基于巖土工程勘察的智慧數據管理與分析系統

冀盼彧,徐利成,劉軒,任沁梟,翁美琳

(1.廣州市交通設計研究院有限公司,廣東 廣州 511400; 2.廣州大學,廣東 廣州 511400;3.珠?？萍紝W院,廣東 珠海 519090)

0 引 言

近年來,利用人工智能和大數據技術助力交通建設信息化,成為勘察信息化建設領域的研究熱點,如利用理正勘察數據軟件對巖土勘察數據進行錄入[1,2],基于ArcGIS地理信息技術實現勘察地圖的三維建模等[3～5]。與此同時,伴隨著數據處理和存儲管理能力的提升,利用智能技術輔助交通工程的建設評估和數據預測也成為可能。

在大型公共交通設施和城市公路的建設規劃中,往往需要開展大量地質預勘工作。按照預先定義的鉆孔分布圖,逐一對巖土工程各個鉆孔進行勘察和記錄,從而實現勘察元數據的記錄與存儲。然而,目前這類勘察數據采集仍然存在兩點難題:一是智能技術下的數據采集需求往往是海量存儲和多源異構的,采用傳統的數據采集方式(如借助電子表格,理正軟件,工程制表等),容易導致存儲分離化和內容碎片化。二是現場數據采集往往是時空非同步的,數據采集地點的復雜性和巖土工程參與人員的多樣化,使得現有的數據采集、存儲、管理和可視化的過程中存在“數據斷層”的現象,進一步限制了利用智能技術開展數據采集和自動分析的效率。因此,一款基于巖土工程勘察的智慧數據管理系統成為破解這一困境的關鍵。

本文采用了移動互聯技術、計算機視覺和GIS自動繪制等技術,構建了一款集成多源異構數據管理、工程數據可視化、柱狀圖生成等多種創新模塊的智慧數據管理系統,以此提高巖土工程的數據一體化管理和分析能力。

1 相關技術介紹

1.1 Web技術

研究基于Vue前端開發框架以及Springboot的后臺框架等Web技術搭建,采用mysql數據庫存儲技術對巖土工程平臺的相關數據進行緩存。由于平臺融合了巖土勘察工作過程中大量的鉆孔巖芯圖、場地環境圖和其他類型的圖片,我們通過圖片服務器的形式對圖片數據實現分離式緩存。

1.2 OpenCV圖像處理

為了實現輔助勘察和自動化巖芯信息標注,平臺采用了OpenCV視覺庫和相關機器學習算法,實現了通過巖芯分箱圖的分割識別,并提供自動生成巖芯柱狀圖。

1.3 理正勘察軟件數據對接

由于理正工程地質勘察軟件的廣泛使用和實現平臺對理正數據庫信息的對接和遷移,采用WebSocket接口形式開發了兼容第三方的標準理正接口,解決用戶多端數據不對稱的問題。

2 勘察智慧數據管理平臺的框架構建

2.1 系統數據組織形式

巖土工程勘察數據具有多源異構的特點,數據分布廣、形式多。如圖1所示,多源數據包括理正勘察數據軟件的記錄數據、平臺內部用戶與第三方系統的數據、自有平臺數據以及用于鉆孔地圖展示外部的地圖數據;異構數據包括了平臺中各類的文本描述數據,如巖芯對照表、鉆孔數據、項目描述等。此外還有以Execl為主等外業勘察記錄表格、巖芯分箱照等工程圖片、用于數據接口的JSON數據等其他文件數據。

圖1 平臺數據組織形式圖

2.2 系統架構

為了滿足多源異構數據之間的良好數據傳輸,系統采用三級架構方式,如圖2所示,自下而上由網絡管理域、功能管理域和業務管理域構成。

網絡管理域是管理系統平臺的底層支撐,其整體采用了前后端分離的架構進行設計。前端使用了Vue框架進行開發,可以進行組件化開發。后端使用了SpringBoot框架搭建,用于開發數據訪問服務,響應前端業務請求。地圖服務選用奧維GIS信息服務以支持三維地圖的展示和地圖交互開發。數據庫選用了關系型數據庫MySQL數據庫和圖數據庫,滿足關系型數據和圖數據的存儲需求[6]。

功能管理域將管理系統的功能抽象出來,主要集成了鉆孔管理、項目管理、巖土管理、GIS服務、柱狀圖生成、數據交換功能、服務偵測工具等管理功能。

業務管理域是管理系統面向用戶的業務集,抽象集合了各種子業務模塊。這些模塊高度封裝,用于滿足不同用戶對不同業務的調用需求。如項目信息模塊、鉆孔管理模塊、巖芯層管理模塊、地層模塊等十個子業務構成。

