岩土工程勘察内外业一体化作业系统设计与实现

于 琳，王海起，张志华，吕三和，周圣川*

（1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.江苏省测绘工程院，江苏 南京210013；3.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033；4.海陆地理信息集成与应用国家与地方联合工程研究中心，山东 青岛 266033）

岩土工程勘察内外业一体化作业系统设计与实现

于 琳1,2，王海起1，张志华3,4，吕三和3，周圣川3,4*

（1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.江苏省测绘工程院，江苏 南京210013；3.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033；4.海陆地理信息集成与应用国家与地方联合工程研究中心，山东 青岛 266033）

针对传统的岩土工程勘察内﹑外业作业中存在数据记录模糊﹑信息内业录入错误﹑产生重复劳动等问题，研究了岩土工程勘察数字化移动采集的关键技术；并基于多源异构数据库融合转换和移动数据采集技术实现了GIS与岩土工程勘察工作的无缝融合，构建了内外业一体化工作方法；实现了土层﹑采样﹑动探﹑标贯等工程勘察外业数据的数字化采集﹑内业无缝融合及勘察数据电子表单的自动化输出，以及从数据采集到数据管理再到数据应用的全生命周期数字化﹑智能化勘察作业。该成果已应用于青岛市地铁3号线的勘察工作中，效果显著，降低了勘察技术人员的工作强度，提高了工作效率，为移动GIS在勘察领域的应用提供了新思路。

岩土工程勘察；移动GIS；iPad；内外业一体化

传统的勘察数据采集模式是先在野外进行纸质编录，再回到室内对数据进行整理筛选，最后逐项输入到数据库中统一管理。这种工作模式已不能适应现在勘察任务重﹑工期紧的形势需要，存在很多弊端：① 作业方式陈旧，工作效率低；②信息重复录入错误率大，降低了勘察数据质量；③较多的人为因素导致工作模式不可追溯﹑项目不可控；④原始资料不宜保存，数据更新困难；⑤数据采集不能进行实时监控，数据紊乱，需要二次采集[1-3]。基于此，随着移动GIS技术的发展，本文提出了一种以ArcGIS API for iOS和异构数据库融合转换为主要技术的内外业一体化作业方案，实现了岩土工程勘察全程无纸化作业，解决了传统作业模式的弊端。

目前，移动GIS技术在地下管线数据采集[3]﹑城乡规划监督执法[4]﹑地理国情野外调绘[5]﹑测绘外业数据信息采集[6]等方面应用广泛。综合对比分析了当前各种移动终端设备的优劣，其中iPad系统界面友好﹑电池续航能力强，内置的GPS﹑陀螺仪等精度较高，可辅助勘察外业钻孔放置。因此，本文基于iPad开发了岩土工程勘察外业数据采集系统进行实地采集记录，再将数据回传至内业数据服务器进行统一管理；并设计了相关程序实现内业数据自动化处理。通过构建覆盖勘察工作全生命周期的移动化﹑网络化﹑自动化系统，将移动GIS与岩土工程勘察工作有机结合，以提高工作效率。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

结合岩土工程勘察外业环境特点和行业需求，系统需实现在较大工作区域内多客户端的协同工作，实时提交数据到GIS服务器，快速﹑高效地完成地理空间数据的采集和更新工作，使整个生产流程内外业一体化。鉴于C/S架构功能强大﹑运行效率高﹑支持离线工作等特点[7]，系统采用C/S体系架构，逻辑结构分为基础层﹑数据层﹑业务层﹑应用层4部分，如图1所示。

1）基础层主要包括支持系统软件运行的硬件设备：数据库服务器﹑应用服务器﹑网络设施等。

2）数据层的数据库兼顾勘察内外业一体化作业，采用混合架构设计。移动外业数据采用轻量级的SQLite数据库采集；内业数据处理采用理正工程勘察CAD数据库；服务器数据采用FTP文件服务器管理。

3）业务层形成模块化的软件工程组织架构，各应用端通过软件通信接口和网络协议相互链接。其中用户管理﹑数据采集﹑外业辅助属于移动端；数据处理﹑报表管理属于内业数据处理端；数据存储属于服务器端。根据运行环境和需求，不同的业务模块分别采用不同的开发技术实现。

4）应用层是系统功能的载体，提供用户操作界面，负责系统功能和数据展示。

1.2 系统数据库设计

目前，在岩土工程勘察行业中，常见的工程勘察软件有理正﹑华宁﹑KT3000和上海软盘等。通过比较各项指标发现，由北京理正软件设计研究所开发的《工程地质勘察CAD（GICAD）》软件，技术领先﹑功能强大﹑适应性广，在各方面都具有较明显的优势，适应勘察单位长远需求[8]。因此，系统采用理正工程地质勘察CAD数据库（.mdb）对勘察数据进行统一管理。

