人工智能及其在土木工程中的应用

-1-人工智能及其在土木工程中的应用1.地理信息系统的基本功能地理信息系统是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，基于其能快速、方便地管理海量数据的特点，已经被广泛应用于资源开发、环境保护、城市规划建设和灾害监测与评估等领域J．它是在计算机硬件和软件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统．长期以来，人们普遍使用模拟地图来存储和查询空间信息．地图和描述地图信息的文献著作的结合，可视为一种模拟的地理信息系统．这种模拟地理信息系统的使用存在一些缺点，如修改能力差，不便于数据的及时更新；各种地图大多数具有不同的比例尺，不利于综合分析多种地图信息；资料繁杂，不利于管理人员的查询等．计算机数据库管理技术(DBMS)、计算机辅助设计(CAD)及计算机图形学(ComputerGraphics)的发展，使人们用数字技术解决这些问题成为可能．一个用来存储和处理地理信息的计算机系统即成为地理信息系统(GIS)．GIS在这些技术的基础上发展起来，综合了它们的功能，并且具有自己独特的功能．GIS的功能主要包括数据的输入、管理、分析和显示．通过对模拟地图数字化、键盘输入或数据格式转换等途径，将各种数据输入GIS后，GIS可以快捷地对其进行管理和分析．GIS处理的数据包括两种，一种是空间地理数据，如建筑物的位置、地下管线的布局等；另一种是空间信息对应的属性数据，如建筑物的结构类型、管径等．GIS可以象DBMS、CAD一样对数据进行编辑、更新等操作，更重要的是可以运用其独特的空间综合分析功能，由原有信息导出新的信息．此外，和其他开放式程序一样，GIS还可以挂接外部专业应用程序，增强其计算分析能力．GIS具有强大的显示功能，可以在空间域内直观地表达查询及检索结果，同时提供高质量的图文报告输出功能．地理信息系统（GIS）在土木工程中的应用随着地理信息系统技术的发展,软件功能日趋多样化,其应用范围也由传统领域扩展到其它越来越多的新兴或交叉学科目前,技术己经开始逐步融入并推动着土木工程大学科中若干重要领域的进一步发展。从一定程度上讲,的应用模式正在逐步影响和改变着土木工程师惯有的思维方式。（一）、GIS技术在工程地质勘察软件中的体现工程地质勘察行业中引入GIS技术,旨在利用GIS强大的数据管理和空间分析功能,对以各种图件、图像、表格、文字报告为基础的单个工程勘察项目或区域地质调查成果资料以及基本地理信息,进行一体化存储管理。在此基础上可以进行二维地质图形生成及分析计算,并能够利用钻孔数据建立区域三维地质结构模型,采用三维可视化技术直观、形象地表达区域地质构造单元的空间展布特征以及各种地质参数,建立集数字化、信息化、可视化为一体的空间信息系统,为相关部门提供有效的工程地质信息和科学决策依据。目前,国内将GIS技术和工程地质勘察业务相结合,对应用于工程地质勘察行业的GIS软件也成为软件研发的新领域,如有武汉中地公司的MapGIS工程勘察GIS信息系统、理正勘察系列软件等。典型的工程勘察GIS系统由以下几个功能模块组成：1、数据管理数据管理模块主要实现对地理底图、工程勘察所获取的资料和成果的录导入、转换、编辑、查询等功能。其中数据建库可根据需要建立地理底图库或者工程勘察数据库,以实现对海量数据的方便输入、存储和编辑而基于GIS强大的数据管理功能,工程勘察GIS软件能方便-2-实现诸如钻孔相关的试验表属性数据与图形数据的关联存储功能、各种三维地质模拟结果和成果资料的存储管理功能、对多种成果图件及统计分析表单的快速查询功能等多种工程勘察信息管理功能。2、工程地质分析及应用该模块基于GIS中数一模联动和空间分析功能,能够实现：（1）生成与钻孔相关的钻孔平面布图、土层柱状图、岩石柱状图和工程地质剖面图等基本图件；（2）根据离散钻孔点生成等值线,比如地层层厚、层底层顶深度等值线、基岩面等值线、地下水位等值线。