工程勘察信息数字化采集、管理及综合应用方法与流程

本发明涉及工程勘察信息采集、处理及应用，尤其是涉及工程勘察信息数字化采集、管理及综合应用方法。

背景技术：

岩土工程勘察过程中涉及的信息内容繁多、结构复杂，包括点、线、面空间信息及其之间的拓扑关系，结构化的属性信息和非结构化的照片、素描图等信息；属性信息又涉及大量的文字描述及多时态的地质现象描述，具有多源、多类、多量、多维、多时态和多阶段特征，同时工程勘察数据的每一个应用分析都涉及大量不同类型的数据，数据处理相当复杂。

目前，多数勘察单位仍在沿用传统的野外现场勘察手段，即地质工程师利用地质锤、罗盘、放大镜、照相机等传统作业工具以及经纬仪、水准仪、全站仪、GPS等定位设备，通过连续的野外地质观测和观察（包括钻孔、平硐、现场测试与试验等），把获得的基础地质资料记录在地形图、野外记录本、记录卡片等纸质媒介上。传统的工程勘察数据采集方式决定了其自身必然存在以下问题：1、现场观察点定位与地形图缺乏实时关联，信息化程度低；2、采集的数据往往存在不完整、不规范、不标准现象，且不便保存；3、原始数据记录、整理及数字化工作量大，工作繁琐；4、数据信息基本上处于分散的、非动态的管理状态，碎片化严重，甚至成为事实上的“数据孤岛”，共享性差，后期利用困难，整体工作效率低下。

国内外先后针对区域地质调查、地质灾害调查、地下水资源调查等特定专业领域完成了一些野外地质数据的数字化采集方法研究，并在一定范围内得到应用，但基本上都是针对某一特定目标和某些特定要求而开展的研究工作；在工程地质领域，近几年涌现出一些野外地质信息采集系统（中国专利公开号为：CN201310340991.3）、基于便携式智能设备地质导航与地质测绘方法(中国专利公开号为：CN201510017847.5)、工程地质内外业一体化的信息系统(中国专利公开号为：N201510532049.6)等，但是在应用过程中均存在一些突出的缺陷与不足。主要表现在以下几个方面：1、数据模型不同或不全：工程勘察需要对地质测绘、勘探、物探、试验等信息的综合分析应用；现有的采集系统和方法多侧重于地质测绘、勘探，很少涉及物探、试验的综合分析应用，难以满足工程勘察的基本要求。2、空间数据转换困难繁琐：野外数据采集系统定位导航基于GIS平台和GNSS信息，工程勘察及其上下游则多采用CAD系统进行工程设计，现有数据采集系统不具备简便的GIS与CAD格式转换功能，导致野外数据采集系统与工程设计系统的地图格式转换、地图样式设置以及桌面端和移动端数据的传输、同步操作等均十分不便，且工作量很大，不利于推广应用。3、不能实现不同勘察数据之间的的无缝链接：现有野外数据采集系统采集的数据、物探、室内试验等数据没有与工程勘察数据库进行无缝链接，不能直接为二维制图、三维地质建模、数值模拟计算、岩土工程设计提供标准、规范的工程勘察信息数据支撑，降低了数据的二次利用效率。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种工程勘察信息数字化采集、管理及综合应用方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述工程勘察信息数字化采集、管理及综合应用方法，由桌面管理子系统和移动设备采集子系统联合实现，分别在PC桌面端和PDA移动端完成，整个过程基于同一数据架构、同一数据模型进行；实现步骤如下：

第一步、在室内PC桌面端进行外业勘察现场数据数字化采集的项目准备工作，包括新建项目、导入工程区工作用背景地图、设置坐标系统、编辑勘察信息字典库、分解勘察任务、生成PDA移动端线路文件、同步不同的线路文件到不同的PDA移动端等工作；

第二步、在外业勘察现场，通过PDA移动端打开电脑桌面端形成的线路文件，进行坐标校正；利用GNSS定位导航与背景地图实时关联的功能，定位勘察点或线位置，确认勘察点或线空间信息，录入该勘察点或线的属性信息，或拍摄相关照片；进行GNSS定位、空间属性信息录入的多个循环后，完成整个线路的勘察任务；对于已经录入的勘察点信息，可以随时查看、编辑、更新；

第三步、回到室内，通过所述PC桌面端分别将外业采集的线路勘察数据导入，进行编辑、校核后，进行不同线路勘察数据的汇总；汇总过后的野外勘察数据无缝进入工程勘察数据中心，同时将物探、室内试验数据录入或利用excel导入所述工程勘察数据中心，利用工程勘察数据中心的勘察数据进行批量图件绘制、统计分析、报表输出、三维地质建模、岩土数值模拟计算功能，完成一个完整的数字工程勘察过程。