為了滿足勘察、設計、施工等不同人員的獨立操作,系統為不同類型的參與人員開發了不同的個性化業務。如施工人員只需要關注鉆孔和測試數據,分析設計人員更多關注巖土和地層數據。

3 關鍵核心技術設計

3.1 多源異構數據管理

在巖土工程勘察項目開展流程中會產生大量的多源異構數據,對這些數據進行統一管理,能夠有效打破“數據壁壘”現象和解決“數據斷層”問題[7,8],同時也是實現本智慧數據一體化管理系統的重要技術。

平臺中的多源數據來源廣泛,主要的來源有理正勘察軟件中的記錄數據、內部用戶與第三方系統數據、自有平臺數據和外部地圖數據。多源數據的數據來源具有分散性且數據量各有差異,若對多源數據獨立保存,雖然方便省事,卻會造成多源數據之間關聯性變差、數據結構性缺失,導致數據管理成本增加、數據查找效率降低等顯著問題[9,10]。為此,平臺針對多源數據設計了用于統一管理的數據源管理表。該表通過存儲不同數據標識符來區分不同類型的數據,最終實現對多源數據的統一管理,資源表設計如表1所示。

表1 資源表數據庫設計

3.2 勘察數據與理正對接功能設計

在現有的巖土工程勘察記錄軟件中,理正等工程地質勘察軟件作為工作流的上游軟件,具有一定的市場占有率。然而,受限于理正勘察軟件的數據封閉性和復雜的理正數據結構,實現第三方軟件平臺與理正勘察軟件之間的數據交互,是目前實際應用中的難點。

為了破解上述難點,平臺提出了可以實現自動與理正數據及其系統數據對接和遷移的設計方案?；诳赏卣沟脑瓌t,系統利用MDB數據格式文件作為中介,開發了能夠讀取和寫入MDB數據的理正數據對接接口[11]。該MDB格式文件包含了工程項目所有數據,系統自動解析該mdb文件,實現了已有工程數據和系統數據庫之間實現相互導入。在實際工程應用中,這接口將加快工程人員的數據錄入效率,實現工程數據和第三方軟件數據間的快速管理和對接[12]。

3.3 勘察巖芯圖像自動識別技術

地質柱狀圖和剖面圖作為影響巖芯構造的關鍵因素,也是目前勘察領域的必要考察指標。目前巖土勘察工程中,生成柱狀圖的方法主要包括:人工識別、利用GIS技術軟件進行識別分析和基于計算機視覺技術對巖芯進行識別[13,14]。但是這些方法都存在如下缺點:人工識別的人為規則干預較強且準確率低下;利用GIS技術軟件存在導出效率慢、軟件依賴性強的問題;基于計算機視覺的巖芯識別技術則會受戶外場景和其他環境噪音影響,導致識別準確率低下[15]。

為此,本系統提出了一種自動通過識別現場方箱圖來自動生成巖芯柱狀圖的算法。通過OpenCV庫和機器學習算法,采用遠端模型部署的方式,對勘察巖芯的方箱圖實現自動識別、分割、重新拼接,最終生成高質量地質柱狀圖像,滿足了野外計算資源匱乏和特征不足情況下及時準確生成巖芯方箱柱狀圖的需求。具體流程如圖3所示:

圖3 巖芯柱狀圖生成流程

首先將每張巖芯方箱圖依次進行灰度化、濾波和直方圖均衡化操作,目的是去除圖像的噪聲和干擾線條。將處理過后的圖像進行開閉包操作,開閉包操作可以去除大部分巖芯實體,只留下方箱的分隔線。之后對各個分隔線進行直線檢測,對檢測到的直線進行篩選,根據長度、斜率等信息,篩選出可能是巖芯裝載體的直線。進一步地,對篩選后的直線進行橫向聚類,以此實現對由于識別誤差導致分割線中斷的這類現象進行松弛。最后,對檢測到的直線進行數量檢測,如分箱直線數量符合既定要求,方可進入巖芯圖像的拆分拼接工作。如不滿足要求,則多次重復進行特征提取和直線預測操作。最終,通過戶外作業的方箱圖實現自動生成柱狀圖,并傳回到客戶端機器網頁[16,17]。

4 技術實踐與評測

為保障巖土工程勘察智慧數據管理系統的可用性,本平臺在開發過程中選用i5-12490 16G的Window10作為開發環境,其客戶端使用的終端為具備上網功能的手機和各類計算機。

