城市地質信息資源管理與評價平臺研究與實現

李倩楠，周文，李晉津，程柯毅，趙曉晶，丁志慶

(1.正元地理信息集團股份有限公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發中心，北京 1013004；3.北京市智慧管線安全評價及運營監管工程技術研究中心，北京 101300)

1 引 言

地質工作是經濟社會發展的先行性、基礎性工作，服務于經濟社會的各個方面。當前，在我國工業化、城鎮化進程加快，經濟社會發展與資源環境矛盾日益增長，黨中央提出建立生態文明和綠色發展理念的關鍵時期，地質工作的重要引領作用愈加凸顯[1]。習近平總書記指出向地球深部進軍是必須解決的戰略科技問題；李克強總理明確要求加快摸清城市地下情況；《城市地質調查總體方案(2017-2025年)》提出，開展重大科技問題攻關，構建三維城市地質模型，建立城市地質信息服務與決策支持系統[2]；《關于加強城市地質工作的指導意見》明確提出統籌城市地上地下建設，補齊城市綠色發展的地質工作短板，到2020年完成城市地質調查示范，到2025年實現地級以上城市地質工作全覆蓋。目前，我國城市地質工作已正式進入3.0時代。3.0版城市地質工作的明顯特征就是多要素綜合調查、全過程支撐服務、多層級協調推進[3]。

縱觀國內城市地質大環境，結合目前我國城市地質工作需求日益增長的形勢，迫切需要運用現代信息技術手段，建設地質數據資料信息服務平臺和決策支持系統，為城市的集約、綠色、智能、低碳和安全發展提供精準支撐服務產品。在上述形勢下進行研發的城市地質信息資源管理與評價平臺是一個集城市地表、地上、地下多維、動態空間信息于一體的大型綜合性空間信息平臺[4～6]，利用數字地質、現代數據庫、GIS、計算機網絡等技術，對城市的基礎地質、水文地質、環境地質、地面沉降、工程地質、地球化學、地球物理、遙感地質、災害地質等多專業的地質信息和成果進行集成和融合，實現對地質信息的管理、檢索查詢、分析評價、更新維護、三維地質模擬和成果顯示。

2 系統總體設計

為滿足城市地質相關管理部門業務需要、各權屬單位的應用需求，綜合考慮項目的建設目標和建設內容，系統采用面向服務的體系架構(SOA)，將各部分以松耦合的方式進行結合，通過服務間良好的接口和契約聯系起來[7]。

2.1 設計思路

該平臺以城市地質數據庫為核心，實現城市地上-地下、地質-地理、屬性-空間數據一體化存儲、管理、處理、建模和應用，其設計思路如下；

(1)建立城市地質數據管理、服務平臺，實現地質數據規范化管理，為業務應用和信息服務奠定堅實數據基礎。

(2)基于城市地質數據庫，建立城市地質數據分析評價與輔助決策平臺，加強數據分析工作，從基礎數據中分析挖掘出有助于城市地質管理工作的信息，揭示隱含在數據中的知識，為城市建設與管理服務。根據不同專業數據建立相應的三維地質模型，提供對模型的三維可視化、查詢、分析功能；并進一步實現對工程地質條件、地下水資源、土地利用適宜性、地質災害發育程度、水土污染等的分析評價與輔助決策功能。

(3)分析社會公眾對城市地質信息的需求，以數據共享機制為基礎，建立一個城市地質信息發布與服務平臺，為政府決策和公共需求提供基于城市三維地質及相關數據的基礎和增值信息服務[8～10]。

2.2 系統架構(見圖1)

