虚拟现实模拟

中国是一个有着悠久历史的文化大国，历史文化遗产（包括古代文物，古建筑）是人类智慧与文明的结晶。随着时间、人为的破坏，越来越多的文化遗产正在逐渐的消逝，这个问题已经引起了国家文物局部门的高度重视。

目前传统非物质文化遗产的保护方法只善于二维保存，采集图片的主要手段是利用相机、录像等图像设备，当主体物过大时我们很难拍到完整的画面，而且看到的都是平面图形，缺乏沉浸感。这不仅需要投入大量的人力，而且资料的准确性和整体性受各种因素的影响。目前人们对于古建筑的保护采用的技术一般就是工程病害治理，如灌浆，锚固等工程治理手段。这样做在一定程度上可以到达减缓文物的破坏速度，但不能完全地使文物不受到环境的侵蚀，终有一天，我们的祖先留下来的文物古迹和文化失去了原来的面貌，直至消失殆尽！所以，急需一种新的方法来记录我们祖先留下来的优秀成果。

利用现代空间信息技术，建立数字文化遗产，已成为国际上对文化遗产保护的热点。国内外已建成或正在建设的数字文化遗产项目有：故宫博物院网站、虚拟故宫历史博物馆、数字敦煌、数字三峡、美国纽约摩天大楼网上博物馆、法国虚拟卢浮宫等。

国内外已有一些学者对建立三维虚拟的文物遗迹进行过尝试，例如，利用三维虚拟模拟技术打造的南昌汉代海昏候国遗址博物馆，墓穴里面的每一个细节画面都栩栩如生地呈现在眼前，让人身临其境，里面的每一堵墙，每一件文物都是那么的逼真，让观众不用到遗址现场在家带上虚拟现实眼镜就能触摸到厚重的历史。

图1南昌汉代海昏侯国遗址博物馆

3.2工程进度的监控

在大中型工程项目建设中，对施工进度进行科学控制，是实现建设工期目标的重要措施。而水利水电工程，影响施工进度因素很多，这些影响因素什么时候出现，以及这些影响因素对施工进度的影响程度等均是不确定的、随机的。这些因素可概括为客观的不确定因素和主观认识上的偏差两个方面。这种不确定性形成的风险，有时会给工程建设带来巨大的损失[4]。

一般来说，一个项目都以一个相同的操作流程。比如房建项目，分地下地基部分和地上结构部分。地下地基部分又可以再分为基坑开挖部分，基坑支护部分，地上结构部分可以分为脚手架安装拆卸工程、模板安装拆卸工程、钢筋架设工程、混凝土浇筑工程、砌体工程、水电安装工程、室内装修工程，每个部分都有一个单独的费用，遇到不同的项目或地区可以乘上一个系数，按照这个划分方法继续分下去的话，基本上可以确定到一个工程的每一个细小环节，将这些部分进行不同的组合又合成得到新的项目。同样可以建立一个专门应用在房建项目的GIS操作平台。这样就将一个项目建成一个可以分解为若干个分项工程的三维模型，每个子项目都是相互独立的。

3.3地质灾害的数字化

滑坡是一个受外界环境影响的在一定的空间和时间发生的一种灾害。在空间范围内，利用GIS可以观察到潜在滑坡的形态，而且研究者在GIS数字地质灾害平台上就可以看出分析大致滑坡边界，这比以往的派人出去实地考察相比节省了时间和体力，尤其是在那些人力爬涉比较困难的地区，地形地貌的数字化这时候就显的尤为重要了。另一个优点是可以从不同的空间和尺度来分析周围环境的对滑坡发生的影响力，大概的得到滑坡发生的概率以及发生后的灾害范围，以便及早预警。还可以快速的统计出滑坡与滑坡群的数量关系，以便建立全国范围内的地质滑坡灾害数据库。

1989年美国的FinneyM-ichaelA和BainNancyR，就运用GIS技术来分析滑坡灾害。主要是利用GIS的数据处理、数据管理、绘图输出等基本功能，至于空间分析功能，几乎没有要求。1995年美国的DanielJMiller利用GIS中的DEM，模拟出滑动面位置和形态；利用数字地面模型（DTM），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。1996年美国的MARIOMEJIANAVARRO运用GIS及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统，并应用在科罗拉多州的GlenwoodSpring地区[5]。

图2滑坡地质灾害模型

三维空间分析主要包括空间实体的体积、表面积、坡度、坡向计算，三维实体的属性叠加分析（oveday）、实体缓冲区分析（buffer）以及实体空间拓扑分析等。空间实体的体积是分析评价地面塌陷和崩塌、滑坡、泥石流（崩、滑、流）等山地地质灾害的发生规模与危害范围的一个重要因素，坡度、坡向等对于崩、滑、流山地地质灾害和地裂缝等的预测具有一定的意义[6]。