4.1 后臺管理系統展示

(1)巖土項目管理功能

勘察項目的管理頁面主要實現的是勘察項目的創建、展示及存儲,可以提供查看工程進度、項目信息等信息,除此之外還有項目地圖、巖土層、鉆孔管理、標準地層、操作日志等功能選項,如圖4所示。

圖4 巖土項目管理功能

(2)巖土數據的采集和存儲

在鉆孔管理菜單中,可以進行對鉆孔信息,土質編錄信息和各類鉆孔圖片和視頻信息的錄入、編輯,如圖5所示。

圖5 巖土數據的采集和存儲

可錄入和編輯的信息包括:鉆孔編號、鉆孔類型、分箱數、鉆孔性質、XY坐標、高程、里程、偏移量、控制孔深等,如圖6所示。

圖6 錄入鉆孔

4.2 多源數據管理展示

多源數據使用多源數據資源表進行管理,使用該表可以提高多源數據的關聯性、提高數據結構性、降低管理成本,如圖7所示。

4.3 勘察數據的外部對接

通過圖8所示的“導出到理正”按鈕,即可生成包含該項目所有信息的外部數據文件。

圖8 導出功能

為進一步測試文件可用性,我們選取理正軟件讀取平臺導出的數據接口文件。如圖9所示,通過理正數據接口讀取和理正接口文件自動生成,系統實現了平臺數據到理正勘察軟件的自動化對接、遷移,保障了平臺和第三方軟件數據的統一性,從而省去了大量人工數據遷移的成本,提高了勘察項目推進的工作效率。

圖9 項目數據導入

4.4 勘察巖芯圖像自動識別技術

在編輯鉆孔信息的頁面中,可以選擇巖芯分箱照上傳,如圖10所示。

圖10 巖芯分箱照上傳

上傳分箱照,點擊鉆孔柱狀圖之后,后臺將自動識別全部上傳的巖芯分箱照,執行巖芯柱狀圖生成算法,自動生成的巖芯柱狀圖帶有地層描述信息。

如圖11所示,平臺自主開發的勘察巖芯圖像自動識別技術,實現計算機技術輔助巖芯錄入高度自動化和巖芯實現地質柱狀圖的高質量生成,節省了地質工作人員的時間,提高了勘察項目工程的推進效率。

圖11 帶描述帶巖芯拼接圖片段

4.5 工程評測

(1)實地評測

為了檢驗巖土工程數據管理平臺在勘察項目中的有效性和高效性,本文對管理系統進行了實地評測分析。評測根據各項指標對“傳統人工方式“以及”使用管理平臺“分別進行耗時記錄,生成評測結果。如表2所示,結果表明,該系統能夠提供給勘探人員一款優質的勘察工程數據和輔助生成工具,大大節約了勘察工程的時間,提高了勘察工程效率,同時驗證了利用人工智能和大數據技術輔助當前巖土工程勘察的技術可行性。

表2 工程因子評測表

(2)功能性評測

為了驗證管理系統最終使用功能與開發預期功能是否一致,本文對用戶的業務功能進行評測。評測方法為多方融合評測,即由開發者、用戶分別評測,評測結果匯集成下表3:

表3 管理系統功能評測表

由評測數據可以得到功能評測的實驗時間均在 1 s內,功能性驗證基本通過且達到預期。這說明管理系統在功能可用性上已經滿足了實際的開發預期,能夠作為一款優質的勘察工程管理工具輔助實際現場作業,大大節約了勘察工程的時間,提高了勘察工程效率。

5 總 結

隨著信息技術的發展,移動GIS技術、空間數據庫技術、三維建模與可視化技術已經逐漸滲透到勘察、測繪等多領域的學術研究和工程應用中。將移動GIS、地質建模與工程地質勘察應用相結合,構建出包含工程地質數據外業移動采集,內業數據自動化處理以及地質數據模型多維可視化應用的系統平臺,對工程地質應用具有很重要的現實意義[18]。本文闡述了巖土工程的勘察數據一體化管理系統的結構框架、相關技術以及核心技術的設計。本文還從工程可用性和功能健全性對平臺進行了測試,結果表明通過設計基于移動信息技術和人工智能技術開發的勘察數據一體化管理系統,可以輔助巖土工程勘察數據的采集、處理與可視化工作,提升巖土工程勘察的效率、質量與智能化作業水平,對巖土工程勘察的信息化與智能化發展具有重要意義。