左都美，陳昕，鐘金寧

(1.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005； 2.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京 210013)

基于GIS的地鐵工程地質(zhì)勘察信息管理系統(tǒng)建設(shè)

左都美1?，陳昕2，鐘金寧1

(1.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005； 2.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京 210013)

介紹了國內(nèi)外地鐵工程地質(zhì)勘察方面地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用現(xiàn)狀，以南京為例，討論了城市地鐵工程地質(zhì)勘察信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)內(nèi)容和功能，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

地理信息系統(tǒng)(GIS)；地鐵工程；地質(zhì)勘察；信息管理系統(tǒng)

1 引 言

20世紀(jì)60年代我國開始建設(shè)地鐵，由于城市快速發(fā)展和人口急劇增加，使得城市交通成為制約城市發(fā)展的一大瓶頸。到20世紀(jì)90年代中國迎來了地鐵建設(shè)的快速發(fā)展期，經(jīng)過10年左右的發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為大城市人們必不可少的交通工具。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國大城市每年因?yàn)榈罔F事故造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)20億元以上。事故大部分是由于缺乏地鐵設(shè)施資料或雖有設(shè)施資料但管理方法落后，無法對(duì)地鐵設(shè)施進(jìn)行有效的管理維護(hù)，從而導(dǎo)致設(shè)備故障造成的。40多年來，雖然已完成數(shù)量巨大的工程地質(zhì)勘察及軌道項(xiàng)目建設(shè)，但在項(xiàng)目中產(chǎn)生出的大量規(guī)劃資料、基礎(chǔ)地質(zhì)勘察資料等與地鐵相關(guān)的信息，相當(dāng)部分處在一種分散使用、分散保管、甚至大量遺棄狀態(tài)。此外，目前對(duì)城市軌道交通基礎(chǔ)信息的存儲(chǔ)管理還是以文字、圖紙、圖表為主的傳統(tǒng)管理，查閱不便，尤其在處理大量工程數(shù)據(jù)時(shí)更難以下手。因此，必須有一套現(xiàn)代的信息管理系統(tǒng)與之配套。

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，簡(jiǎn)稱GIS)是20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的地理學(xué)研究技術(shù)，是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物。近年來，GIS在全球得到空前迅速的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用到城市規(guī)劃、城市地下管網(wǎng)管理、城市交通、社會(huì)服務(wù)等方面。GIS具有處理海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)挖掘的功能，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)空間圖形顯示與空間信息查詢、分析的有效工具。利用GIS的數(shù)據(jù)輸入、存貯、檢索、顯示和綜合分析應(yīng)用等功能，將軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間信息與其相關(guān)的屬性信息結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息檢索、統(tǒng)計(jì)、分析、修改、打印等，為城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息提供快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)代化管理手段。另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理很難把不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化顯示、分析和處理。而GIS三維可視化功能采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將數(shù)學(xué)描述以3D圖像形式予以表現(xiàn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)城市軌道交通相關(guān)信息的可視化。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 工程勘察管理及評(píng)價(jià)

1981年美國聯(lián)邦高速公路管理處建立了巖土工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于GIS建立了大型空間數(shù)據(jù)庫，對(duì)所有巖土工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理、顯示及輸出。1997年加拿大運(yùn)用GIS模糊分類和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，再現(xiàn)斜坡形態(tài)，為工程勘察管理及評(píng)價(jià)提供依據(jù)。國內(nèi)研究起步較晚，但起點(diǎn)較高。南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所，利用Microlynx地質(zhì)軟件包，應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù)，對(duì)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋北錨碇的地基進(jìn)行了三維地質(zhì)分析，以查明該錨碇下各地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系。吳沖龍等應(yīng)用自己研制的 GIS軟件系統(tǒng)GeoView為平臺(tái)，完成了南水北調(diào)中線工程地質(zhì)勘察。2005年10月中國地質(zhì)調(diào)查局和南京市合作啟動(dòng)《南京城市地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目，該項(xiàng)目充分利用、整合已有地質(zhì)資料和成果，綜合運(yùn)用地質(zhì)、地球化學(xué)、遙感、地球物理、鉆探和信息技術(shù)與方法，查明城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)、城市地下空間資源、城市主要地質(zhì)災(zāi)害及工程地質(zhì)基礎(chǔ)、水土體地球化學(xué)背景及污染狀況，評(píng)價(jià)南京市環(huán)境質(zhì)量及環(huán)境容量，建立三維可視化地學(xué)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全市地學(xué)數(shù)據(jù)的一體化管理和可視化表現(xiàn)，為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策平臺(tái)。

2.2 砂土液化方面

1993年美國利用GIS進(jìn)行了砂土液化研究，借助ArcInfo軟件將數(shù)據(jù)信息分層處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域砂土液化可視化管理與分析。南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所運(yùn)用MapInfo對(duì)蘇北某高速公路地段進(jìn)行了液化分析，得出了液化危害性分布圖，進(jìn)行疊加和緩沖等空間分析，驗(yàn)證了GIS應(yīng)用于砂土液化分析的可行性和所建分析模型的適用性。

