水利水电工程地质信息流研究思路及技术方法(刘军旗,吴冲龙,黄长青,刘刚,毛小平)

发布时间: 2022-05-11 16:05:01 浏览：次

摘要: 在先后建立了多个水利水电工程地质信息系统的基础上，对水利水电工程地质的工作内容、信息流流程和其中所采用的技术方法等，进行了比较系统的论述，从标准化体系的建立、动态工程模版的建立、多种数据采集方法的集成、动态数据库建设、参数化辅助制图、交互式半自动化三维建模、用户定制式空间分析和基本勘察报告的形成等方面总结了建立水利水电工程地质信息系统的一般思路、流程和技术方法。

关键词: 水利水电工程;地质信息系统;河网状信息流;技术方法

中图分类号: P641.72 文献标识码: A

水利水电行业是一个关系到国计民生和社会可持续发展的关键行业之一，水利水电工程地质工作是水利水电工程建设的基础和前提，由于地质工作到目前为止还是一个半定量半定性的工作，因而需要不断地引入新理论、新技术和新方法来促进行业的成熟与发展。信息技术作为一门横断性的技术体系，给各行各业的发展带来了新的契机和一系列的技术支持。从“数字地球”［1］到各行各业的信息化建设都可以看出信息技术在现代社会中对各行业的影响、渗透和支持。20世纪80年代以来，特别是数据库系统（DBMS）和辅助设计系统（CADS）引入水利水电行业以来，科学计算、数据管理与处理和辅助制图等极大地促进了水利水电工程地质勘察的信息化处理水平，GIS技术的引入，“3S”、“5S”［2］以及“多S”［3］技术（在“3S”或“5S”中加入DBMS、CADS和三维建模等技术）的提出与发展，水利水电工程勘察技术的发展，以及行业标准化的推广与普及，使水利水电工程地质勘察信息化［4］的一体化［5］处理成为可能。下面从水利水电工程地质的工作内容、工程地质数据的信息流流程和在这一流程中采用的技术方法等方面对建立水利水电工程地质信息系统进行详细的论述。

1 水利水电工程地质的工作内容

水利水电工程地质工作内容主要包括水利水电工程选址、工程区区域地质调查、工程测绘、工程钻探、勘探取样、工程地质试验、水文地质调查与测试、物探工作、工程地质问题调查、工程地质条件调查、天然建筑材料调查、资料整编等，山地地区还需要做大量的山地工程。其中区域地质调查包括区域地形地貌、地文期（夷平面）描述、区域河谷阶地、区域地层岩性、大地构造单元、区域地质构造、区域性断裂、地震纪录、地震基本烈度、潜在地震危险区、水库诱发地震分析、区域喀斯特形态、水库岸坡调查、泥石流调查、移动砂丘调查、冻土调查、水库浸没调查、水库区矿产调查、文物古迹调查、地面沉降调查、遥感影像判释等。试验包括土的颗粒分析、土的物理性质试验、土的膨胀性试验、黄土的湿陷性试验、土的力学性质试验、三轴试验、岩石物理性质试验、岩石力学性质试验、岩石抗剪强度试验、岩（体）石声波测试、钻孔水文地质试验、软弱夹层渗透破坏试验、土的渗透变形试验、岩石或夹层化学成分测试、喀斯特连通试验、静力触探试验、动力触探试验、标准贯入试验、载荷试验、旁压试验、岩体原位变形测试、观测现场岩体直剪试验、地应力测量、岩石显微镜鉴定、绝对年龄测定、十字板剪切试验等。水文地质调查与测试包括湖泊（水塘）调查、泉水（井）调查、地下水长期观测、平硐出水点记录、含水层描述、隔水层（相对）描述、地下水类型、承压水情况、水质分析基本成果、水中常见离子分析、水对混凝土侵蚀性判定等。工程地质问题包括地面变形调查、渗水（散浸）调查、管涌流土调查、砂沸调查、岸坡稳定性调查、埋藏决（溃）口调查、埋藏古河道（冲沟）调查、饱和砂土震动液化判别、渗透稳定问题、坝基抗滑稳定问题、坝肩抗滑稳定问题、坝基岩体压缩变形分析、溢流坝对下游冲刷问题、开挖边坡稳定性问题、水库渗漏问题、近坝地段水库渗漏问题、地基承载力问题等。工程地质条件调查包括水库移民建镇新址工程地质条件调查、建镇新址建筑适宜程度分区问题、水库库岸再造分析评价、工程地质分段、大坝工程地质条件、坝基岩体质量评价、坝基开挖处理建议、坝址防渗工程地质条件与评价、通航建筑物工程地质条件、围堰工程地质条件、地下洞室工程地质条件、防渗工程地质条件等。天然建筑材料调查包括土料调查、砂砾石料调查、块石料调查和人工骨料调查等，山地工程包括硐探、坑探和槽探等。资料整编包括数据资料的整理、图件的设计与编绘和地质报告的编制等［6～10］。以上这些内容在不同地区，对不同的水利水电工程，其工作内容会有所区别和增减。

