曾慶有 葉晨峰 鄧國(guó)平 林 舟

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福州 350004)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)取得了跨越式的發(fā)展。因此，勘測(cè)單位每年都要進(jìn)行細(xì)致的工程地質(zhì)勘測(cè)，并積累了海量的交通工程地質(zhì)及工程勘察資料。但是現(xiàn)階段依照傳統(tǒng)的管理模式，勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與資料極為分散且歸屬不明確。在紙質(zhì)資料的歸檔與存儲(chǔ)過(guò)程中也容易產(chǎn)生遺漏或重復(fù)歸檔入庫(kù)的問(wèn)題。數(shù)據(jù)的整合不完善，數(shù)據(jù)共享不暢通，導(dǎo)致管理者在工程建設(shè)過(guò)程中難以獲取有效數(shù)據(jù)成果輔以分析，而經(jīng)常進(jìn)行重復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，效率低下。

針對(duì)工程地質(zhì)龐大的數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建是相關(guān)數(shù)據(jù)管理與分析的最佳解決方案[1]。因此，大量學(xué)者及地質(zhì)工作者對(duì)此進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)[2-5]。但現(xiàn)有的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)或是為特定的工程建立，或是局限于特定的需求與應(yīng)用[6]。地質(zhì)數(shù)據(jù)分布于不同系統(tǒng)之中，溝通低效，降低了地質(zhì)數(shù)據(jù)利用的全面性與易用性。

本文以空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)、GIS軟件為平臺(tái)，歷年來(lái)海量交通工程地質(zhì)及工程勘察資料為主要信息來(lái)源，整合建筑物、市政基礎(chǔ)設(shè)施等信息，搭建了一套切實(shí)有效的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)工程勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效收集、共享與維護(hù)管理；提升項(xiàng)目管理水平，提高信息資源共享程度；初步實(shí)現(xiàn)輔助決策支持功能，提高決策的科學(xué)性，為建設(shè)項(xiàng)目的前期評(píng)估、仿真建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理乃至今后的改造、更新提供全生命周期服務(wù)。

1 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原則

本工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)遵循以下4個(gè)原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1) 主題數(shù)據(jù)庫(kù)原則。面向地下工程地質(zhì)勘察業(yè)務(wù)主題，為相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源并通過(guò)人性化界面提供業(yè)務(wù)處理。工程地質(zhì)數(shù)據(jù)易于使用、管理和維護(hù)，滿(mǎn)足安全性需求。

2) 標(biāo)準(zhǔn)化原則。系統(tǒng)的建設(shè)要嚴(yán)格按照國(guó)家、地方和行業(yè)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如空間數(shù)據(jù)的分層編碼、數(shù)據(jù)的質(zhì)量、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。

3) 可維護(hù)原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，按照分層設(shè)計(jì)，軟件構(gòu)件化實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與界面分離，邏輯與數(shù)據(jù)分離，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)。各類(lèi)數(shù)據(jù)組織合理，不因系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量不斷增加而影響系統(tǒng)速度。

4) 全生命周期原則。滿(mǎn)足巖土工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理需求。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

本文工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)錄入、查詢(xún)使用， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可交互的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及專(zhuān)題地質(zhì)圖形建模與管理功能。數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下。

1) 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)平臺(tái)。提供完整、易用、先進(jìn)的工程勘察各類(lèi)數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)查詢(xún)、標(biāo)準(zhǔn)化處理、專(zhuān)題圖顯示與交互查詢(xún)、地質(zhì)數(shù)據(jù)分析處理等功能。

2) 數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊可對(duì)接理正、華寧等勘察軟件數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)文件可導(dǎo)出常用格式的數(shù)據(jù)文件。

3) 移動(dòng)端APP。具有工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)移動(dòng)端APP，支持 Android操作系統(tǒng)。移動(dòng)端 APP定位功能穩(wěn)定準(zhǔn)確， 可在權(quán)限范圍內(nèi)隨時(shí)查看相關(guān)信息，滿(mǎn)足工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

1.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容龐雜，為了便于管理，將數(shù)據(jù)表按內(nèi)容分為幾個(gè)大類(lèi)，大類(lèi)下含若干數(shù)據(jù)表，見(jiàn)表1。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)要求，每個(gè)表均含有表名、表號(hào)、表標(biāo)識(shí)和表結(jié)構(gòu)。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