(1)基礎設施層

基礎設施層為各種應用提供基本的硬件支撐環境，主要由通信網絡、服務器、數據存儲和數據備份等基礎設施組成。

(2)數據層

數據層包括城市地質各類數據，以原始數據、基礎數據、成果數據的方式進行分類管理。

(3)服務層

服務層提供數據檢索、資源目錄服務、數據服務、功能服務等服務，同時，提供對于服務的管理，如系統配置、服務管理、安全管理和運行保障。

(4)應用層

應用層主要由城市地質數據管理子系統、城市地質三維建模子系統、城市地質三維可視化分析子系統、城市地質分析應用子系統、城市地質共享服務子系統組成[11]。

(5)用戶層

主要由以下幾類用戶構成：城市地質各類專業人員、系統管理維護人員、政府各職能部門使用人員、政府領導決策者、公眾用戶等，這幾類用戶分別擁有不同的訪問權限。

圖1系統架構

3 系統功能實現

3.1 數據管理與維護子系統(C/S架構)

如圖2所示，數據管理與維護子系統以城市地質信息化管理的數據標準為基礎，基于城市地質數據庫，建立集地表、地下空間信息于一體的大型綜合性三維空間數據管理、服務平臺，實現對來源廣泛、類別眾多、數量龐大、時空多維、主題鮮明的城市地質數據的規范化統一管理。系統提供數據建庫、數據導入導出、數據檢查、數據查詢、數據統計、數據更新、備份還原等功能。

系統將城市調查的全階段數據進行存儲，主要包括原始數據庫、基礎數據庫和成果數據庫，這三類數據庫都采用了按地質調查專業的業務主題進行數據組織的方式，來實現數據存儲、管理和調度。根據城市地質環境調查的內容，這些業務主題包括基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、環境地質、災害地質、地質資源、地球物理、地球化學等。

針對本項目該子系統主要服務對象為：城市地質各類專業人員等。

圖2 數據管理維護子系統

3.2 三維可視化分析子系統(B/S架構)

如圖3所示，城市地質三維可視化分析子系統是一個在三維GIS平臺支持下，面向城市地質領域的三維模型可視化與分析軟件，實現面向城市地質應用的三維建模表達三維可視化與空間分析應用。

針對本項目該子系統主要服務對象為：政府各職能部門使用人員等。

圖3 三維可視化分析子系統

(1)三維地質模型可視化

包括三維場景基本操作、三維空間查詢、地表地形分析、三維空間量算等功能。

(2)三維地質空間分析

①三維模型剖切

針對三維地質模型的任意實時動態剖切方式，包括沿軸向平面剖切、垂直折線面剖切、任意方位平面剖切、組合面剖切等，提供提取切面的功能，進而生成分層切面圖、立體剖面圖等各種剖面圖。

②隧道開挖模擬

交互式隧道路線定義、隧道截面設置等簡單隧道設計功能，并能保存、打開、編輯隧道路徑文件，按照隧道路徑文件生成隧道模型并對地質體進行開挖模擬的功能，并支持在隧道內飛行漫游，隧道開挖如圖4所示。

圖4 隧道開挖

③虛擬鉆孔

在給定孔口坐標后獲取類似實際鉆孔地層分層信息的功能，孔口坐標可直接輸入或在模型上通過交互定位獲取。

④三維模型分解

提供三維地層模型的按層顯示功能，允許用戶設定所顯示地層或通過鼠標拖曳方式將某一地層拖到場景中任意位置。同時支持三維地質模型的爆炸式顯示功能，可按照設定的幅度沿軸向模型自動炸開顯示。

⑤基坑開挖

實現地基開挖分析，通過鼠標選擇表面開挖形狀(畫矩形、圓形、多邊形)，通過切刀控制，可調節切刀的水平高度及角度，并對開挖后的地質出露情況進行三維展示，同時可對開挖的體積進行按層統計。

3.3 地質三維建模子系統(B/S架構)