2 水利水电工程地质工作内容的信息流分析

从上面的工作内容可以看出，水利水电工程地质工作的工作流程是一个从数据收集或收据采集工作开始，到数据整理或数据处理，再到编制图表和报告的过程。从信息流来看，这一过程是一个从数据源到数据管理，再到数据应用的过程，这个流程类似一个百流归海式河网状结构，各个数据源是河流的多个支流，支流汇集成流域级数据库或数据仓库并进行各项数据应用工作，流域级的多个干流（数据库或数据仓库）汇集成数据的海洋，形成全国水利水电工程的地质基础。这个基础需要有一个可以汇集多源数据的平台（标准化的公用数据平台），需要有能让数据汇集的通畅通道（数据接口和网络设计）和能让数据充分利用的多种技术和方法（多种应用系统）才能为后续的工程设计和工程施工提供强有力的数据与技术支持。

2.1 水利水电工程地质的数据源分析

水利水电工程地质的数据源是水利水电工程地质信息流的起点，主要包括工程选址调研数据等12类数据源。每类数据又可以细分为很多小类，如工程钻探数据又可以分为钻孔概况数据、钻遇地层数据、钻孔结构数据、钻孔岩芯质量数据、钻孔取样数据、钻孔试验数据、钻孔录像数据、钻孔小结数据等。而每个小类同时也包含了大量的数据，如钻孔概况数据就包括勘探阶段、钻孔编号、钻孔位置、钻孔目的、孔口X坐标、孔口Y坐标、孔口Z坐标、钻孔深度、地下水位、钻孔试验、覆盖层厚度、风化情况、岩芯获取情况、开孔日期、终孔日期、开孔孔径、终孔孔径、钻探单位、机长、记录员、校核员等数据。这些数据主要包括各类文字资料、图册、照片和多媒体类数据。依据其存储介质可以分为纸质资料和电子资料;依据时间可以分为历史数据（不同历史时期的数据）、状态数据（现阶段的状态数据）和影响数据（修建工程可能造成的现状改变后的数据）;依据空间性质可以划分为点、线、面、体等一维、二维和三维数据;依据数据表现形式可以划分为数字型、字符型［11］、图形型［12］和多媒体型数据。从数据管理角度，一般可以把这些数据划分为属性数据和空间数据两类。由此可见，水利水电工程地质数据具有数据来源多、数据种类多、数据层次多（可以从时空上划分为很多层次）、数据维数多（三维至四维数据）、数据应用主题多（可以用这些数据进行编制图件、进行工程分析与评价、编制各种报告、报表等）、数量巨大等多源、多量、多类、多层次、多维和多种应用主题等点源信息系统［13］的“6多”特征。

2.2 水利水电工程地质“6多”数据源的管理与处理流程

对水利水电“6多”数据源可以采用主题式［14，15］关系数据库技术来进行管理，其信息流管理与处理流程如图1所示。

首先对水利水电工程地质面临的工程选址调研数据等12个主要的数据源进行数据收集和数据采集，对采集到的数据进行数据整理、分析、归类、建模、编码等工作，从中分离出属性数据和空间数据。属性数据主要由字符型数据和数字型数据组成，空间数据主要由图形型和多媒体型数据组成。其中机助制图是指依据各种水利水电工程地质勘察图件的实体模型及其对勘察数据的需求，由属性数据库提供数据，通过计算机程序来完成的各种水利水电勘察图件（这类图件是空间数据库的主要数据源）。从而建立主题式属性数据库和空间数据库，属性数据库和空间数据库可以融合为主题式水利水电工程地质属性—空间数据库。其中空间图形信息多是显式的，一般作为软件的操作或工作的前台，而属性信息多是隐式的，一般通过前台的各种调用而显示，从而形成水利水电工程地质数据的采集、分析、存储、管理和处理的工作平台，在此数据平台的基础上，可以为查询检索、统计分析、工程计算、机助制图、三维建模、空间分析、评价决策、报告报表生成等多种应用主题的数据应用工作提供强大的数据与技术支持。