2 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)選擇

主流的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)多采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，一般為SQL Server 和Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。本文數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)勘察施工現(xiàn)場(chǎng)工作的特點(diǎn)，選擇MS SQL Server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，具有較高的可靠性、可擴(kuò)展性和讀寫(xiě)性能。

2.2 開(kāi)發(fā)架構(gòu)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)為B/S架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，分布性強(qiáng)、維護(hù)方便且共享性強(qiáng)。B /S 架構(gòu)將極少部分事務(wù)邏輯在前端 (Browser) 實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端 (Server) 實(shí)現(xiàn)，形成3層結(jié)構(gòu)。這樣使得客戶(hù)端電腦負(fù)荷簡(jiǎn)化[7]。系統(tǒng)采用NET、JAVA 、MVC 3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及基于SOA和微服務(wù)架構(gòu)模式，將數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)共享、工程勘察數(shù)據(jù)查詢(xún)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用等業(yè)務(wù)邏輯均放在服務(wù)器后端實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)云服務(wù)提供多重安全保護(hù)與數(shù)據(jù)備份措施， 保證數(shù)據(jù)安全保密性。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、展現(xiàn)層、安全體系4個(gè)部分。

2.3.1數(shù)據(jù)層

服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)接入勘察數(shù)據(jù)，勘察資料文檔數(shù)據(jù)、地質(zhì)專(zhuān)題圖數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，并可接入百度地圖、天地圖等提供的API。

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含3種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，即文檔數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)處理入庫(kù)流程嚴(yán)格執(zhí)行，包括地質(zhì)數(shù)據(jù)收集整理，制定建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)數(shù)據(jù)入庫(kù)前處理、數(shù)據(jù)檢測(cè)、地質(zhì)資料入庫(kù)等，保證入庫(kù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且不重復(fù)。數(shù)據(jù)的整理、檢查與入庫(kù)流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)收集、處理與入庫(kù)流程

圖形數(shù)據(jù)按照點(diǎn)、線(xiàn)、面分類(lèi)作為單獨(dú)圖層存儲(chǔ)。地形底圖掃描成柵格文件后，首先進(jìn)行校準(zhǔn)，然后矢量化錄入并校正誤差。一幅底圖由多個(gè)圖層組成，便于編輯與查詢(xún)。屬性數(shù)據(jù)是對(duì)地質(zhì)實(shí)體的詳盡描述，是空間實(shí)體的特征數(shù)據(jù)，在圖元和外掛屬性數(shù)據(jù)庫(kù)建立的基礎(chǔ)上進(jìn)行，一般對(duì)照?qǐng)D形直接編輯輸入并進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查。

2.3.2業(yè)務(wù)層

通過(guò)接口封裝及ASP.NET MVC框架控制業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)接數(shù)據(jù)接口，整合業(yè)務(wù)平臺(tái)，以滿(mǎn)足前后臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求。前臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要包括注冊(cè)登錄、圖件瀏覽、現(xiàn)場(chǎng)定位、信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析等。后臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要包括勘察數(shù)據(jù)入庫(kù)、文檔管理、元數(shù)據(jù)管理、用戶(hù)權(quán)限管理等。

2.3.3展現(xiàn)層

基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)將主要的業(yè)務(wù)需求事務(wù)在前端 (Browser) 實(shí)現(xiàn)，通過(guò)平臺(tái)無(wú)縫接入主流瀏覽器(谷歌瀏覽器、IE瀏覽器、火狐瀏覽器等)進(jìn)行展示與用戶(hù)交互。

2.3.4安全體系

安全體系通過(guò)終端安全、傳輸安全、應(yīng)用安全來(lái)保障整個(gè)架構(gòu)的安全。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)基于MD5加密算法保證安全，網(wǎng)站基于SSL保證傳輸層安全。數(shù)據(jù)的交換接口開(kāi)發(fā)采用可靠的數(shù)據(jù)交換同步技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離以保證安全性。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)功能與應(yīng)用