2.3 GIS與地鐵建設(shè)管理

國內(nèi)很多高校/科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，針對(duì)地鐵建設(shè)和管理，開展了運(yùn)用GIS的理論和應(yīng)用研究。領(lǐng)域涉及城市軌道交通基礎(chǔ)GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)和三維地質(zhì)建模、地鐵施工監(jiān)理和變形監(jiān)測(cè)、地鐵周邊土地利用規(guī)劃、地鐵隧洞開挖數(shù)字模擬、安全預(yù)警和事故應(yīng)急預(yù)案等方面。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.1 體系結(jié)構(gòu)

考慮系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及伸縮性，采用3層體系架構(gòu)，如圖1所示，劃分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、用戶界面層，分別負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)訪問、業(yè)務(wù)邏輯、用戶交互等功能。系統(tǒng)采用C/S、B/S混合體系結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)并支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.2 建設(shè)內(nèi)容

(1)在南京市統(tǒng)一地理坐標(biāo)基準(zhǔn)下，將地鐵多條線路上孤立、分散的工程地質(zhì)資料，通過空間地理定位建立起空間聯(lián)系，使得分散的資料在空間上形成一個(gè)有機(jī)整體；

(2)制定南京市統(tǒng)一的地鐵工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，各種工程勘察資料嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行整理和錄入，建立南京市地鐵工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)庫；

(3)不斷擴(kuò)展、錄入勘察資料，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)更新和反饋。提供多種基于屬性和空間的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析功能，提高管理信息化水平；

(4)開展多種應(yīng)用研究:利用數(shù)據(jù)庫直接生成編制各種工程地質(zhì)圖形(如鉆孔柱狀圖、剖面圖、對(duì)比圖等)；建立可視化的三維地質(zhì)模型；地鐵軌道范圍內(nèi)的地下管線分布情況展示；利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，回歸分析，為地鐵軌道監(jiān)測(cè)提供預(yù)測(cè)依據(jù)；為地鐵新線路規(guī)劃設(shè)計(jì)提供輔助決策。

地鐵工程地質(zhì)勘察資料的處理流程如圖2所示。

圖2 信息處理流程

3.3 系統(tǒng)功能

以地理空間為紐帶，開發(fā)形成基于GIS的地質(zhì)勘察資料信息管理系統(tǒng)，將鉆孔數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)等形成一個(gè)有機(jī)的整體。實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息進(jìn)行檢索、查詢、分析。進(jìn)行地層信息三維顯示。主要功能包括:

(1)地圖操作

放大、縮小和移動(dòng)；圖形要素分層顯示、輸出。

(2)資料管理

通過數(shù)據(jù)維護(hù)子模塊完成數(shù)據(jù)錄入、編輯、修改。資料包括鉆孔信息、地鐵項(xiàng)目信息、地層信息、地下管線、地形信息等。

(3)圖形輸入編輯

包括軌道、站點(diǎn)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔等。

(4)查詢與統(tǒng)計(jì)

進(jìn)行空間、屬性以及空間和屬性結(jié)合的查詢、統(tǒng)計(jì)。實(shí)現(xiàn)快速、靈活、準(zhǔn)確的查詢與定位。

(5)空間分析

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析、緩沖分析、疊合分析等技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通管理業(yè)務(wù)，在地鐵工程地質(zhì)勘察等各類數(shù)據(jù)的支撐下，進(jìn)行復(fù)雜空間問題決策研究，模擬預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)等。建立不同形態(tài)的緩沖區(qū)，進(jìn)行周邊管線分布和預(yù)警研究。通過長(zhǎng)期的軌道監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)，建立回歸分析模型，預(yù)測(cè)軌道沉降變化等。

(6)可視化表現(xiàn)

提供分層顯示，不同要素選擇顯示等。以點(diǎn)、線為基本形態(tài)，以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選用適當(dāng)內(nèi)插方法，將地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)成地層信息在三維空間中顯示；構(gòu)建三維模型，進(jìn)行地下復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)與關(guān)系表達(dá)、分析。

4 結(jié)論與展望

將GIS技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通管理，可以動(dòng)態(tài)維護(hù)和更新地鐵工程地質(zhì)勘察資料；為地鐵管理、運(yùn)行和安全管理大量節(jié)省投入；通過實(shí)用、高效的空間分析和可視化技術(shù)，更好地為地鐵管理、設(shè)計(jì)、規(guī)劃提供輔助決策，有效提高管理信息化水平。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、三維GIS、服務(wù)式GIS(Service GIS)、移動(dòng)通訊技術(shù)快速發(fā)展和在城市軌道交通管理中的深入應(yīng)用，城市軌道交通管理的信息化水平必將得到大力的提高。

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Geological Survey of Urban Subway Project Information Management System Construction Based GIS

Zuo DuMei1，Chen Xin2，Zhong JinNing1
(1.Nanjing institute of surveying，mapping＆geotechnical investigation，Co.Ltd，Nanjing 210005，China；2.Jiangsu provincial bureau of surveying and mapping，Nanjing 210013，China)

The paper introduced application status of geographic information systems(GIS)of domestic and foreign subway engineering geological investigations.Discuss system design，construction，content，functionality and prospect of city's subway engineering geological investigation information management.

GIS；subway project；geological survey；information manager system

1672－8262(2010)02－164－03

P208，P628.4

A

2009—12—29

左都美(1969—)，男，高級(jí)工程師，從事測(cè)量、遙感與GIS應(yīng)用研究及管理工作。