以上是水利水电工程地质数据的一般信息流管理和处理流程。这个流程应用于某个具体的工程，就是一个完整的水利水电工程地质信息系统，它由“6多”数据源的收集与采集、主题式属性—空间数据库和具体工程的数据应用3部分组成，可以完成相应工程的数据采集、管理、分析、计算、制图、三维建模、报告报表生成、工程评价决策等一系列工作。具体水利水电工程地质信息系统的汇集加上省区级数据的采集和处理就形成了省区级地质信息系统，省区级地质信息系统的汇集加上流域级数据的采集和处理就形成了流域级地质信息系统，并最终形成全国水利水电工程的地质信息系统。

在这一信息流处理与工作流程中，无论是对具体工程级、省区级、流域级或国家级地质信息系统，都遵循统一的标准化体系、统一的软件体系结构、统一的处理方式和流程，每级系统既是完整的信息系统，又是上一级系统的数据源［16］，下一级系统的逐渐完善，就会不断丰富上一级信息系统。这就保证了各级数据在数据采集、数据管理、数据处理、数据存储和数据应用等一系列环节上的一致性，也就保证了数据的充分共享性，从而可以最大程度的利用已有的各类数据，进行各级的数据应用工作。同时，这一信息流程又是开放的，可以随着信息流的变化而做出相应的调整和改进。

3 地质信息流处理中采用的技术方法

通过以上对水利水电工程地质工作内容和其信息流的分析，结合水利水电工程地质勘察的工作需求，可以把水利水电工程地质勘察需要处理的基本问题分解为:标准化体系的建立、动态工程模版的建立、多种数据采集方法的集成、动态数据库建设、参数化辅助制图、交互式半自动化三维建模、用户定制式空间分析、基本勘察报告的形成等。

这些针对信息流特点所采用的技术方法的应用是基于这样一个事实:水利水电工程地质工作就每个具体工程而言是有差别的，但是水利水电工程地质又都是相似的，尤其是同类水利水电工程地质工作，从信息流角度来分析，符合本文前述“水利水电工程地质工作内容的信息流分析”中的所有特征。同时，如果针对每一个水利水电工程都建立一套地质信息系统，因为重复开发［17，18］等各种原因，不但势必造成人力、物力的巨大浪费，软件研发的普遍滞后也将引起大量“空库”或数据库中数据太少等现象的产生，而且由于标准化的差异，也会造成大量的“信息孤岛”等一系列的问题，从而严重影响水利水电行业信息化的进程。

3.1 标准化体系的建立

水利水电工程地质信息系统的标准化体系是以水利水电工程地质的标准化体系为基础和标准而建立，从上面的信息流流程上可以看出其涉及的内容包括数据编码的标准化、元数据的标准化、图式图例的标准化、图层划分与设置的标准化和三维可视化标准化等。

这些标准从广度上从大到小可以划分为5级:国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。采用的原则是以大标准为标准，大标准没有的再采用小标准补充。国际标准与国家标准有冲突的例外，这种情况下，在国家标准未调整前，以国家标准为标准。

这些标准的建立，是信息系统建立的前提，是信息系统使用的基础，直接关系到软件的实用性、数据的共享性和系统的生命力。

3.2 动态工程模板的建立

动态工程模板预先依据水利水电工程地质信息流的特点，从“6多”数据源到各级地质信息系统，建立详尽的水利水电工程地质实体模型、管理模型和数据流图，并以此为基础，建立系统各子类的通用模型和一系列的特殊模型，共同形成系统的处理模版，并依据水利水电工程在空间的展布特点建立图形界面和菜单界面，国家级系统以国家水电工程的分布图为操作界面，可以进行各类查询检索和统计计算等工作和水利水电规划工作，并可依据流域或省区的分布进入流域或省区的详细水利水电工程分布界面，进行各类查询检索、统计计算和规划工作，也可以在此基础上，直接进入某个已有的具体的水利水电工程，这时的界面是具体工程的空间平面图或工程区立体地质图，可以进行地质信息系统中信息流所涉及到的所有工作。对新建的工程，由工程级使用人员依据图形界面上对应的空间地理位置或菜单进入相应的工程区，给出具体工程的名称和分类、特点等一般工程信息，系统将调用动态处理模版建立对应具体工程的信息系统。在此工作过程中，系统的建立是依据工作需要随时调用模版而动态建立的。