本文工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主要為勘察企業(yè)進(jìn)行工程勘察數(shù)據(jù)管理工作服務(wù)，能夠滿(mǎn)足目標(biāo)用戶(hù)的絕大部分功能需求。

3.1 功能模塊劃分

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在功能上劃分為4個(gè)主要的功能模塊，包括GIS模塊、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、權(quán)限管理。

1) GIS模塊。支持多種地圖(百度、天地圖等)，提供基礎(chǔ)的地理地圖管理功能。包括地圖的顯示、縮放及測(cè)量，地圖與衛(wèi)星影像圖的切換等。

2) 數(shù)據(jù)管理。實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目圖文檔資料整理入庫(kù)功能，包括項(xiàng)目的添加、更新、刪除及圖文信息的上傳與下載；實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)信息的查詢(xún)與檢查功能，包括以地圖或列表形式的項(xiàng)目信息索引、以GIS圖來(lái)統(tǒng)一展現(xiàn)鉆孔信息等。

3) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)勘察鉆孔中的地層數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)處理并保存入庫(kù)；根據(jù)選取的鉆孔統(tǒng)計(jì)區(qū)域地質(zhì)信息，原狀土、擾動(dòng)土參數(shù)統(tǒng)計(jì)信息，原位測(cè)試統(tǒng)計(jì)信息；根據(jù)選取的剖面孔生成勘察剖面圖；以通用勘察軟件格式導(dǎo)出相應(yīng)區(qū)域工程地質(zhì)數(shù)據(jù)。

4) 權(quán)限管理。對(duì)菜單功能進(jìn)行管理配置；系統(tǒng)管理員在后天配置賬戶(hù)的具體權(quán)限，不同級(jí)別的賬戶(hù)擁有不同數(shù)據(jù)和功能權(quán)限；實(shí)現(xiàn)用戶(hù)賬號(hào)的注冊(cè)及分角色管理。

3.2 權(quán)限管理

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)流程中人員的不同職責(zé)，對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)進(jìn)行角色的劃分，如系統(tǒng)管理員、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、審核人員、專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和一般用戶(hù)等。管理員在具備后臺(tái)管理權(quán)限情況下，在“角色管理”子菜單下添加、編輯、刪除角色信息并通過(guò)授權(quán)按鈕分配相應(yīng)的菜單及數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，系統(tǒng)權(quán)限管理信息見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)權(quán)限管理信息

用戶(hù)點(diǎn)擊“用戶(hù)管理”子菜單按鈕，可注冊(cè)用戶(hù)人員并分角色給該用戶(hù)，用戶(hù)列表中提供查看、編輯、刪除等管理功能。

3.3 信息檢索與展示

系統(tǒng)用戶(hù)在終端點(diǎn)擊“項(xiàng)目查詢(xún)”按鈕可在主頁(yè)地圖上查詢(xún)展示已入庫(kù)的工程項(xiàng)目信息，地圖上每1個(gè)星標(biāo)代表1個(gè)項(xiàng)目工程，點(diǎn)擊圖標(biāo)顯示該項(xiàng)目的概況信息見(jiàn)圖3。在項(xiàng)目信息卡上用戶(hù)可查詢(xún)?cè)擁?xiàng)目所屬的鉆孔空間位置信息與地層分層信息，其顯示界面見(jiàn)圖4。在此信息卡上統(tǒng)計(jì)有該項(xiàng)目的鉆孔統(tǒng)計(jì)信息與土工原位測(cè)試統(tǒng)計(jì)信息、下載瀏覽該項(xiàng)目的文檔資料等。

圖3 工程概況信息展示

圖4 鉆孔信息展示

在地圖上點(diǎn)擊 “操作”按鈕，支持以工程編號(hào)、工程名稱(chēng)、工程負(fù)責(zé)人，以及工程類(lèi)型為關(guān)鍵詞模糊匹配篩選查詢(xún)相關(guān)的項(xiàng)目工程；也可通過(guò)半徑搜索查詢(xún)某一地點(diǎn)周邊范圍內(nèi)的項(xiàng)目工程，項(xiàng)目檢索示意見(jiàn)圖5。

圖5 項(xiàng)目檢索

3.4 項(xiàng)目管理

用戶(hù)通過(guò)“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”菜單下的“項(xiàng)目管理”子菜單進(jìn)行項(xiàng)目的添加、上傳數(shù)據(jù)、更新及刪除等操作。

