徐黎明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



GIS在铁路工程勘察中的应用综述

徐黎明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

GIS技术以其特有的功能已广泛应用于社会各个领域，其中包括铁路工程勘察领域。分析GIS技术在铁路工程勘察中的应用现状，阐述铁路工程勘察GIS系统的作用、存在的问题以及将来的发展趋势。

铁路工程勘察GIS

目前我国铁路运营里程已突破11.2万km，其中高铁运营里程已达到1.9万km，位居世界第一。“京津冀协调发展”、“一带一路”等战略的提出也必将带动铁路建设的空前发展。在铁路勘察设计过程中获得的工程地质勘察资料是非常宝贵的信息资源，这些成果不仅对当时的铁路建设起到指导设计施工的重要作用，而且还可以供附近线路及岩土工程建设参考利用，所以这些勘察成果也具有很高的重复利用价值[1]。然而，勘察资料的获取、整理与存档大多按传统模式进行，不同单位、不同工程、不同阶段的勘察成果均是以文字报告、电子文件等方式孤立的存储，很难实现勘察资料的高效重复利用、信息资源共享和综合分析应用[2，3]，严重影响利用率。GIS(地理信息系统)凭借其特有的输入、存储、查询、分析和可视化功能，能快速有效的进行数据查询、统计分析，将GIS引入到铁路工程地质勘察领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是将管理、计算机、遥感、空间信息、数学等多个学科融为一体的新兴学科，并且已经发展为一门新兴的产业并应用到当今社会的各大领域，其中包括海洋气象、农林牧业、遥感测绘、环境保护、地质灾害、土地管理、地质矿产、城市规划及国防建设等[4]。GIS是一个以计算机为载体，以信息数据库为基础，采用模型分析方法为信息研究和决策服务的技术系统，具有以下几项基本功能[5]。

(1)数据的输入与编辑：GIS的这个功能主要用于采集数据，就是将需要统计分析和存储的数据输入到GIS系统中作为信息数据库。输入之后并不是一成不变的信息数据，可以根据实际情况随时编辑修改。

(2)数据操作：GIS的此项功能主要包括信息数据的格式化及信息数据不同格式之间的相互转换等。

(3)数据存储与管理：数据的存储是建立信息数据库的关键，建立了信息数据库才能实现GIS的其它功能。

(4)查询、统计、计算：此项功能是GIS应具备的最基本功能之一。GIS信息数据库内的数据非常庞大，人工查询费时费力，很难实现。在GIS系统内可根据需要查询的数据特征进行条件搜索，快速查询信息数据，并且可以进行多重条件的统计、计算，此项功能也是GIS系统辅助决策分析的基础。

(5)空间分析：此项功能是GIS的核心功能，是在GIS系统下辅助分析问题和解决问题的方法。

(6)显示和输出：GIS具有可视化功能，可以通过计算机屏幕将信息数据或是成果数据呈现给用户，也可以通过文字报告、统计表格、平面图件的方式将成果输出。

2　勘察领域GIS应用现状

在GIS技术应用于工程地质勘察领域的研究方面，美国、日本等国外一些发达国家起步较早，在应用的广度和深度上均比国内要好。20世纪90年代，美国已在水资源及工程勘察领域内建成了80多个GIS系统。Ellen S.D.和Wentworth C. M.在1987年运用GIS技术对区域工程勘察进行分析；Peter D.C.等人于1991年将GIS技术应用于工程勘察信息数据的分析评价；以上国外学者的研究均取得了良好的效果[6]。1994年美国联邦高速公路管理局(FHWA)与美国国家科学基金会(NSF)联合建立了美国岩土工程试验GIS系统，这个GIS系统可以对所有现场的土工试验数据进行采集、存储、显示、输出和管理，进而为工程地质勘察服务。

国内将GIS应用于工程勘察领域的研究起步较晚，2000年之后国内少数大城市的勘察单位开始将GIS技术应用于工程勘察领域[8]，武汉、深圳、成都、上海、北京、广州、杭州先后建立了本市的工程勘察GIS系统。在铁路工程地质勘察方面，屈晓辉、乔平等人探索了基于GIS的铁路工程地质数据管理方案[9]。铁三院开发了铁路工程地质勘察GIS系统。从整体上看，这些系统在研发与应用方面都尚处于起步阶段，多数只能实现部分特定功能，辅助完成一些局部的工作。我国的工程地质勘察GIS系统多停留在科研层面，工程实用还较少，很少用于工程实践。

