GIS在鐵路工程勘察中的應用綜述

徐黎明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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GIS在鐵路工程勘察中的應用綜述

徐黎明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

GIS技術以其特有的功能已廣泛應用于社會各個領域，其中包括鐵路工程勘察領域。分析GIS技術在鐵路工程勘察中的應用現狀，闡述鐵路工程勘察GIS系統的作用、存在的問題以及將來的發展趨勢。

鐵路工程勘察GIS

目前我國鐵路運營里程已突破11.2萬km，其中高鐵運營里程已達到1.9萬km，位居世界第一?！熬┙蚣絽f調發展”、“一帶一路”等戰略的提出也必將帶動鐵路建設的空前發展。在鐵路勘察設計過程中獲得的工程地質勘察資料是非常寶貴的信息資源，這些成果不僅對當時的鐵路建設起到指導設計施工的重要作用，而且還可以供附近線路及巖土工程建設參考利用，所以這些勘察成果也具有很高的重復利用價值[1]。然而，勘察資料的獲取、整理與存檔大多按傳統模式進行，不同單位、不同工程、不同階段的勘察成果均是以文字報告、電子文件等方式孤立的存儲，很難實現勘察資料的高效重復利用、信息資源共享和綜合分析應用[2，3]，嚴重影響利用率。GIS(地理信息系統)憑借其特有的輸入、存儲、查詢、分析和可視化功能，能快速有效的進行數據查詢、統計分析，將GIS引入到鐵路工程地質勘察領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、計算機、遙感、空間信息、數學等多個學科融為一體的新興學科，并且已經發展為一門新興的產業并應用到當今社會的各大領域，其中包括海洋氣象、農林牧業、遙感測繪、環境保護、地質災害、土地管理、地質礦產、城市規劃及國防建設等[4]。GIS是一個以計算機為載體，以信息數據庫為基礎，采用模型分析方法為信息研究和決策服務的技術系統，具有以下幾項基本功能[5]。

(1)數據的輸入與編輯：GIS的這個功能主要用于采集數據，就是將需要統計分析和存儲的數據輸入到GIS系統中作為信息數據庫。輸入之后并不是一成不變的信息數據，可以根據實際情況隨時編輯修改。

(2)數據操作：GIS的此項功能主要包括信息數據的格式化及信息數據不同格式之間的相互轉換等。

(3)數據存儲與管理：數據的存儲是建立信息數據庫的關鍵，建立了信息數據庫才能實現GIS的其它功能。

(4)查詢、統計、計算：此項功能是GIS應具備的最基本功能之一。GIS信息數據庫內的數據非常龐大，人工查詢費時費力，很難實現。在GIS系統內可根據需要查詢的數據特征進行條件搜索，快速查詢信息數據，并且可以進行多重條件的統計、計算，此項功能也是GIS系統輔助決策分析的基礎。

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

(6)顯示和輸出：GIS具有可視化功能，可以通過計算機屏幕將信息數據或是成果數據呈現給用戶，也可以通過文字報告、統計表格、平面圖件的方式將成果輸出。

2　勘察領域GIS應用現狀

在GIS技術應用于工程地質勘察領域的研究方面，美國、日本等國外一些發達國家起步較早，在應用的廣度和深度上均比國內要好。20世紀90年代，美國已在水資源及工程勘察領域內建成了80多個GIS系統。Ellen S.D.和Wentworth C. M.在1987年運用GIS技術對區域工程勘察進行分析；Peter D.C.等人于1991年將GIS技術應用于工程勘察信息數據的分析評價；以上國外學者的研究均取得了良好的效果[6]。1994年美國聯邦高速公路管理局(FHWA)與美國國家科學基金會(NSF)聯合建立了美國巖土工程試驗GIS系統，這個GIS系統可以對所有現場的土工試驗數據進行采集、存儲、顯示、輸出和管理，進而為工程地質勘察服務。

國內將GIS應用于工程勘察領域的研究起步較晚，2000年之后國內少數大城市的勘察單位開始將GIS技術應用于工程勘察領域[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。在鐵路工程地質勘察方面，屈曉輝、喬平等人探索了基于GIS的鐵路工程地質數據管理方案[9]。鐵三院開發了鐵路工程地質勘察GIS系統。從整體上看，這些系統在研發與應用方面都尚處于起步階段，多數只能實現部分特定功能，輔助完成一些局部的工作。我國的工程地質勘察GIS系統多停留在科研層面，工程實用還較少，很少用于工程實踐。