（3）根据试验数据生成各种试验曲线,如静力触探曲线图、十字板剪切试验曲线、三轴压缩试验曲线图、土的颗粒级配曲线等。（4）与办公自动化OA完美结合根据工程勘察所取得的数据自动生成工程勘察报告。3、三维地质结构建模及可视化该类模块能够根据用户选定的分析区域内的钻孔分层数据自动建立起能反映该区域地质构造单元地层空间展布特征的三维地质结构模型对于地质条件比较复杂的区域,可通过用户自定义剖面干预建模,处理夹层、尖灭、透镜体等特殊地质现象。同时可提供对三维地质模型的多种可视化表现功能,比如生成任意方向切割模型、立体剖面图,以及三维空间量算功能。4、成果生成和输出该类模块能对生成的各种二维图件、表格进行方便、灵活输出,以及对三维地质模拟结果静态效果图、漫游图、空间分析量算结果的输出。（二）、GIS若干功能在土木工程中的拓展应用1、空间插值功能生成工程地质等值线工程地质等值线图是一种应用非常广的图形,它是在二维平面上把一种空间分布现象中具有相同数值如土层厚度、基岩埋深等的离散点连接而成的图形。它是工程地质数据的图像化表达,使人能够很好地看到工程地质数据变化的趋势,直观地看到计算机模拟的结果,因此是反映区域地质情况的重要图件之一。2、Voronoi多边形在岩体类型分布图编制中的应用自然界中,广泛存在着相近相似原理,即距离相近的事物比距离远的事物具有更大的相似性。在地质现象中,这种思想也普遥得到了印证并反映在各类工程地质图件中,比如由钻孔柱状图得到的工程地质剖面图,以及绘制工程地质等值线如基岩埋深等值线等时,采用的反距离权插值,离擂值点越近的样本点赋予的权重越大,均反映了这种原理。同样,在编制岩体类型分布圈过程中,当离散采样钻孔点有限时,应用相近相似原理推断其他位置的岩体类型也是比较合理的。Voronoi多边形是根据已知点集对平面施行的一种分割,又叫泰森多边形,是荷兰气候学家提出的一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法即将所有相邻气象站连成三角形,作这些三角形各边的垂直平分线,于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边-3-形区域内的降雨强度。Voronoi多边形的原理和特点表明,其很好地反映了这种相近相似原理。因此在岩体类型分布图的编制过程中,采用Voronoi思想是科学合理的。一些大型GIS软件,如美国ERSI公司推出的ArcGIS,中国中地数码集团研发的MAPGIS等,均可完成Voronoi多边形的剖分和分析。3、GIS在土木工程制图中的应用在实际工作中的好多工作,虽然不是GIS领域的内容,但是都需要或多或少地进行图像的拼接处理。在这类工作中,对图幅地理参数要求不高甚至不做要求,如果能引入GIS软件,借助其强大的图像生成或校正功能,亦能达到准确、快捷的效果。土木工程专业每年学生的毕业设计都要进行施工图纸的绘制,尤其是道路桥梁专业的学生。指导老师一般会提供示例图纸供学生参考,鉴于道路桥梁或者生命线工程的施工图纸比较狭长,常常需要用A4的扫描仪扫描2到4次方能扫全。况且扫描后无法在计算机中用AutoCAD描图,关键问题就是图纸的接边不好处理,以及扫描时图纸的变形、位置的倾斜等；即使能操作photoshop的学生,图纸接边亦不能做到很精确。后来经笔者建议,尝试将图纸扫描后用GIS软件进行拼接,只需事先选好相邻扫描图的重合关键点即可,然后再在AutoCAD中以拼接后的图件为底图进行绘制,方便快捷地解决了这个问题,拼接效果很好；同时也给土木专业的学生提供了GIS处理问题的思路,达到了良好的效果。一、三维GIS最新进展及其在土木工程中的应用传统的GIS在二维方面发展较为成熟,它本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界的原本感受。