所述桌面管理子系统由项目管理模块、第一地图管理模块、第一坐标系统模块、第一线路管理模块、第一数据管理模块、数据接口模块、数据应用模块、系统管理模块构成；

所述项目管理模块：用于进行工程勘察项目及其基本信息的构建和编辑，包括：新建项目、打开项目、删除项目、项目基本信息管理功能；项目的基本信息包括：项目名称、设计阶段、项目成员信息以及该项目所涉及到的地层岩组信息；所述新建项目输入的地层岩组信息自动添加到地层代号的字典库，方便野外数据采集使用；

所述第一地图管理模块：用于对项目工作用背景地图进行管理，所述工作用背景地图包括矢量地形图、地质图，影像地形图、地质图、卫星遥感图像；对于CAD格式的矢量图件，另存为dxf格式后，经过系统设计的二元要素类映射池技术转换成shp格式，形成背景地图的矢量图层；对于shp格式的矢量图层，直接导入系统，追加为背景地图的新的矢量图层；对于影像图件是指JPG、PNG格式，经过系统的影像坐标配准功能后，形成带坐标信息的TIFF格式图件，导入系统后，形成背景地图中的影像图层；背景地图中，矢量图层和影像图层叠加使用；

所述第一坐标系统模块：依据所述背景地图的坐标系统进行指定，系统支持地理坐标系和投影坐标系；

所述第一线路管理模块，包括三项功能：

a、任务分解：根据勘察人员分组情况对勘察任务进行分解，根据每个勘察小组的任务、工作区域不同，将所述背景地图分配给不同的小组，形成不同的线路文件系统，所述线路文件系统包括背景地图、预采集图层及其数据库文件，每个项目有多条线路；

b、数据同步：用于所述桌面端和移动端数据文件之间的快速的数据交换；

c、数据汇总：将不同线路采集的勘察数据汇总到统一的数据库，为数据的后期管理应用提供方便；

所述数据接口模块：用于将外业采集的勘察数据、物探数据、室内试验数据无缝连接到所述工程勘察数据中心，永久保存勘察原始数据；外业采集的勘察数据采用从数据库到数据库的方法，物探解译数据和室内试验数据采用excel导入的方法；系统同时提供将各类勘察数据输出成excel文件的功能；

所述数据应用模块：勘察数据库在勘察过程中已经完成，数据应用模块基于数据库，即所述工程勘察数据中心进行，集中应用在四个方面：

a、图件绘制，批量自动生成实际材料图，包括地质平面图、钻孔柱状图、综合地层柱状图，以及探洞、探坑、探槽展示图、洛阳铲柱状图、地质剖面图、节理统计的玫瑰花图、极点图和赤平投影图；所有图件可以一键转换为下游专业需要的CAD格式；

b、统计分析：包括勘察工作量统计，节理信息统计，地层岩性厚度统计、风化卸荷程度统计，标贯、动探、压水、注水等现场测试与试验的指标统计；节理统计时，将节理统计点的节理信息进行单独统计，或将节理统计点、探硐、探井的节理信息组合统计；

c、报表输出：输出野外记录报告、岩土水送样单、表单输出；野外记录报告含有勘察工作量、勘察点的详细信息，并将照片、素描图插入相应的位置；

d、三维地质建模：所述工程勘察数据中心的数据直接服务于三维地质建模平台ItasCAD，根据采集的工程勘察数据自动构建可视化三维地质模型，实时查询各模型的地质属性，为三维协同设计的实现奠定基础；

e、数值模拟计算：解析数值模拟软件计算需求的数据格式，从所述工程勘察数据中心输出数值模拟计算所需的勘察数据格式，直接参与计算，为地质分析评价提供依据；

所述系统管理模块：包括符号库、勘察信息字典库的编辑；所述勘察信息字典库用于方便野外PDA数据录入、规范数据录入而预设的采集信息中常用的、相对固定的属性描述内容；外业数据采集前，针对所要勘察工程的资料，编辑针对性强的勘察信息字典库，数据同步线路文件时，勘察信息字典库随线路文件进入移动采集设备，勘察信字典库的利用明显提高野外数据采集录入的效率和标准化程度，保证信息录入不遗漏；