利用GIS空间分析技术可以对不同类型地质灾害的发生机理、发展过程和未来发展趋势进行三维模拟分析评价，对地质灾害的成灾机制、破坏方式和灾情进行评估，建立地质灾害综合评价分析系统，为有效预防灾害的发生和减轻灾害损失提供有力的技术手段。

3.4工程勘察的信息管理

目前大多数勘察单位都是负责自己范围内工程勘察，各单位之间的联系不多甚至还形成了恶性竞争，这给全国整体区域的地质信息的传播造成了交流不畅，同时反复的勘察浪费了大量的人力和财力。对此，统一整合各地区的勘察信息就势在必行，不可阻挡。建成全国工程勘察数据库后，还需要解决的一个难题就是资料的保密工作，这涉及到国家的安全及利益，所以必须实名登记后才能登陆客户端进行资料的下载。

以前的勘察资料的弊病主要有以下几个：

（1）勘察与设计脱节：不便于设计者快速采用勘察数据，由于数字数字地图中的某个技术还没有突破，造成与CAD画图软件之间的接口不匹配，设计师很难理解勘察师的勘查信息。

（2）重复勘察造成投入的浪费：甲、已两不同勘察单位在丙地区进行房建项目场地勘察，造成丙地区前后重复勘察了两次，浪费了人力财力。GIS可以将丙地区的房建勘查项目的勘察资料进行统一管理，各单位只需要凭身份登录进去就可以下载勘察资料。

（3）勘察效率低下：以前的勘察数据不共享，勘察周期长，数据流通速度慢。勘察信息数据库可以使用现代Internet专用网上迅速流通，作业速度快，能缩短勘察设计周期，使得勘察资料一致，整洁，质量高。

值得注意的是勘察信息数据库实现了勘察结果的三维显示、模拟和结果输出。实现三维地层的屏幕立体显示，按比例放大、缩小、转动。对中间结果和最终结果也可以屏幕显示，另外可从各角度进行地层剖面，输出剖面图以及等值线图等。这使得地质资料更加易懂，设计者拿到勘察资料后能够快速上手。

图3勘察信息数据库的结构图

要真正实现勘察设计一体化，首先是要解决政策问题，其次是要解决一体化的技术问题。前者是由有关政府部门制订，由于涉及到单位内部、单位间和部门间的利益，需要做好细致的协调工作。后者是技术措施，应该由浅入深，分阶段来完成[7]。

4、GIS在岩土工程的发展趋势

未来的岩土工程必将越来越复杂，涉及到环境科学，环境化学，地球物理，是一门多学科交叉的学科，这就需要提出更新的技术来解决这些问题。近年来，地理信息系统（GIS）发展迅速，为岩土工程的一些问题提供了解决问题的新手段，其中二维的地理信息系统发展较为成熟，而岩土体的三维的，因此，研究三维的地理信息系统在岩土工程中的应用是必要的。目前阻碍GIS在岩土工程中发展的原因是建模困难，因为岩土体的是三维的地质体，这个地质体是不规则的，非均一的几何复杂块体。但无论如何，GIS给岩土工程带来了极大的方便，扩大了研究者的视野，因此GIS在岩土体中的应用是大势所趋，是科技的进步。

5结论

（1）结合地理信息系统（GIS）的三维地层信息系统（3DSIS）的开发应用，必将带来岩土工程的信息化，为岩土工程提供了巨大的便利。

（2）GIS为岩土工程提供了三维的数据，三维显示和三维的空间分析，这必将扩大研究者的视野，为下游专业带来了极大的方便，这势必会推动岩土工程的快速发展。

（3）GIS是在各项野外调查资料的基础上建立起来的数据库。若能将各项调查资料整合为一个地区的综合性技术成果，这会使之前的调查的各项技术成果增值。因此，将传统的方法与GIS结合起来，在岩土领域必将具有广阔的前景。

参考文献：

[1]郭明.GIS在岩土工程领域中的应用[J].西部探矿工程.

[2]张超.地理信息系统[M].北京：高等教育出版社，1995.11-23

[3]GewinV.MappingOpportunities[J].Nature，2004，427：376-377

[4]王卓甫.工程进度风险研究

[5]沈芳.黄润秋.地理信息系统与环境评价[J]006-4362（2000）01-0006-05

[6]李魁星.李铁锋.三维地理信息系统及其在地质灾害研究中的应用前景[J].地质评论

[7]包惠明.胡长顺.GIS支持下岩土工程勘察设计一体化[J].水文地质工程地质1000-3665（2002）02-0074-03