3　鐵路工程勘察GIS系統的功能

基于GIS本身具有的特定功能，鐵路工程勘察GIS系統可以實現以下功能。

3.1工程勘察數據的存儲、查詢與管理

數據的存儲、管理、查詢與統計是GIS最基本的功能。同理，工程勘察成果的存儲、查詢與管理也是鐵路工程勘察GIS系統最基本的功能。將工程項目收集到的區域地質資料、氣象資料、地震資料，勘察過程中獲取的鉆孔成果、原位測試成果、土工試驗成果以及最終的勘察報告成果，以文字、表格、圖件等形式輸入到鐵路工程地質勘察GIS系統內。該系統可以將這些成果保存為數據庫進行一體化的管理，操作人員可以在鐵路工程勘察GIS系統內對已輸入的成果繼續編輯，也可以根據自己的需要選擇多種方式(比如按工點、按里程、按編號、按數據屬性等)進行快速的搜索查詢和統計計算，鐵路工程勘察GIS系統可以大大提高勘察成果的重復使用率。

3.2工程地質分析與應用

鐵路工程勘察GIS系統可以輔助工作人員完成鐵路工程勘察的專業分析，可以生成勘探孔平面圖、工程地質柱狀圖、工程地質縱斷面圖、工程地質剖面圖等，還可以生成靜力觸探曲線、動探曲線、波速曲線等原位測試曲線，固結壓縮曲線、直剪試驗曲線等各種土工試驗曲線，輔助完成工程決策。鐵路工程勘察GIS系統可以根據系統數據庫內的工程勘察成果資料自動生成鐵路工程地質勘察報告。

3.3地質建模與可視化分析

目前，工程勘察領域內的專業軟件均是以傳統模式輸出平面圖件，均不具有三維地質建模的功能。GIS技術具有良好的三維可視化功能[10]，鐵路工程勘察GIS系統可以根據系統數據庫內工程地質勘探孔的地層數據和工程地質剖面數據構建三維地質實體模型。系統的此項功能具有交互性，用戶可以根據需要選定特定的勘探孔數據，構建反應工程場地局部地質構造單元和地層結構空間展布特征的三維地質實體模型，并且可以實現三維圖形操作功能，可以對三維地質實體模型進行縮放、旋轉、平移等操作[11]。鐵路工程勘察GIS系統具有三維可視化分析功能，可對構建的三維地質模型進行任意剖切，并對剖切后的三維地質實體進行可視化顯示。在此功能基礎之上可以實現三維仿真模擬，可以在三維地質實體模型上進行開挖路塹、橋梁、房屋基礎等模擬。

3.4成果的生成與輸出

鐵路工程勘察GIS系統可以將查詢統計結果、分析成果以及存儲的勘察資料成果以紙質文件的形式輸出。包括資料圖件的輸出、數據表格的輸出、平面成果圖的輸出和三維地質實體模型成果的輸出。資料成果圖輸出包括區域地質構造圖、工程地質圖、地貌分區圖、水文地質圖、水土侵蝕性分區圖、地震液化分區圖等。報表數據輸出包括各種試驗數據表格、勘探孔一覽表、土工試驗物理力學統計表、承載力計算單和液化判定計算單等。平面成果圖件包括勘探孔平面布置圖，工程地質柱狀圖、斷面圖、剖面圖等。三維地質實體模型輸出就是對三維地質模型靜態效果圖進行輸出，包括根據需要進行剖切后的地質模型輸出。

4　GIS應用于鐵路工程勘察存在的問題

4.1操作人員的GIS技術水平不高

目前，工程勘察領域的專業技術人員中多數對于GIS技術的了解并不深入，技術水平相對薄弱。GIS在鐵路工程勘察領域內要取得良好的應用效果，需要操作人員既要有扎實的工程地質專業基礎，又要能熟練運用GIS技術，只有這樣才能在鐵路工程勘察領域內充分利用好GIS技術，這也是GIS技術在工程勘察領域內推廣普及的瓶頸。因此，加強技術人員的GIS技術培訓，提高操作人員的GIS技術水平非常重要。