土木工程在三维方面需求较多,二维GIS难以满足需要。随着图形学理论、数据库理论技术以及计算机虚拟现实技术的进一步发展,加之应用需求的强烈推动,三维GIS的出现和发展现已成为可能。与二维GIS相比,三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受,它以立体造型技术向用户展现地理空间现象,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;三维GIS的发展,将对土木工程的发展提供一个有力的工具。MAGIS在土木工程中的应用MAGIS三维可视地理信息系统是武汉适普软件有限公司自主开发的一套以数字正射影像(DOM)、数字地面模型(DEM)、数字线划图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为综合处理对象的虚拟现实管理GIS系统。它分为两大部分:三维地理信息系统和平面图形编辑系统。通常,二维图形在平面编辑系统中经过编辑整形后,即可输出到三维系统中进行三维实体的重建和管理,用户可对其进行查询分析、属性定义以及各种可视化操作和图形输出等操作。MAGIS是基于4D产品的三维可视化地理信息系统,它将常规的二维数据模型推广到三维空间,不仅能实现三维数据的可视化,而且为用户提供了强大的交互操作工具。在这个三维环境里,用户可以真实地重现或创建各种复杂的三维形体如地貌、地物等,并为进一步的空间决策服务。MAGIS的空间查询与分析功能突破了二维和2.5维的概念,可以直接从三维模型上选择目标进行分析和查询,如面积、周长、距离、体积和剖面等,可以直接在透视图空间进行各种空间查询与决策分析。1、区域土方量的计算在大型工程设计中首先要估算施工的土石方工程量,常规的方法是在地面上布置适当点-4-距的规则格网,实测每个格网的高程。设计高程与格网点实测高程的较差,就是这个点的挖填方高度。然后通过线性内插,在格网上划定挖、填方量。分别累加所有格网的挖方和填方,若两者不平衡,就需要调整地面设计高程,再次计算,直到区域挖填方量的差值不超过预定的阈值为止,工作相当繁琐。在三维GIS中,该工作就容易得多。在三维GIS中,可以建立数字高程模型(DEM),根据DEM,采用公式计算土方量。2、道路设计在三维GIS中,可以方便地进行道路设计。根据设计的道路线在DEM上生成道路并计算出修建此条道路需要开挖和回填的土石方量。实现过程如下:选择设计轮廓线(道路的中心线),系统将弹出对话框,要求用户输入设计参数,参数包括路面宽度、缓冲带宽度、中心线加密点数和DEM在X、Y方向上的加密网格间距。中心线加密点适用于道路设计线上点比较少需要计算加密的情况,DEM的加密网格间距适用于DEM网格较稀疏的情况下,使用网格间距加密可以使计算出的土石方工程量结果更准确。3、淹没分析淹没分析是水利工程前期选址中最重要的分析项目之一。利用GIS技术与水动力水文模型相结合,再根据数字高程模型DEM提供的三维数据,来预测、模拟显示洪水淹没区,并进行灾害评估。其重要性不言而喻,这不仅涉及到直接的淹没损失,还与移民安置、周边或沿线的生态环境影响评价有密切的关系。按照规划设计方案中工程的设计淹没水位,会对工程周边的影响区域形成一定范围的淹没区,对于如水库等静止水体形成的淹没区一般水流缓慢,水面比降小,可近似为水平平面。对于其他大型水体形成的淹没区,如水面高程相差较大可采取分片或作为倾斜平面处理。淹没区计算按公式逐一进行判断。淹没分析内容包括淹水范围和淹没深度,以及对受淹土地类型、基础设施、居民财产、影响人口等的分析,同时还可以计算库容及库容曲线。六、结语以上对GIS、GIS在土木工程中的应用及其发展趋势做了简要的介绍，随着计算机技术、网络技术和人工智能的发展,以及人们日益广泛的关注,相信地理信息系统在土木工程中的应用将得到进一步深入和推广.