水利水电工程三维地质勘察系统研发综述

赵文超 王国岗 陈亚鹏

近年，随着智慧水利、BIM技术的发展，以数字化、信息化手段提高地质勘察生产效率，形成地质勘察全过程智能化服务模式已成发展趋势。针对水利水电工程地质勘察传统生产模式效率低下，地质数据与地质成果质量较难保证等问题，国内高校、科研院所、科技企业以实现勘察无纸化与数字化为手段，在实际地质生产工序之间基本实现了紧密衔接、充分共享，在很大程度上解决了地质原始数据采集难度大、数据格式不一致、各环节的业务难以快速有效协同、缺乏统一实用的信息系统支撑等难题。

为应对地质勘察行业信息化发展，亟待探索地质勘察全过程各生产环节中数字化快速作业技术路线，加快地质数据外业智能采集、地质数据管理与挖掘、地质成果三维可视化展示与分析、地质资源跨平台全面共享等业务的建设，在地质生产理念和管理模式上进行转变和创新。如地质数据外业智能采集主要实现地质勘察外业数据采集的无纸化与数字化，并将采集到的地质数据无缝存储到地质数据库；地质成果三维可视化展示与分析通过地质数据库数据及其他矢量化的资料对地质现象进行三维可视化表达，并实现地质数字成果的快速形成与便捷应用。地质勘察信息化的应用模块是与新技术充分融合的产物，本文对新技术在地质勘察行业的应用现状进行了研究，分析了这些新技术的特点，简单介绍了中水北方勘测设计研究有限责任公司（以下简称“中水北方公司” ）自主开发的“水利水电工程三维地质勘察系统”，并展望了地质勘察信息化的发展趋势。

一、国内外研究现状

国外发达国家的地质数字化采集与三维建模平台大多与石油、路桥、铁路相关，如GOCAD、CATIA、3DMine、Surpac等三维地质建模软件较难直接用于水利水电工程地质的三维解译与三维可视化表达工作。在外业数据采集方面，国外已于20世纪80年代起步，在区域地质、地灾、地矿领域发展较快。行业与工程标准规范的不同，造成国外地质外业采集软件很难应用于国内市场。

随着移动智能设备的普及，各行各业都在探索研发相关的移动应用，虽然工程领域移动应用的研发明显滞后，但近年来成果丰硕。国内河海大学EgoInfo摄影地质编录系统、中国地调局“数字地质调查系统”以及相关水利水电行业设计院研发的地质外业数据采集系统，鉴于应用场景、数据库数据接口的不同，每个单位都在研发自己的外业数据采集系统。

总的来说，国内外的地质信息系统是对勘察外业、地质数据管理、三维地质建模、地质数字化应用的单方面或组合方面的研发，尚未形成体系成熟的勘察全过程信息化解决方案。在外业采集方面，国外的同类系统基本都侧重于测绘，对钻孔平硐编录等勘察方面的功能较少，几乎都不支持三维底图的导入，不支持高精度定位功能，不支持现场勘察的分析功能，操作习惯与国内（尤其是国内的水利水电行业）不一致。国内的外业采集系统局限性在于：多底图融合功能均较弱，绝大部分尚不支持三维底图的导入，一般不支持倾斜摄影数据的导入，底图精度较低，智能化程度不高，数据采集与分析过程仍依赖大量的人工操作。

二、现代信息技术

1.GIM

GIM是Geotechnical engineering Information Model的英文缩写，即岩土工程信息模型，相关技术标准研究文件将GIM解释为“基于岩土工程专业工作特点，运用数字化的建模方法将岩土工程数据进行整合和集成，形成三维空间的信息传递和存储载体，并满足岩土工程专业在建设工程全生命周期各阶段进行数据传递和应用需要的数字模型。”重庆市《工程勘察信息模型设计标准》（DBJ50/T—284—2018）也对GIM进行了类似的定义。

水利水电工程地质勘察信息化的研究以GIM为先导，通过三维地质建模、地质数据库等相关技术对工程地质条件进行三维可视化、地质数据进行信息化管理、地质成果三维数字化的表达，为地质空间决策提供依据。典型GIM模型示意见图1。

