福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設相關技術問題研究

田其煌

(福州市勘測院 福建福州 350108)

0 引言

隨著“數(shù)字城市”建設和應用的深入，以工程地質數(shù)據(jù)庫為主要內容的地下空間信息已經(jīng)成為“數(shù)字城市”建設必不可少的重要內容。目前，福州市已建成包含地形、影像、地面三維、地址編碼、城市部件、地下管線等多要素的空間信息共享服務平臺[1]，但地質數(shù)據(jù)庫建設進展較為緩慢，成為制約空間信息綜合共享服務平臺的短板和痛點，需加快工程地質數(shù)據(jù)庫建設。本文在總結前期建設經(jīng)驗基礎上，就福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設及應用系統(tǒng)建設的幾個關鍵技術問題開展研究，為建成福州市工程地質數(shù)據(jù)庫提供技術支撐，為地質數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設提供良好的技術支持。

1 建設規(guī)模、技術指標與總體架構

城市工程地質數(shù)據(jù)庫建設的主要目的是，整合城市勘測單位工程勘察數(shù)據(jù)資源，為城市規(guī)劃、工程建設、政府決策時迅速獲取工程地質數(shù)據(jù)提供技術保障。城市勘測單位掌握著城市規(guī)劃區(qū)范圍內大量的城市基礎地理信息數(shù)據(jù)、市政及房屋建筑勘察成果，有地質、GIS開發(fā)專業(yè)人才隊伍，建設城市工程地質數(shù)據(jù)庫具有天然優(yōu)勢，也有責任建設好城市工程地質數(shù)據(jù)庫。

1.1 數(shù)據(jù)庫建設范圍

界定數(shù)據(jù)庫建設范圍的目的，在于分析建設范圍內的地質地形地貌特點，研究適用于該建設范圍內的工程勘察巖土層序列劃分標準，建立區(qū)域標準地層。地質數(shù)據(jù)庫建設的范圍，主要考慮數(shù)據(jù)庫建設單位擁有的工程地質數(shù)據(jù)覆蓋范圍，并根據(jù)城市規(guī)劃城市空間拓展需要應覆蓋今后一定時期內的城市建設熱點區(qū)域。

勘測單位近年來承擔的項目分布主要于鼓樓、臺江、倉山、晉安、馬尾等5個老城區(qū)，但近年來高新區(qū)、長樂區(qū)開發(fā)建設強度明顯加快，特別是福州濱海新區(qū)建設提速明顯，是今后一段時期內福州重點開發(fā)區(qū)域。因此，福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設范圍應涵蓋福州六城區(qū)及高新區(qū)，建設面積約1700km2。

1.2 數(shù)據(jù)庫建設關鍵技術指標

著眼于數(shù)據(jù)庫建設目的，工程地質數(shù)據(jù)庫建成后應能快速實現(xiàn)工程地質數(shù)據(jù)錄入、查詢使用，實現(xiàn)自動化、可交互的工程地質評價及三維地質建模功能，數(shù)據(jù)庫建設關鍵技術指標如下：

(1)地質數(shù)據(jù)庫平臺

要求提供完整、易用、先進的工程勘察各類數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)查詢、標準化處理、專題圖顯示與查詢、地質數(shù)據(jù)分析處理等功能。

要求通過安全設置，系統(tǒng)管理員可以在管理后臺配置賬戶的具體權限，對用戶使用功能和數(shù)據(jù)權限進行控制。

(2)移動端APP

要求開發(fā)工程地質數(shù)據(jù)庫查詢移動端APP。APP支持Android和IOS兩種操作系統(tǒng)，在不同操作系統(tǒng)中的APP具有同樣的功能和性能。

要求移動端APP定位功能穩(wěn)定準確，可實時查看鉆孔與各類地質專題圖。

(3)數(shù)據(jù)接口

要求數(shù)據(jù)入庫模塊可對接理正等主流勘察軟件，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件可導出常用格式的數(shù)據(jù)文件。