3　铁路工程勘察GIS系统的功能

基于GIS本身具有的特定功能，铁路工程勘察GIS系统可以实现以下功能。

3.1工程勘察数据的存储、查询与管理

数据的存储、管理、查询与统计是GIS最基本的功能。同理，工程勘察成果的存储、查询与管理也是铁路工程勘察GIS系统最基本的功能。将工程项目收集到的区域地质资料、气象资料、地震资料，勘察过程中获取的钻孔成果、原位测试成果、土工试验成果以及最终的勘察报告成果，以文字、表格、图件等形式输入到铁路工程地质勘察GIS系统内。该系统可以将这些成果保存为数据库进行一体化的管理，操作人员可以在铁路工程勘察GIS系统内对已输入的成果继续编辑，也可以根据自己的需要选择多种方式(比如按工点、按里程、按编号、按数据属性等)进行快速的搜索查询和统计计算，铁路工程勘察GIS系统可以大大提高勘察成果的重复使用率。

3.2工程地质分析与应用

铁路工程勘察GIS系统可以辅助工作人员完成铁路工程勘察的专业分析，可以生成勘探孔平面图、工程地质柱状图、工程地质纵断面图、工程地质剖面图等，还可以生成静力触探曲线、动探曲线、波速曲线等原位测试曲线，固结压缩曲线、直剪试验曲线等各种土工试验曲线，辅助完成工程决策。铁路工程勘察GIS系统可以根据系统数据库内的工程勘察成果资料自动生成铁路工程地质勘察报告。

3.3地质建模与可视化分析

目前，工程勘察领域内的专业软件均是以传统模式输出平面图件，均不具有三维地质建模的功能。GIS技术具有良好的三维可视化功能[10]，铁路工程勘察GIS系统可以根据系统数据库内工程地质勘探孔的地层数据和工程地质剖面数据构建三维地质实体模型。系统的此项功能具有交互性，用户可以根据需要选定特定的勘探孔数据，构建反应工程场地局部地质构造单元和地层结构空间展布特征的三维地质实体模型，并且可以实现三维图形操作功能，可以对三维地质实体模型进行缩放、旋转、平移等操作[11]。铁路工程勘察GIS系统具有三维可视化分析功能，可对构建的三维地质模型进行任意剖切，并对剖切后的三维地质实体进行可视化显示。在此功能基础之上可以实现三维仿真模拟，可以在三维地质实体模型上进行开挖路堑、桥梁、房屋基础等模拟。

3.4成果的生成与输出

铁路工程勘察GIS系统可以将查询统计结果、分析成果以及存储的勘察资料成果以纸质文件的形式输出。包括资料图件的输出、数据表格的输出、平面成果图的输出和三维地质实体模型成果的输出。资料成果图输出包括区域地质构造图、工程地质图、地貌分区图、水文地质图、水土侵蚀性分区图、地震液化分区图等。报表数据输出包括各种试验数据表格、勘探孔一览表、土工试验物理力学统计表、承载力计算单和液化判定计算单等。平面成果图件包括勘探孔平面布置图，工程地质柱状图、断面图、剖面图等。三维地质实体模型输出就是对三维地质模型静态效果图进行输出，包括根据需要进行剖切后的地质模型输出。

4　GIS应用于铁路工程勘察存在的问题

4.1操作人员的GIS技术水平不高

目前，工程勘察领域的专业技术人员中多数对于GIS技术的了解并不深入，技术水平相对薄弱。GIS在铁路工程勘察领域内要取得良好的应用效果，需要操作人员既要有扎实的工程地质专业基础，又要能熟练运用GIS技术，只有这样才能在铁路工程勘察领域内充分利用好GIS技术，这也是GIS技术在工程勘察领域内推广普及的瓶颈。因此，加强技术人员的GIS技术培训，提高操作人员的GIS技术水平非常重要。

