试论如何建立工程地质钻孔数据库

马湘军

摘要：当前我国的工程建设正处于蓬勃发展的时期，而各类建筑物的规划设计是以工程地质勘察资料为基础的。为了建立结构规范统一的工程地质勘察信息数据库，本文提出了“用户”与“系统”两级数据库相互映射的技术，把用户对数据的操作和计算机处理数据的过程分离开来。在系统数据库中采用“块—层”结构的地层数据模型，对钻探区域进行了“地层层序”优化。

关键词：工程地质 钻孔数据 数据库 地层

0 引言

地质勘察数据地域性强、种类繁杂、输入输出量大、加工处理十分复杂，其中土层的钻孔数据是最重要的资料，这种资料更原始、量更大、更具特点，处理起来也更复杂。怎样对这些资料进行有效、规范的管理，到目前为止，还没有一种公认的针对地质钻孔信息的数据库结构应用于实践。本文引入了内外两级数据库优化映射的思想和一种新颖的地质“块—层”结构，并在此基础上开发了地质信息管理系统，对地质勘察信息特别是钻孔资料信息进行科学有效的管理，并对一个工程实例进行了地层情况的插值模拟。这样不但能够积累工程经验，对后续工程的设计施工提供指导，而且可以为城市规划等宏观决策提供借鉴。

1 内外两级地层数据库

工程地质勘察数据是人们对地球表层岩土分布情况的记录，包含了地层的众多信息。受两方面因素的影响：一是地壳运动和周围环境的原始构造运动，二是人类工程活动引起的施工扰动，这就造成了地层结构复杂多变，地层翻转、缺失时有发生。要把这些浩如烟海、多源异构的数据建库，用数字化的方法直观地展现出来，采用单一而简单的地层数据模型显然不能满足需要。尤其在大型工程中，大范围地揭露土体，土层较多、土体类型变化复杂时更是如此。用户编辑信息时使用的数据库繁杂，计算机内部处理系统使用的数据库要求结构规范化，这两者之间就形成了矛盾。本文提出的用户数据库和系统数据库的两级映射技术可以很好地解决这个矛盾。

1.1 用户数据库 这个数据库是一级数据库，面向用户，适应用户的使用习惯和需要，包容性比较强，它的结构可以比较松散，和钻孔勘察的记录数据差不多，有点号、平面位置、标高、各个土层类型和厚度等信息。用户可以在这个数据库里以区域为单位导入导出数据、修改编辑数据、查询数据、生成和浏览各种报表图表。采用对象嵌入技术还可以实现图形（主要是地图）和数据的超链接。

1.2 系统数据库 这个数据库是二级数据库，应用于系统内部的数据处理，由一级数据库优化映射得到，各个钻孔的信息具有规范统一的数据模型，即下面要介绍的地质“块—层”结构。这就克服了用户数据库结构松散、数据冗余的缺点，同时适应内部管理数据的要求。

1.3 区域地层层序优化技术 用户通过一级数据库输入某一区域的地质钻孔数据。但是实际应用中地质情况是复杂多变的，各个钻孔所揭露地层的层数、层序都不会完全一致，需要再经过一个“优化”的过程，得到针对这一区域的“优化地层层序”。“优化地层层序”包含了该区域所有钻孔揭露出的各种类型的土层，并以一种“优化”的顺序排列起来，目的是着眼于区域中大多数钻孔的地质情况来组织系统数据库。例如某种类型的土层在大多数钻孔中都处于靠近地面的上层，那么它在“优化地层层序”中的位置也相对靠上；某种类型的土层只在极少数钻孔中才出现，就可以规定一个阙值，小于这个值时这种土层在“优化地层层序”中就被忽略了，或者与临近土层合并。当然，这些“优化”的方法也可以由用户选择使用。如果把优化规则定义为：给钻孔的不同位置赋予不同的数值，从上到下依次递增，和地面最接近定义为第1层，最远离为最后一层，以此类推。

1.4 两级数据库映射技术 得到“优化地层层序”后，就以此为基础，联系下面要提到的“块—层“结构模型组建系统数据库。因为经过了优化，系统数据库的结构紧凑规范，为特定区域专用，方便了后续的数据处理工作。由用户数据库可以映射到唯一的系统数据库。同样，由系统数据库也可以唯一映射回用户数据库。在一个数据库中所做的修改可以迅速地反映到另一个数据库中。从本质上说，这两个数据库是对同一个客观事物用不同结构进行的抽象和反映。应该强调的是，用户只能操纵用户数据库，系统数据库对用户来说是不可见的。

2 地质“块—层”结构模型

用户数据库优化之后仍有一些问题不能解决，各钻孔怎样利用“优化地层层序”来表达自身的地层层序呢？这就要用到地质“块—层”结构模型。这种结构模型把“优化地层层序”作为一个基本块，这个基本块重复出现。即各个地层组成基本块，各个基本块组成钻孔模型。各钻孔的土层情况与基本块比较，顺序相同的依次填入数据，有土层翻转的就增加一个基本块再填入，有土层缺失的就填0。数个基本块连接成钻孔的土层结构，形成一种灵活的、可伸缩的数据模型。

3 地质勘察数据库的数据处理

数据建库的根本目的是为了高效、合理、科学、规范地管理和处理数据。现在有关地质实体的研究多着眼于三维地层建模，体现在两方面：一是适应于地层模拟的空间数据模型研究；二是三维地层建模的具体实现方法。综合考察现有的各种地层模拟方案发现：多数方法的建模过程都比较复杂烦琐，而且最终成果往往是形态构造和直观形象，缺少具体的数值结果和量化指标，可利用性不强。针对这些缺陷，本文提出的地质数据库处理系统不但能够向用户提供以查询结果为基础的报表、平面图、剖面图、压缩特性曲线图和土工实验表等可视化效果，更重要的是它可以把钻孔的地层信息量化地提供给用户。由于工程钻探的高成本和自然条件的约束，在一个特定的研究区域中，往往只能获取有限数目的钻孔数据，那么没有钻孔资料的点位怎么办？在系统数据库中，各钻孔的地质信息有形式上一致的结构，可以使用比较成熟的技术，利用各钻孔点的平面坐标构建整个区域的点位拓扑关系，如构建Delaunay三角网。再根据拓扑关系选择一些已勘探点来模拟插值未知点的地层信息。

4 结语

4.1 要把繁杂的钻孔地层信息建立数据库，进行科学有效的管理，前提是要建立一个操作性强、统一规范的数据模型。地层“块—层”结构就能够比较完美地解决地层层序中的大多数异常问题，如地层翻转、缺失等。但对于在同一钻孔中重复出现的地层只能舍弃，认为它只出现一次。虽然实践中重复出现同一地层的现象不太常见，但是这也是这种结构的不足之处，建议进行更深一步的研究。

4.2 要由钻孔信息的原始数据建立地层信息数据库，就要先由用户数据库优化出区域的“优化地层层序”，建立各个钻孔的地质“块—层”结构，再建立起适用于信息处理要求的系统数据库。以此为基础开发出的工程地质勘察信息处理系统可以为工程建筑设计部门和城市规划部门的计划、决策提供数据服务。

参考文献：

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[2]周小文，付晖，吴昌瑜.地层特性随机场插值方法应用研究[J].岩土力学.2005.26(2)：221 224.