要求數(shù)據(jù)庫可錄入、下載各種常用格式的勘察文檔文件數(shù)據(jù)。

(4)勘察地質三維及BIM

要求系統(tǒng)實現(xiàn)三維地質自動化建模功能，能夠提供地質BIM建模，模型可交互操作并掛接地質屬性。

1.3 數(shù)據(jù)庫總體架構

福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設，堅持實用性、易用性、高效性、標準化及可維護性原則。

福州市工程地質數(shù)據(jù)庫擬采用B/S架構，整體架構由數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、展現(xiàn)層及安全體系構成。

(1)數(shù)據(jù)層

服務器數(shù)據(jù)庫接入勘察數(shù)據(jù)、勘察資料文檔數(shù)據(jù)、地質專題圖數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，并可接入百度地圖、天地圖等第三方提供的API。后臺數(shù)據(jù)庫采用主流數(shù)據(jù)庫，具有較高的可靠性、可擴展性和性能。

(2)業(yè)務層

通過接口封裝以及ASP.NET MVC框架控制業(yè)務邏輯，對接數(shù)據(jù)接口，整合業(yè)務平臺，以滿足前后臺業(yè)務系統(tǒng)需求。

(3)展現(xiàn)層

實現(xiàn)該項目業(yè)務需求，通過平臺無縫接入瀏覽器及移動端APP來展示。

(4)安全體系

安全體系通過終端安全、傳輸安全、應用安全來保障整個架構的安全，有效發(fā)揮數(shù)據(jù)隔離的安全作用。

2 福州市標準地層及地層標準化設計

2.1 福州市標準地層編制

科學、規(guī)范地進行工程勘察巖土層序列的劃分，建立數(shù)據(jù)庫建設范圍內統(tǒng)一的巖土層代碼以及巖土地層的標準化劃分，是本次工程地質數(shù)據(jù)庫建設的一個重點和難點。

工程勘察巖土層序列劃分，應在充分分析已有原始工程資料的基礎上，綜合考慮地層形成適當、成因類型、巖性及土層性狀、標志層與包含物等因素[2]。朱本清[3]、鄭榮章[4]等對福州第四紀地層劃分進行過研究，研究結論對福州主要地層層序劃分有一定指導意義，但實踐中發(fā)現(xiàn)福州地層交錯復雜，其結論未能覆蓋福州所有第四紀地層信息。根據(jù)前期多輪研究與實踐，福州市標準地層擬采用“主層-亞層-次亞層”3個層級進行劃分。其中，土層、巖層各層級劃分標準依據(jù)不同的規(guī)則進行。

2.1.1土層劃分

土層主層序號根據(jù)地層形成的地質年代的新老次序進行編排，形成地質年代早的巖土層層序在下，形成地質年代晚的在上。參照福建省工程建設地方標準《巖土工程勘察規(guī)范》[5]，結合福州市區(qū)地層特點，主層分為長樂組上段、長樂組下段、東山組、龍海組上段、龍海組下段、同安組及坡殘積土共7個主層。

土層亞層主要根據(jù)土層物理力學性質劃分為填土、碎石土、砂土、黏性土、軟土、坡積土、殘積土等地層。

次亞層根據(jù)常用土工定名在亞層基礎上細分。如砂土細分為礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂，黏性土細分為黏土、粉質黏土、砂質黏土等次亞層。

2.1.2巖層劃分

福州市標準地層劃分時，巖層單獨作為一個主層。

巖層次亞層劃分按基巖的成因時代、風化程度、巖性或巖石類型等特征劃分層序[2]。考慮到福州市區(qū)揭示的基巖以巖漿巖為主，基本上為硬質巖；另外從工程運用的角度來看，福州市區(qū)基巖風化程度對巖層性狀、力學參數(shù)的影響遠大于基巖成因時代及巖性。因此，建議巖層亞層序列建議按風化程度劃分，劃分為全風化、砂土狀強風化、碎塊狀強風化、中風化、微風化。