4.2数据质量

铁路工程勘察GIS系统具查询统计及工程地质分析功能，但是计算机系统毕竟不如人脑，它不能综合考虑相关因素，它的分析只根据系统获取的内部数据，所以该系统工程地质分析质量的好坏直接取决于数据库内数据质量的好坏，比如数据质量较差、误差较大或是缺乏数据均会影响最终分析结果。同一场地的综合勘察数据有可能采取钻探、触探、挖探等不同的勘探方式，扁铲、旁压等不同的原位测试方法，存储的格式也不尽相同，这些都有可能影响数据管理的效率和数据结果分析的准确性。

4.3数据的闭塞性

数据的共享是提高数据重复利用率的关键，铁路工程勘察GIS系统建立的最主要目的是实现勘察资料的高效重复率用和共享。目前，不仅铁路工程勘察GIS系统也包括其他勘察GIS系统最大的缺陷就是数据的共享不足。首先，不同单位之间的勘察成果都是保密的；其次不同的勘察GIS系统之间不能实现数据的交换。原因在于不同的勘察GIS系统可能采取不同的数据整理方式、不同格式的数据源、不同的存储格式等，没有统一的标准，因此造成各个系统之间、各个环节之间比较封闭，不能实现数据的交换合作，也就不能实现勘察信息的共享，使得GIS系统不能发挥其最大的功效，这注定阻碍了铁道工程勘察GIS系统的广泛普及。

4.4GIS技术本身的缺陷

目前我国勘察领域GIS技术的发展尚不完善，处于发展的初级阶段，很多勘察专业领域内的问题依赖GIS技术尚不能解决，比如相对复杂地质体的三维建模及其处理分析等。GIS技术本身的缺陷也限制了GIS技术所能发挥的最大功效，其本身还需要一个完善的过程。

5　铁路工程勘察GIS系统发展趋势

5.1与专家系统相结合

如前所述，铁路工程勘察GIS系统的分析功能仅依靠其系统数据库内的数据，它的分析是机械的。然而工程地质条件是复杂多变的，更多的情况需要依靠工程经验综合考虑，所以需要与专家系统相结合，运用专家学者的工程经验和专业知识来帮助GIS系统进一步提高工程分析结果的可靠性与准确性，进而促进铁路工程勘察GIS系统的发展。

5.2实现数据共享

在将来发展中，GIS系统需要建立一个标准的数据模式来实现所有勘察信息资源的共享，以促进勘察信息资源的利用率。

5.3更好的数据处理能力

铁路工程勘察GIS系统具有可视化分析功能，但是目前GIS系统大多应用于数据查询和数据存储管理，数据处理更多的应用于平面图形的分析与处理，三维地质实体模型的空间分析功能有限，比如多期构造形成的复杂地质体的实体模型尚无法构建。随着GIS技术的不断发展，建立面向多维度、多元化数据处理的铁路工程勘察GIS系统是必然的趋势。目前，铁路工程三维协同设计、铁路工程BIM技术的发展使得传统的工程勘察成果模式已不能满足要求，基于GIS技术的铁路工程勘察成果与铁路工程BIM技术、三维协同设计相结合将是未来发展的必然趋势。

[1]乔平.基于GIS的铁路工程地质数据管理方案[J].铁道工程学报，2009(12)：35-43

[2]王小明，朴春德.基于GIS的电力工程勘察信息系统设计研究[J].防灾减灾工程学报，2011(2)：207-232

[3]宋桂荣.GIS地理信息系统在岩土工程中的应用研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2012

[4]包世泰.基于GIS的地质勘察信息模型研究及其应用[D].北京：中国科学院研究生院，2004

[5]刘勇.基于GIS技术的工程地质资料管理系统的开发与应用-以云万高速公路为例[D].成都：西南交通大学，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的工程勘察信息系统的构建与开发[J].四川大学学报：工程科学版，2007(S)：163-167

[9]屈晓辉，乔平，等.工程地质勘察信息资源研究与应用[R].天津：铁道第三勘察设计院，2006

[10]赵龙，赵亮亮.三维GIS技术在三台阶七步开挖法隧道工程进度管理中的应用[J].铁道勘察，2014(1)：11-13

[11]苏林.铁路线路三维设计研究与开发[J].铁道勘察，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年毕业于吉林大学地质工程专业，工程师。

1672-7479(2016)02-0046-03

P208； P642

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