所述移动设备采集子系统由第二线路管理模块、第二地图管理模块、第二坐标系统模块、GNSS定位模块、数据采集模块、第二数据管理模块、系统设置模块构成；

所述第二线路管理模块：用于打开、关闭当前勘察区域的线路文件；

所述第二地图管理模块：用于对勘察区地图进行放大、缩小、移动，和用于图层显示顺序、图层可见性、图层样式大小、颜色的设置；

所述第二坐标系统模块：因为GNSS本身测得的坐标是WGS-84坐标，由于不同坐标系的椭球、原始参考点不同，造成不同坐标系之间的误差，在利用采集设备定位前，先进行坐标校正提高定位精度；即：

整合不同投影参数、基准转换和校正拟合参数统一管理，并具有坐标系统参数选择性记忆功能；所述坐标校正采取输入基准转换参数，包括三参数、七参数或者输入校正参数，或采取现场计算校正参数的办法，获得工程坐标系与GNSS坐标系之间的校正参数；现场计算校正参数，采取单点校正或采取多点校正，控制点真实坐标与GNSS测得的坐标及计算的校正参数均存入数据库；

所述GNSS定位模块：经过坐标校正后，系统测得的坐标将用户的位置以小红旗的图标显示在地图上，实现GNSS定位与所述背景地图的实时关联；对于大比例尺地质测绘，精度要求比较高，在地图上当前位置的提示下，通过观察周围微地貌、利用地图选点的功能，确认勘察点位置，避免纯粹由GNSS定位造成的误差；通过GNSS定位以实现导航到目标点，目标点的选择包括四种方法：输入坐标导航、地图上选位置导航、列表导航和历史位置导航；

所述数据采集模块：外业勘察数据主要采集勘察点的坐标信息即空间数据、属性信息以及素描图、照片等数据；在属性界面填写信息时勘察点编号必须输入，其他属性信息根据需要选填；在所述勘察信息字典库的字段点击后，进入该字段的字典库进行选择录入，选择字典库的录入信息进行编辑；

采集界面依据勘察信息的级别进行采集和管理，在采集与管理的过程中，先采集管理一级信息，再对二级信息进行采集管理，然后三级信息；二级信息是一级信息的子表，三级信息是二级信息的子表，采集与管理勘察数据级别见表1；依据规程规范要求，地质测绘必须先定点才进行其他相关工作；地质点及其二级子对象相互之间既有关联又具有不同的空间位置，因此在界面设计时，将地质点下的二级表同时显示在一级表的界面中；

表1

为了探槽、探硐、探井实现系统自动绘制展示图的要求，引入相对坐标（LX、LY）的概念，根据展示图绘制要求，分别设定基点与基线，采集空间信息后录入相应的属性信息，实现所述探槽、探硐、探井内部细节地质现象空间与属性的关联；

所述第二数据管理模块：已经录入的勘察信息，在移动端的数据管理模块中进行补充、修改、删除等编辑，实现空间信息与属性信息的关联查询。

本发明提出的一套工程勘察信息资源采集生产、组织管理到多元化利用的方法和技术，适用于各行业勘察信息资源采集、管理和利用，可直接在各行业的工程勘察中应用和推广。其有益效果体现在：

1、本方法提出一套适用于工程勘察信息分类与编码、数据库表结构与标识符、服务接口等技术标准，工程勘察数据数据中心的建设极大地方便了勘察数据的存储、处理、查询、共享，提高勘察数据的二次利用率；

2、构建了多属性工程勘察综合管理应用平台，实现了基于工程勘察数据中心的数字化采集、图件绘制、统计分析、报表输出、三维地质建模、数值模拟计算等功能，实现了工程勘察全程数字化，提升和突破了传统的工程勘察信息采集处理应用的工作模式，显著提高了工作效率；

3、本发明集GNSS定位导航、数字地质罗盘、数码相机、绘图等功能于一体的智能采集系统，实现了GNSS定位与地形图实时关联，在一台智能终端上进行文字、素描、照片等地质测绘（地质点、产状、水样、岩土样、节理统计、素描图、照片、视频、音频）、勘探（钻孔、探坑、探槽、探洞、探井、洛阳铲的分层、取样、结构面）、原位测试与试验（标贯、动探、压水试验、注水试验）等数据的数字化采集和处理，创新了传统工程勘察的作业模式；

4、建立可动态更新的勘察信息字典库，对需野外采集的勘察数据内容和格式进行规范化约束，从而保证现场采集数据不漏项、格式统一、计量单位符合标准量纲，实现数据采集标准化、规范化、高效化；