次亞層劃分主要依據(jù)巖性進行。根據(jù)福州地區(qū)揭示的主要巖性有花崗巖、花崗斑巖、凝灰熔巖、輝綠巖等，如中風化巖亞層可細分為中風化花崗巖、中風化花崗斑巖、中風化凝灰熔巖、中風化輝綠巖等次亞層。

按以上劃分方法，福州市標準地層共劃分為8個主層，29個亞層，125個次亞層。

2.2 地層標準化技術設計

2.2.1地層標準化劃分方法

地層標準化的重點，是使數(shù)據(jù)庫建設范圍內的鉆孔各巖土層均能套用統(tǒng)一的地層代碼，并且使地層標準化后鄰近項目鉆孔地層代碼保持連續(xù)性。

因福州市區(qū)地層結構復雜，存在多個砂層、軟土層、黏性土層互相交錯出現(xiàn)，同一類定名的巖土層根據(jù)地質年代的不同可能存在多個地層代碼，給地層標準化工作造成較大困擾。地層標準化初期，應優(yōu)先選擇能控制數(shù)據(jù)庫建設范圍內的大型線路工程勘察數(shù)據(jù)，建立若干條縱向、橫向、環(huán)形的可以控制福州主要區(qū)域的標準地層骨干斷面。骨干斷面建立后，其他工程項目地層參照骨干斷面可較為方便地進行標準地層劃分工作。近年來，城市軌道交通、城市道路環(huán)線等大型市政項目勘察資料，為標準地層骨干斷面構建提供了很好的基礎數(shù)據(jù)來源。

地層標準化劃分時，主層層號應嚴格按找從上到下的順序排列，不允許出現(xiàn)主層層序顛倒；亞層、次亞層層號允許在同一主層內根據(jù)實際揭示地層情況交錯排列。

2.2.2系統(tǒng)地層標準化模塊設計

由于收集上來的工程勘察數(shù)據(jù)存在多源異構的情況，缺少統(tǒng)一的標準地層標識，往往導致入庫的數(shù)據(jù)不能進行跨工程、跨區(qū)域的統(tǒng)計分析應用，傳統(tǒng)地質數(shù)據(jù)庫在入庫階段就要進行地層歸一化處理[6]，這需要先行整理統(tǒng)計出整個區(qū)域性的標準地層標識，且一旦標準地層需要更改，就要花大量工作去更改已標準化處理的數(shù)據(jù)，重復工作量巨大。

本次系統(tǒng)提出采用基礎庫與標準庫并存的技術方案，即將原始數(shù)據(jù)錄入到基礎數(shù)據(jù)庫中，保留所有原始記錄；錄入?yún)^(qū)域性的標準地層標識，從基礎庫中挑選重要控制性鉆孔，將鉆孔分層與標準地層做映射處理，形成鉆孔標準數(shù)據(jù)并錄入標準庫中。由于系統(tǒng)使用關系型數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，標準地層的改變不影響鉆孔分層與標準地層之間的映射關系，使用人員可同步進行基礎庫入庫與標準庫對比工作，達到數(shù)據(jù)庫易于維護的目的，實現(xiàn)高效率的協(xié)同工作。

3 云服務器、WebGIS、BIM等新技術的融合應用

福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設，應在傳統(tǒng)地質、GIS、數(shù)據(jù)庫融合應用基礎上，緊跟互聯(lián)網(wǎng)+應用熱潮，積極采用云計算服務、WebGIS、BIM等當前熱點技術。

3.1 采用云服務器的B/S架構

B/S即瀏覽器/服務器架構，是目前應用系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其主要特點是分布性強、維護方便、開發(fā)簡單且共享性強。B/S架構將極少部分事務邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)，主要事務邏輯在服務器端(Server)實現(xiàn)，形成3層(3-tier)結構。這樣使得客戶端電腦負荷大大簡化(因此被稱為瘦客戶端)，減輕了系統(tǒng)維護、升級的支出成本，降低了用戶的總體成本(TCO)[7]。