图1 岩土工程勘察内外业一体化作业系统框架图

受限于存储空间和计算能力，移动设备一般无法运行关系型数据库系统。SQLite数据库访问效率高﹑支持SQL查询语法，尤其适合移动终端使用。因此，系统采用SQLite数据库存储管理采集数据和空间数据。遵照岩土工程勘察相关标准和规范，结合SQLite存储数据的特点，在表结构设计中，充分利用规范化关系理论来确定各数据表间的联系[9]。系统的各种数据信息表通过钻孔编号（ZKBH）有效关联，主要信息表结构设计如表1所示。

表1 主要数据信息表结构

外业采集的数据以嵌入式关系型数据库存储，不能直接被理正勘察CAD软件所用，因此，本文在内业数据处理中，采用具有理正格式的Access MDB数据库，对数据进行格式转换，实现移动数据库与内业数据库的无缝衔接。

1.3 系统功能模块设计

根据系统结构设计，将系统划分为用户管理﹑数据采集﹑数据管理﹑数据处理4大功能模块。用户管理模块包括用户登录﹑操作用户﹑权限管理﹑退出等功能；数据采集模块包括属性录入﹑拍照﹑录音﹑钻孔地图﹑辅助放点等功能；数据管理模块包括数据的查询﹑修改﹑添加﹑删除﹑上传以及日志管理等功能；数据处理模块包括勘察软件对接﹑报表生成﹑钻孔信息浏览﹑多媒体数据输出﹑附件管理﹑文件加密等功能，如图2所示。

图2 系统功能模块图

2 系统开发与实现

2.1 系统开发基础

外业移动采集终端采用iPad平板系列，iOS版本为9.1。开发语言为Objective-C，使用基于苹果MacOS X操作系统的Xcode7.1.2开发平台和iOS SDK开发包，服务器系统基于IIS搭建，移动设备使用FTP协议远程传送数据文件至服务器数据库。内业数据处理系统使用.NET开发平台，运用Visual Studio 2010开发工具，基于ArcGIS Engine二次开发实现。

2.2 关键技术

2.2.1 ArcGIS API for iOS技术

ArcGIS API for iOS包括强大的GIS开发与定制能力，开发者可调用GIS功能快速定制用户所需的地图应用，并部署在iPhone和iPad等移动设备上。ArcGIS API for iOS包含了本地化的Objective-C语言资源库﹑模板和样历，可在Xcode IDE中使用。其提供的GIS功能包括使用GPS和地图采集并更新GIS要素，识别位置和要素，地图浏览，信息查询等[10]。

2.2.2 异构数据库融合转换技术

岩土工程勘察内﹑外业应用终端采用了不同的数据存储管理模型。这种数据结构的独立制定，满足实际需要﹑方便数据更新，但需通过对应的数据转换接口进行异构空间的无损转换[11]。iPad采集系统是为外业服务的，依据外业需求制定数据采集的数据表结构，如土层表每条属性信息按回次进行记录；理正勘察CAD软件是为数据分析服务的，MDB数据库按照内业要求制定与理正勘察CAD软件相对应的数据表结构，如土层表依据主层编号进行存储，每条记录表示一类土层。iPad采集系统为了将数据批量无缝地转换为理正勘察CAD软件格式，在数据库结构制定上参考了理正勘察数据库，再根据外业需求进行了优化，并通过程序以过程化﹑自动化的方式进行无缝融合转换，既满足内业需要又符合外业技术规范要求，是一种可供参考的无缝整合内﹑外业数据模型的技术方法。

2.3 系统功能实现

2.3.1 外业数据采集模块

该模块主要在iPad端实现土层﹑取样﹑动探﹑标贯等工程勘察外业数据的采集；调用iPad的GPS功能，在工作区地图上进行外业辅助放点。外业数据采集时，系统提供岩样拍照功能；对不利于手工录入的勘察环境，系统支持录音﹑录像，以提高数据记录效率，完整再现现场情况，对数据检核﹑分析，档案留存具有很重要的现实意义。