图1 典型GIM模型示意图

2.工程地质数据库技术

水利水电工程地质数据库对地质多源异构数据进行有效管理，在功能上，一方面具备数据库通用功能，如数据的录入、储存、管理等；另一方面应具备地质专业性功能，如工程管理、地质专业术语定义、数据应用与分析、为三维地质建模提供数据源等。地质数据库在内容上，包括地质定义、勘探布置、工程测绘、地质勘探（钻孔与平硐等）、施工地质、物探数据、试验数据、观测数据等；在内容形式上包括图片资料、文字资料、视频语音资料等。

地质数据在建立流程上，按照创建和工程基本信息—地质定义—地质数据录入—数据分析—数据应用的一般性流程进行，其中工程基本信息包括工程名称、阶段、部位等；地质定义包括地层、岩性、地质界面、构造等内容；地质数据录入包括钻孔、平硐、测绘、施工地质、物探、试验、观测数据等；数据分析，指对录入的数据进行归纳分类，为数据应用奠定基础；数据应用一方面用于三维地质建模，另一方面能够自动生成钻孔柱状图、节理玫瑰图、统计表格等，供勘察报告直接提供数据分析资料。工程地质数据库操作界面见图2。

图2 工程地质数据库操作界面

3.GPS技术

水利水电工程地质测绘数据采集以高精度测量型GPS技术为支撑平台，以地质测绘专业作业流程为主线、专业技术需求为基础，运用GNSS定位技术、信息化技术、实景影像正射纠正技术、移动终端技术进行深度的融合与发展，提高外业地质测绘效率。

4.三维实景技术

三维实景主要通过无人机倾斜摄影、三维激光、数码拍照等所获得的图像与点云通过专业软件（如ContextCapture）生成，可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性。三维实景技术在水利水电工程行业应用日益广泛与深入，如可应用于地形生成与测量中，如通过倾斜摄影测量所获得的三维实景数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，并能同时输出DSM、DOM、DLG 等数据成果；也可对不良地质现象进行分析，如通过三维实景展现危岩体、滑坡、泥石流等地质灾害的空间分布，量测影响范围、分析体积方量、监测灾害动态等。基于三维实景的地质数字化测绘见图3。

图3 基于三维实景的地质数字化测绘

5.GIS技术

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是对现实世界的抽象与表达，可为工程地质外业提供详细精确的地质空间信息。在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，以立体造型技术展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。GIS可融合倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，为实现宏观微观一体化与空天/地表/地下一体化提供了可能性，为地质数据的采集方式提供了新的思路与方法。

GIS在水利水电工程地质勘察中的应用主要体现在工程地质外业数据的采集、处理、存储、分析等方面，如工程地质外业数字化底图的创建，通过坐标系转化，将 BIM、倾斜摄影模型、点云等与其他GIS数据统一到一个坐标系，实现多源数据在GIS二三维场景中进行融合匹配；地质矢量数据的提取，矢量数据通常由点、线、面来表达地理实体，如使用线表达一条河流，使用面表达某覆盖层区域，使用点表达地质岩性露头。这些点、线、面数据都可以从GIS地图中提取；基于数据的不同，二三维空间分析功能具体包括剖面线分析、等高线分析、坡度坡向分析、空间距离量算、贴地距离量算、水平距离量算、空间距离量算、空间面积量算、贴地表面积量算、高程量算等。

三、水利水电工程三维地质勘察系统

在充分利用上述信息技术的基础上，结合地质勘察生产的作业流程，中水北方公司研发了“水利水电工程三维地质勘察系统”，形成了“1+3+5+N”的技术体系，即“1个平台”“3大模块”“5个软件”“N个应用”。该系统实现了勘察数据采集、数据传输与集成、数据挖掘与分析、三维建模与出图、模型拓展应用的工程地质勘察全过程信息化，是对传统勘察工法的重大变革，为三维协同设计和智慧水利应用提供了基础。

该系统被多家业主、设计、施工单位采用，并成功应用于贵州凤山水库工程、QBT水利枢纽工程、ABH工程、西藏PZ水库等大中型水利水电工程中，包含水利枢纽、水电站、灌区、引调水工程等各种类别的项目，取得了显著的经济、社会和生态效益。

四、结语

本文分析了三维地质建模技术、数据库技术、三维实景、GIS、GPS 等新技术在水利水电工程地质勘察中应用的可行性，对中水北方公司研发的“水利水电工程三维地质勘察系统”进行了简单介绍。下一步将继续探索5G、大数据、人工智能、云平台等新技术的融合应用，为推动行业信息化发展、促进工程勘察设计行业的数字化转型贡献力量。