云計算服務器(又稱云服務器(ECS))，是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計算服務，是云計算服務的重要組成部分，是面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供綜合業(yè)務能力的服務平臺[8]。云計算服務器平臺有效地解決了傳統(tǒng)物理服務器與VPS服務中存在的管理難度大、業(yè)務擴展性弱的缺陷。

地質數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)擬采用國內主流云平臺服務,將數(shù)據(jù)文件存儲共享、工程勘察數(shù)據(jù)查詢管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析應用等業(yè)務邏輯都放在服務器后端實現(xiàn)；同時云服務提供多重安全保護與數(shù)據(jù)備份措施,保證數(shù)據(jù)安全保密性。在這種結構下，系統(tǒng)用戶只需通過W3瀏覽器進入工作界面，無需安裝繁瑣的工具軟件,達到“低成本,高效率”的目的。

3.2 基于WebGIS技術的移動端APP的開發(fā)

WebGIS是一個開放系統(tǒng)，注重數(shù)據(jù)共享、軟件重用、跨平臺運行和易于集成等，能夠共享多種來源、多級尺度、存放在不同地點的地理數(shù)據(jù)；能夠通過對象管理、中件和插件等技術手段與非GIS系統(tǒng)集成；并能夠通過Java、CORBA、DCOM等技術跨平臺協(xié)作運行，支持多用戶終端/服務器模式等[9]。將GIS軟件與Web服務器集成，用戶可通過客戶端、網(wǎng)頁端和移動端在任何地方操縱網(wǎng)絡GIS，享用地理空間信息服務。

地質數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)擬利用WebGIS技術開發(fā)WEB應用端及查詢移動端APP。系統(tǒng)將工程、鉆孔、區(qū)域地質專題圖轉換到統(tǒng)一坐標系下,以圖層服務的形式發(fā)布給用戶查詢?yōu)g覽。通過手機APP，使用者即可以根據(jù)手機定位信息，快速便捷地獲取定位點附近的區(qū)域地質情況、鉆孔地層情況等信息。

3.3 基于鉆孔的地質BIM建模技術

該技術創(chuàng)新性地使用了Autodesk公司的Revit軟件作為BIM應用平臺，采用地質數(shù)據(jù)庫中標準化的鉆孔數(shù)據(jù)作為建模原始數(shù)據(jù), 基于Revit API來實現(xiàn)地質分層與建模的業(yè)務功能[10]。該技術方案首先從地質數(shù)據(jù)庫中提取相應鉆孔標準地層信息，利用合理的虛擬和插值方法彌補源數(shù)據(jù)不足，根據(jù)實測和虛擬的鉆孔采用Delaunay三角剖分算法和地質學知識劃分地層，然后關聯(lián)各層所屬的鉆孔鉆層，最后選取插值算法形成一定粒度的地層模型，進而組成整個地質體BIM模型。

地質BIM模型的每個圖元都附帶有詳細的屬性信息，可以在巖土工程中很方便地模擬基坑及隧道開挖過程，統(tǒng)計開挖土方量，計算區(qū)域地層統(tǒng)計參數(shù)，方便設計人員對方案進行下一步的設計優(yōu)化工作。

4 結語

目前，福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設已進入實施部署階段，上述數(shù)據(jù)庫建設規(guī)模與技術要求、福州市標準地層、新技術應用等領域的研究結論，有效指導了福州市工程地質數(shù)據(jù)庫建設標準及建設技術路線的編制與實施，為地質數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設提供了良好的技術支持，確保了數(shù)據(jù)庫建設的先進性、實用性和可拓展性。福州市工程地質數(shù)據(jù)庫項目的順利實施，也反過來驗證了地質數(shù)據(jù)庫相關技術研究成果的可行性、先進性和有效性。