由于不同的工程面临的地质情况可能不同，因而工程管理模版以文档或图表的形式对不同级别（工程级、省区级、流域级和国家级）的管理员进行相应不同级别的开放，管理员可以通过文字修改或文字定制，对系统的界面和处理内容进行定制和更新，其目的是使系统更加符合不同用户的要求以便可以更方便、高效地工作。但是，这一灵活的过程始终处在系统统一的标准化体系、统一的软件体系结构、统一的处理方式和流程中，因而兼顾了系统的灵活性、统一性和完整性。

3.3 多种数据采集方式的集成

对水利水电工程地质勘察而言，基本数据获取的代价是十分昂贵的，而且勘察数据的获取一直是水利水电工程勘察信息化的瓶颈之一，经过多类、多个工程建设的实践，尤其是三峡工程、南水北调中线工程和长江堤防工程地质信息系统的建设实践，总结并集成了4种基本的数据采集方式。在使用过程中可以采用某一种方式进行数据采集工作，也可以随时采用任一种或多种方式进行数据收集或采集。

方式1:直接录入方式，这是传统的数据收集和采集方式，包括依据属性表逐项录入和图形图像的扫描矢量化处理等;

方式2:转换接收方式，利用或编制大量的数据接口，如word、Excel等文字类资料的入库接口，Database、Fox Base、Access、SQL Server、Oracle等数据库系列间数据的转换接口，DWG、DGN、DXF、WMF、E00、SHP、WAL、WAP、WAT、GEX等图形图像之间的转换接口，多种数据自动采集仪器与系统的接口等手段来实现已有的大量数据的归一化处理和入库工作;

方式3:适应用户方式，在统一了标准化体系后，用户按各自的习惯，比如用电子表格或者各类数据库系列或者word等对数据进行录入，然后利用方式2的功能进行数据入库工作。

方式4:属性与空间图形或三维模型捆绑录入方式，即通过空间图形界面或三维模型来录入属性数据，如在工程平面图上或三维模型上点击钻孔，就可以调出钻孔数据的录入界面来录入该钻孔的相关资料，这是一种比较直观的数据采集方式。

3.4 主题式动态数据库建设

系统预先依据国标、行标和处理模板建立了数据编码国标库和图式图例库等库结构字典［19］，依据国标库和详尽的数据需求分析建立了全面的系统地质数据库，这是系统处理模板的主要基础之一，并组成了系统的基础库结构。

不同级别的管理员，可以依据具体工程的实际情况，对模版中的数据项进行增加、修改或删除等编辑操作，整个编辑过程中，用户是在统一的基础库结构的约束下进行的，系统会依据用户最终确认的文档对数据库进行更新［20］，从而建立具体工程的数据库即用户数据库，并把修改记录上报给上级管理员。一般用户在制定好的用户数据库层面进行操作，且不能对其结构进行更改，工程结束后向上级数据库汇总。

这一过程主要包括数据源调查、分类及整理、数据库标准体系的建立、数据分类及编码、数据字典的建立、动态数据表的建立、多主题数据录入设计、数据传输（接口）设计、数据查询设计、数据计算功能设计、数据统计功能设计、数据的多主题输出、用户管理、数据及系统安全设计、数据库监控和数据库维护等步骤。

3.5 参数化辅助制图

水利水电工程地质图件是水利水电工程地质勘察数据与信息的主要表现形式和工作成果，一般可以分为4种类型:①柱状图类，包括钻孔柱状图和综合地层柱状图等;②剖面图类，包括纵剖面图、横剖面图、防渗剖面图和各类断面图等;③平面图类，包括综合地质图、构造纲要图、平切面图、水文地质图、等值线图、天然建筑材料分布图等;④其它分析图件，包括平硐展示图、探槽展示图、竖井展示图、节理玫瑰花图、等密图、勘探布置图、静力触探图、十字板剪切图等。

计算机辅助制图采用参数化制图［21］的方法，依据水利水电工程对不同地质图的具体要求和格式约束，建立工程地质制图的标准图式图例库、花纹符号库、线型库、纹理库和地质图模型库等参数化模型，由数据库提供相关图件需要的数据，依据图件的具体需求，从参数化模型库中提取图件的基本模型，从而生成各类相关图件。