工作区的底图以离线地图包（.tpk）的形式预先存储于系统中。用户选择当前工程，系统则自动切换底图数据，支持工程地质数据库十万余条矢量要素的叠加显示。用户可采用多点触控手势，流畅地进行浏览﹑放大﹑缩小和平移等操作。在地图上系统通过颜色来区分显示不同采集类型的钻孔点位，用户可浏览钻孔点的基本属性信息，并与数据录入界面交互或通过钻孔列表功能直接采集数据。系统可读取iPad的GPS/VRS传感器﹑陀螺仪传感器信息，再通过地图上作业人员的位置﹑朝向与周边钻孔的相对位置关系，实现对钻孔的辅助放置和可视化检核。外业数据的采集如图3所示。

图3 外业数据采集

2.3.2 数据管理模块

为了避免数据造假和不规范的修改，方便对工作历史记录进行回查。用户对数据的所有修改操作均被强制记录日志，且所有日志信息均为只读无法修改或删除。记录内容包括用户修改的时间﹑地点﹑操作类型﹑原始值及修改后的最新值等信息。系统支持用户选择界面，普通用户只能查看自己的日志，管理员用户可查看任意用户日志。

采集完成的工程文件通过FTP协议实时远程回传至内业数据服务器，实现内外业并行工作提高效率。FTP协议可减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性，允许文件具有存取权限，提高文件共享性，保证数据安全。在数据服务器终端上，各作业室或作业人员均只能使用自己的授权账户和密码访问文件。

2.3.3 内业数据处理模块

外业采集只是录入其所需的属性信息，对数据的精细化处理主要在内业完成。从数据服务器下载的文件仍以.db格式存储，需转换成.mdb格式，与理正勘察软件无缝衔接；原始手记数据薄需以规范化电子表单的形式管理和输出新增的多媒体数据。根据以上内业数据处理需要，本文基于.NET开发了内业数据处理软件，如图4所示，实现了外业采集数据无缝导入理正勘察CAD软件，以及自动化生成规范的Word格式电子数据记录表。目前，系统支持钻探野外记录表﹑野外标准贯入度试验﹑动力触探工作记录表﹑试验委托书（土试样）﹑试验委托书（岩石﹑水土腐蚀性分析）等电子表单。输出的图片和录像数据分别以.jpg和.mp4格式存储。

3 系统应用

本文以青岛市地铁3号线市南段工程作为第一批试生产区域，岩土工程勘察外业数据采集系统在试点工作中投入使用15台，并于2016年3月全部完成，提高了工作效率。通过工程实践验证了系统设计的合理性和工程应用的可靠性。

图4 外业数据无缝导入理正勘察CAD软件

在投入大规模生产项目前，系统在含有20个钻孔点的小范围内，通过与传统数据采集同步测试对比可知，移动采集更多元化，融入的地图功能﹑GPS辅助放点功能提高了勘测精度。现场测试情况如图5所示。

图5 系统应用测试

将移动采集数据实时回传至内业数据服务器，进行数据的双向﹑可追溯式管理，省去了传统方式的手动入库环节，避免了重复劳动，结合内业数据处理软件，实现内﹑外业同步作业，提高了工作效率。如图6所示，相比于传统纸质数据记录薄，电子数据表单数据清晰﹑准确，更易长久保存。

图6 自动化勘察数据报表

在小范围内测试取得很好的试用效果后，系统在本次试生产区域内进行推广应用，应用情况如表2所示。从实验结果可知，智能化作业方式将项目工期由7 d缩短为3 d，效率提高一倍以上，且系统的稳健性﹑易用性得到了验证。系统实现的流程化﹑交互化﹑自动化作业，减少了人工干预，保证了作业精度和数据质量，降低了生产成本﹑作业强度，显著地提高了工作效率，远远超出了开发前的预期效果。

表2 传统方式与移动采集的应用测试对比

4 结 语

本文开发的岩土工程勘察外业数据采集系统，与传统采集方式相比，信息化程度高，操作灵活，存储可靠；与服务器端的交互，使得外业数据能实时回传，降低了工作强度；结合内业数据高度自动化处理软件，形成内外业一体化的新型工作模式，提高了工作效率。在实际生产项目中的应用验证了该系统推广价值。今后将进一步完善系统功能，重点研究勘察数据的移动端动态实时展示﹑地质体多形式可视化等方面，将测绘地理信息与岩土工程勘察两大专业技术进行更深一步地交叉整合，通过移动GIS技术促进岩土工程勘察技术的进步与发展。

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P208

B

1672-4623（2017）09-0057-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.018

2016-07-04。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41471322）；山东省自然科学基金资助项目（ZR2012DM010）。（*为通讯作者）

于琳，硕士研究生，主要研究方向为移动GIS开发及数据可视化。