點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)終端的“添加項(xiàng)目信息”按鈕，其顯示界面見(jiàn)圖6，可在地圖上點(diǎn)擊定位項(xiàng)目的坐標(biāo)信息，并填寫(xiě)該項(xiàng)目的工程編號(hào)、名稱(chēng)等相關(guān)內(nèi)容，最終保存入庫(kù)。用戶(hù)選取坐標(biāo)類(lèi)型后，可將勘察成果數(shù)據(jù)解析并導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)檢，提示錯(cuò)誤信息或標(biāo)明異常描述。

圖6 添加項(xiàng)目信息

上傳成功后的項(xiàng)目會(huì)在項(xiàng)目列表中列出，用戶(hù)可點(diǎn)擊表頭以自定義排序顯示項(xiàng)目信息，每個(gè)項(xiàng)目工程均提供編輯、更新、刪除功能，并提供工程文檔上傳功能，以在線(xiàn)文檔管理形式在不同終端下載瀏覽，其項(xiàng)目管理頁(yè)面見(jiàn)圖7。

圖7 項(xiàng)目管理頁(yè)面

3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

以鉆孔數(shù)據(jù)為例。鉆孔數(shù)據(jù)入庫(kù)后可在地圖模塊上統(tǒng)一集成展示。用戶(hù)可任意選擇鉆孔組成1個(gè)項(xiàng)目并標(biāo)定入庫(kù)。點(diǎn)選每個(gè)鉆孔可查看該標(biāo)準(zhǔn)孔的概要信息與分層信息，并可生成鉆孔柱狀圖見(jiàn)圖8。

另外，通過(guò)拉框或選擇多個(gè)鉆孔可以生成鉆孔對(duì)比柱狀圖見(jiàn)圖9。

圖9 鉆孔對(duì)比剖面圖

為實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)利用，系統(tǒng)可自定義標(biāo)準(zhǔn)化地層，并在建庫(kù)過(guò)程中將鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)地層，其標(biāo)準(zhǔn)地層參數(shù)見(jiàn)圖10。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)還能夠批量選擇鉆孔進(jìn)行區(qū)域地層統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上基于各項(xiàng)地層數(shù)據(jù)智能分析地層條件。如根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)標(biāo)貫孔信息判別場(chǎng)地液化類(lèi)型等。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)地層管理

在指定區(qū)域內(nèi)，鉆孔數(shù)據(jù)、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)、原位測(cè)試數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行統(tǒng)一管理、統(tǒng)計(jì)與展示(見(jiàn)圖11)，并能根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，方便用戶(hù)分析該區(qū)域工程地質(zhì)特性，為工程決策提供綜合全面的信息來(lái)源。相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以自動(dòng)整合成測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)告并提供下載。

圖11 工程測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一套切實(shí)有效的企業(yè)級(jí)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和GIS軟件平臺(tái)，能夠高效整合多項(xiàng)目、全周期、多類(lèi)型的城市交通工程及工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)克服了傳統(tǒng)勘察數(shù)據(jù)利用不足、資料分散的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的信息化存儲(chǔ)、線(xiàn)上有效管理、智能化的高效共享和整合利用，可為覆蓋區(qū)內(nèi)抗震規(guī)劃、項(xiàng)目工可研究、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等提供服務(wù)，同時(shí)節(jié)約工期與資源，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的二次經(jīng)濟(jì)效益。

隨著數(shù)據(jù)庫(kù)源數(shù)據(jù)的不斷擴(kuò)充與完善，覆蓋區(qū)域的不斷擴(kuò)展，利用大數(shù)據(jù)算法，能夠進(jìn)一步對(duì)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)整合，對(duì)其潛在價(jià)值進(jìn)行深度挖掘，其服務(wù)的領(lǐng)域?qū)U(kuò)展至城市規(guī)劃、抗震規(guī)劃、地下管網(wǎng)布局、工程選線(xiàn)、工可研究、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估及前期立項(xiàng)等諸多方面，智能化分析程度也將進(jìn)一步提升，具有廣闊的應(yīng)用前景。