4.2數據質量

鐵路工程勘察GIS系統具查詢統計及工程地質分析功能，但是計算機系統畢竟不如人腦，它不能綜合考慮相關因素，它的分析只根據系統獲取的內部數據，所以該系統工程地質分析質量的好壞直接取決于數據庫內數據質量的好壞，比如數據質量較差、誤差較大或是缺乏數據均會影響最終分析結果。同一場地的綜合勘察數據有可能采取鉆探、觸探、挖探等不同的勘探方式，扁鏟、旁壓等不同的原位測試方法，存儲的格式也不盡相同，這些都有可能影響數據管理的效率和數據結果分析的準確性。

4.3數據的閉塞性

數據的共享是提高數據重復利用率的關鍵，鐵路工程勘察GIS系統建立的最主要目的是實現勘察資料的高效重復率用和共享。目前，不僅鐵路工程勘察GIS系統也包括其他勘察GIS系統最大的缺陷就是數據的共享不足。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系統之間不能實現數據的交換。原因在于不同的勘察GIS系統可能采取不同的數據整理方式、不同格式的數據源、不同的存儲格式等，沒有統一的標準，因此造成各個系統之間、各個環節之間比較封閉，不能實現數據的交換合作，也就不能實現勘察信息的共享，使得GIS系統不能發揮其最大的功效，這注定阻礙了鐵道工程勘察GIS系統的廣泛普及。

4.4GIS技術本身的缺陷

目前我國勘察領域GIS技術的發展尚不完善，處于發展的初級階段，很多勘察專業領域內的問題依賴GIS技術尚不能解決，比如相對復雜地質體的三維建模及其處理分析等。GIS技術本身的缺陷也限制了GIS技術所能發揮的最大功效，其本身還需要一個完善的過程。

5　鐵路工程勘察GIS系統發展趨勢

5.1與專家系統相結合

如前所述，鐵路工程勘察GIS系統的分析功能僅依靠其系統數據庫內的數據，它的分析是機械的。然而工程地質條件是復雜多變的，更多的情況需要依靠工程經驗綜合考慮，所以需要與專家系統相結合，運用專家學者的工程經驗和專業知識來幫助GIS系統進一步提高工程分析結果的可靠性與準確性，進而促進鐵路工程勘察GIS系統的發展。

5.2實現數據共享

在將來發展中，GIS系統需要建立一個標準的數據模式來實現所有勘察信息資源的共享，以促進勘察信息資源的利用率。

5.3更好的數據處理能力

鐵路工程勘察GIS系統具有可視化分析功能，但是目前GIS系統大多應用于數據查詢和數據存儲管理，數據處理更多的應用于平面圖形的分析與處理，三維地質實體模型的空間分析功能有限，比如多期構造形成的復雜地質體的實體模型尚無法構建。隨著GIS技術的不斷發展，建立面向多維度、多元化數據處理的鐵路工程勘察GIS系統是必然的趨勢。目前，鐵路工程三維協同設計、鐵路工程BIM技術的發展使得傳統的工程勘察成果模式已不能滿足要求，基于GIS技術的鐵路工程勘察成果與鐵路工程BIM技術、三維協同設計相結合將是未來發展的必然趨勢。

[1]喬平.基于GIS的鐵路工程地質數據管理方案[J].鐵道工程學報，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設計研究[J].防災減災工程學報，2011(2)：207-232

[3]宋桂榮.GIS地理信息系統在巖土工程中的應用研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2012

[4]包世泰.基于GIS的地質勘察信息模型研究及其應用[D].北京：中國科學院研究生院，2004

[5]劉勇.基于GIS技術的工程地質資料管理系統的開發與應用-以云萬高速公路為例[D].成都：西南交通大學，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的構建與開發[J].四川大學學報：工程科學版，2007(S)：163-167

[9]屈曉輝，喬平，等.工程地質勘察信息資源研究與應用[R].天津：鐵道第三勘察設計院，2006

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

[11]蘇林.鐵路線路三維設計研究與開發[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年畢業于吉林大學地質工程專業，工程師。

1672-7479(2016)02-0046-03

P208； P642

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