5、本方法提出的空间图形转换技术，实现了多源数据在工程勘察过程中的融合应用，解决了工程勘察设计上下游专业之间（GIS与CAD）数据便捷无损转换的难题。

附图说明

图1是本发明的工作流程框图。

图2是本发明实现系统自动绘制所述探槽的展示图。

图3是本发明实现系统自动绘制所述探井的展示图。

图4是本发明实现系统自动绘制所述探硐的展示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述的工程勘察信息数字化采集、管理及综合应用方法，由桌面管理子系统和移动设备采集子系统联合实现，分别在PC桌面端和PDA移动端完成，整个过程基于同一数据架构、同一数据模型进行；实现步骤如下：

第一步、在室内PC桌面端进行外业勘察现场数据数字化采集的项目准备工作，包括新建项目、导入工程区工作用背景地图、设置坐标系统、编辑勘察信息字典库、分解勘察任务、生成PDA移动端线路文件、同步不同的线路文件到不同的PDA移动端等工作；

第二步、在外业勘察现场，通过PDA移动端打开电脑桌面端形成的线路文件，进行坐标校正；利用GNSS定位导航与背景地图实时关联的功能，定位勘察点或线位置，确认勘察点或线空间信息，录入该勘察点或线的属性信息，或拍摄相关照片；进行GNSS定位、空间属性信息录入的多个循环后，完成整个线路的勘察任务；对于已经录入的勘察点信息，可以随时查看、编辑、更新；

第三步、回到室内，通过所述PC桌面端分别将外业采集的线路勘察数据导入，进行编辑、校核后，进行不同线路勘察数据的汇总；汇总过后的野外勘察数据无缝进入工程勘察数据中心，同时将物探、室内试验数据录入或利用excel导入所述工程勘察数据中心，利用工程勘察数据中心的勘察数据进行批量图件绘制、统计分析、报表输出、三维地质建模、岩土数值模拟计算功能，完成一个完整的数字工程勘察过程。

所述桌面管理子系统由项目管理模块、第一地图管理模块、第一坐标系统模块、第一线路管理模块、第一数据管理模块、数据接口模块、数据应用模块、系统管理模块构成；

所述项目管理模块：用于进行工程勘察项目及其基本信息的构建和编辑，包括：新建项目、打开项目、删除项目、项目基本信息管理功能；项目的基本信息包括：项目名称、设计阶段、项目成员信息以及该项目所涉及到的地层岩组信息；所述新建项目输入的地层岩组信息自动添加到地层代号的字典库，方便野外数据采集使用；

所述第一地图管理模块：用于对项目工作用背景地图进行管理，所述工作用背景地图包括矢量地形图、地质图，影像地形图、地质图、卫星遥感图像；对于CAD格式的矢量图件，另存为dxf格式后，经过系统设计的二元要素类映射池技术转换成shp格式，形成背景地图的矢量图层；对于shp格式的矢量图层，直接导入系统，追加为背景地图的新的矢量图层；对于影像图件是指JPG、PNG格式，经过系统的影像坐标配准功能后，形成带坐标信息的TIFF格式图件，导入系统后，形成背景地图中的影像图层；背景地图中，矢量图层和影像图层叠加使用；

所述第一坐标系统模块：依据所述背景地图的坐标系统进行指定，系统支持地理坐标系和投影坐标系；对于常用的高斯-克吕格投影的北京54、西安80、国家2000、WGS84的不同带号的坐标设置均进行了预定义，用户可以直接选择；对于不常用的坐标系统，即工程坐标系、国外其他投影坐标系，用户可以自定义进行设置；这一步的操作为野外信息采集时GNSS定位导航服务；

所述第一线路管理模块，包括三项功能：

a、任务分解：根据勘察人员分组情况对勘察任务进行分解，根据每个勘察小组的任务、工作区域不同，将所述背景地图分配给不同的小组，形成不同的线路文件系统，所述线路文件系统包括背景地图、预采集图层及其数据库文件，每个项目有多条线路；

b、数据同步：用于所述桌面端和移动端数据文件之间的快速的数据交换；

c、数据汇总：将不同线路采集的勘察数据汇总到统一的数据库，为数据的后期管理应用提供方便；

所述数据接口模块：用于将外业采集的勘察数据、物探数据、室内试验数据无缝连接到所述工程勘察数据中心，永久保存勘察原始数据；外业采集的勘察数据采用从数据库到数据库的方法，物探解译数据和室内试验数据采用excel导入的方法；系统同时提供将各类勘察数据输出成excel文件的功能；