这一部分由数据提取模块、图形构件模块、线型、花纹、符号、纹理设计模块、图形生成模块、图形编辑模块和图形输出模块等组成。数据提取模块从数据库中提取相关图件需要的数据，在此过程中用户可以进行必要的定制或设置，图件构件模块提供各类图件的基本构件，如图形框架结构、图框表现形式、图头、图例、责任表等基本图元，线型、花纹、符号、纹理设计模块可以调用各类常见的线型、地质花纹或地质符号，也可以随时对库中没有线型、花纹或符号进行设计并增加到库中。图形生成模块对对应图件的相关资源进行整合，形成初步的完整图形。图形编辑模块提供图形的编辑环境，可以方便地对所生成的图件进行自由编辑。图形输出模块提供图件多种形式的输出，包括多种格式的输出、绘图仪等硬件输出和为三维建模服务的专题输出等。

3.6 交互式半自动化三维模型

水利水电工程三维地质模型的建立是进行水利水电工程地质体三维可视化分析，三维可视化计算以及综合分析决策的基础和平台。其数据源主要包括地表测绘点数据、地质观测点数据、钻孔数据、剖面数据和平面数据等属性—空间数据库中的数据，使用边界表示法（B-Rep）［22～24］来表达三维地质体空间数据模型，采用曲面剪切方法来建立三维地质模型。

B-Rep模型采用实体的边界来代替实体，将空间对象分解为点、线、面和体4类元素的集合，每一类元素由几何数据、类型标志及相互之间的拓扑关系组成，三维实体用它的边界来表示，同时通过空间拓扑关系建立各边界之间的关系。这种模型既有利于三维构造—地层格架［25］内部实体的各种空间位置和拓扑关系的保持，也有利于进一步对三维灾害地质体模型进行矢量剪切分析和过程演化模拟。

这一过程主要包括数据源规范化整理、一维、二维数据的三维化、边界的确定、地表DEM的生成、钻孔、剖面和平面数据空间位置联系的建立、工程区有效实体空间区域的划分、地层—构造格架的建立、曲面矢量剪切建模和三维模型的整理修饰等步骤。

3.7 用户定制式三维空间分析

用户定制式三维空间分析主要是基于空间矢量剪切而实现的。从几何学角度看，矢量剪切可分X、Y、Z方向和任意方向剪切。其基本方法是:取出所有图形数据点，判断此点是在剪切面的哪一侧，保留在其中一侧的数据点，舍弃在另一侧的数据点;然后求出剪切面与所保留图形的交点，并将这些交点按照图形的拓扑关系形成相应的填充区，采用同样的方法，处理每一个相交的面，根据继承的拓扑关系与保留图形一起形成新的曲面和实体［25］。

这部分的工作主要包括基本空间分析功能和用户定制空间分析功能。基本空间分析功能包括钻孔、构造等属性数据的空间查询，空间坐标、长度、距离、角度等空间量测，挖、填方量等体积和面积计算等空间计算，横、纵、斜、平等空间剖切分析等;用户定制空间分析主要包括对三维体进行任意定制的多面联合切割分析，规则或不规则地表开挖分析，地下洞室、平硐等挖刻分析和虚拟钻孔、平硐、洞室等的虚拟设计分析等。

3.8 基本勘察报告的生成

由于水利水电工程往往涉及面广，而且多处在复杂的地形地貌条件下，面临复杂的地质结构，因而水利水电工程勘察报告一般没有详细的规范性规定，只有一个大致的约束。

从水利水电工程地质信息流的流程上来看，勘察报告的基本内容都分解存储在属性—空间数据库中，这部分工作的基本思路就是依据水利水电勘察规范中对勘察报告格式和内容的规范性约束，对属性—空间数据库的数据进行重新组合，生成基本的勘察报告。如地层部分，就可以依据本工程区内数据库中地质年代的先后顺序和钻孔分布位置，给出各地层在工程区的分布、厚度和基本描述，同时可以生成综合地层柱状图作为综合工程地质图的一部分。

4 工程应用情况

应用以上方法，先后完成了“南水北调中线工程数据库及辅助设计系统”、“基岩地区图件辅助设计系统”、“三峡坝区工程地质信息系统”、“长江堤防工程地质信息系统”、“长江流域防洪规划多媒体信息管理系统”、“水利枢纽工程地质三维建模及空间分析系统”等水利水电工程地质勘察信息系统的研制开发工作。这些软件在当时工程进行时储存了宝贵的工程地质数据，提高了工程勘察工作的工作效率。

由于水利水电工程地质勘察面临很复杂的各种情况，因而该行业的信息化需要更多人的关注与努力。

参考文献:

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［6］水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）.

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