所述数据应用模块：勘察数据库在勘察过程中已经完成，数据应用模块基于数据库，即所述工程勘察数据中心进行，集中应用在四个方面：

a、图件绘制，批量自动生成实际材料图，包括地质平面图、钻孔柱状图、综合地层柱状图，以及探洞、探坑、探槽展示图、洛阳铲柱状图、地质剖面图、节理统计的玫瑰花图、极点图和赤平投影图；所有图件可以一键转换为下游专业需要的CAD格式；

b、统计分析：包括勘察工作量统计，节理信息统计，地层岩性厚度统计、风化卸荷程度统计，标贯、动探、压水、注水等现场测试与试验的指标统计；节理统计时，将节理统计点的节理信息进行单独统计，或将节理统计点、探硐、探井的节理信息组合统计；

c、报表输出：输出野外记录报告、岩土水送样单、表单输出；野外记录报告含有勘察工作量、勘察点的详细信息，并将照片、素描图插入相应的位置；

d、三维地质建模：所述工程勘察数据中心的数据直接服务于三维地质建模平台ItasCAD，根据采集的工程勘察数据自动构建可视化三维地质模型，实时查询各模型的地质属性，为三维协同设计的实现奠定基础；

e、数值模拟计算：解析数值模拟软件计算需求的数据格式，从所述工程勘察数据中心输出数值模拟计算所需的勘察数据格式，直接参与计算，为地质分析评价提供依据；

所述系统管理模块：包括符号库、勘察信息字典库的编辑；所述勘察信息字典库用于方便野外PDA数据录入、规范数据录入而预设的采集信息中常用的、相对固定的属性描述内容；外业数据采集前，针对所要勘察工程的资料，编辑针对性强的勘察信息字典库，数据同步线路文件时，勘察信息字典库随线路文件进入移动采集设备，勘察信字典库的利用明显提高野外数据采集录入的效率和标准化程度，保证信息录入不遗漏；

所述移动设备采集子系统由第二线路管理模块、第二地图管理模块、第二坐标系统模块、GNSS定位模块、数据采集模块、第二数据管理模块、系统设置模块构成；

所述第二线路管理模块：用于打开、关闭当前勘察区域的线路文件；

所述第二地图管理模块：用于对勘察区地图进行放大、缩小、移动，和用于图层显示顺序、图层可见性、图层样式大小、颜色的设置；

所述第二坐标系统模块：因为GNSS本身测得的坐标是WGS-84坐标，由于不同坐标系的椭球、原始参考点不同，造成不同坐标系之间的误差，在利用采集设备定位前，先进行坐标校正提高定位精度；即：

整合不同投影参数、基准转换和校正拟合参数统一管理，并具有坐标系统参数选择性记忆功能；所述坐标校正采取输入基准转换参数，包括三参数、七参数或者输入校正参数，或采取现场计算校正参数的办法，获得工程坐标系与GNSS坐标系之间的校正参数；现场计算校正参数，采取单点校正或采取多点校正，控制点真实坐标与GNSS测得的坐标及计算的校正参数均存入数据库；

所述GNSS定位模块：经过坐标校正后，系统测得的坐标将用户的位置以小红旗的图标显示在地图上，实现GNSS定位与所述背景地图的实时关联；对于大比例尺地质测绘，精度要求比较高，在地图上当前位置的提示下，通过观察周围微地貌、利用地图选点的功能，确认勘察点位置，避免纯粹由GNSS定位造成的误差；通过GNSS定位以实现导航到目标点，目标点的选择包括四种方法：输入坐标导航、地图上选位置导航、列表导航和历史位置导航；

所述数据采集模块：外业勘察数据主要采集勘察点的坐标信息即空间数据、属性信息以及素描图、照片等数据；在属性界面填写信息时勘察点编号必须输入，其他属性信息根据需要选填；在所述勘察信息字典库的字段点击后，进入该字段的字典库进行选择录入，选择字典库的录入信息进行编辑；

采集界面依据勘察信息的级别进行采集和管理，在采集与管理的过程中，先采集管理一级信息，再对二级信息进行采集管理，然后三级信息；二级信息是一级信息的子表，三级信息是二级信息的子表，采集与管理勘察数据级别一览表见表1；依据规程规范要求，地质测绘必须先定点才进行其他相关工作；地质点及其二级子对象相互之间既有关联又具有不同的空间位置，因此在界面设计时，将地质点下的二级表同时显示在一级表的界面中；见表1；

表1

如图2、3、4所示，为了实现系统自动绘制探槽、探井、探硐展示图的要求，引入相对坐标（LX、LY）的概念，根据展示图绘制要求，分别设定基点与基线，采集空间信息后录入相应的属性信息，实现所述探槽、探井、探硐内部细节地质现象空间与属性的关联。

所述第二数据管理模块：已经录入的勘察信息，在移动端的数据管理模块中进行补充、修改、删除等编辑，实现空间信息与属性信息的关联查询。