城市地質三維建模子系統是一個在三維GIS平臺支持下，面向城市地質領域的三維地質模擬軟件，實現面向城市地質應用的三維模型建設。

針對本項目該子系統主要服務對象為：城市地質各類專業人員等。

①三維地層動態建模

針對具有層序規律的地質體，模塊提供根據鉆孔同時結合剖面、地層平面分布圖(包含等高線)半自動、動態建立研究區域內的三維地層模型的功能。

②三維地質結構交互式建模

針對包含斷層、透鏡體等的復雜地質結構，模塊能將計算機自動處理和人工干預相結合的一系列交互式建模功能。

3.4 分析應用子系統(B/S架構)

基于二維、三維GIS平臺建立地下空間分析應用子系統，從基礎數據中分析挖掘出有用信息，揭示隱含在數據中的知識，為城市建設與管理服務。并進一步實現對地殼穩定性、土地利用適宜性、地下空間利用適宜性等的分析評價與輔助決策功能。

針對本項目該子系統主要服務對象為：政府領導決策者等。

(1)數據管理

按項目方式組織管理數據，根據專業需要自定義項目，包括項目基本信息、項目邊界、關聯的基礎數據等，并可對數據點按屬性值等分段顯示。按照分層的方式對地理底圖等各專業地質調查數據、各類地質圖件數據及文檔資料進行組織管理。

(2)專題圖編制

從數據庫中直接提取包含基巖地質鉆孔、第四紀地質鉆孔、工程地質鉆孔和水文地質鉆孔等在內的鉆孔數據并自動生成鉆孔柱狀圖，如圖5所示，允許對圖欄進行編輯、修改，包括添加、刪除、合并圖道，添加、刪除表頭表尾，修改圖面、圖道、圖元信息，修改圖的顯示樣式。同時，可生成鉆孔剖面圖，反映在剖面圖上的信息包含鉆孔及其標注、圖例、剖面方位等要素。此外，將原始的離散點數據網格化，再利用克里金估值法等網格化方法可生成地層等值線圖和地球化學等值線圖。

圖5 鉆孔柱狀圖

(3)統計報表分析輸出

編制單橋靜探曲線圖、雙橋靜探曲線圖、動靜探曲線圖、波速曲線等地質專業圖件；編制時序數據的時間變化曲線圖，如時間—地面沉降曲線、時間—水位變化曲線，曲線表現形式可采用折線圖或擬合曲線圖。

(4)輔助分析評價

輔助分析評價功能可針對地下空間實際需要，提供各種專業分析輔助評價功能，如地殼穩定性評價、規劃區建設適宜性評價、地下空間利用適宜性評價、土地利用適宜性評價等。地質環境適宜性評價如圖6所示。

圖6 地質環境適宜性評價

3.5 共享服務子系統(B/S架構)

如圖7所示，為專業技術人員、政府機構、各企事業單位和社會公眾用戶提供基于局域網和Internet的地質環境數據產品發布、查詢、瀏覽和調度以及數據處理和辦公等功能的平臺系統。通過分層、分級、分專業用戶授權模式實現不同用戶共享數據和服務的差異性：普通用戶可瀏覽系統提供的公開性信息資料；經注冊授權的用戶可根據權限不同檢索、查看甚至下載不同地質數據和資料，使用不同的地質專業服務功能。

針對本項目該子系統主要服務對象為：公眾用戶、系統管理維護人員等。

圖7 共享服務子系統

3.6 運行環境

本項目平臺子系統為C/S和B/S混合架構，部署分為服務器部署和客戶端部署兩部分。按照實現較高的運行效率、較高的性能價格比及良好的系統兼容性為原則，系統選用目前較為通用的Windows Server系列操作系統和Oracle數據庫。具體配置建議如表1所示：

配置參數 表1

續表1

4 結 語

目前，城市地質信息資源管理與評價平臺已建設完成并投入使用，項目成果為成都市地下空間開發利用以及重大工程建設提供了翔實的地質信息服務，為其城市地質信息管理工作的科學化、規范化、高效化運行提供了強有力的信息化支撐。平臺通過在成都天府新區的實際應用，為城市地質信息平臺應用提供一定參考價值。城市地質信息資源管理與評價平臺是一切地質分析的基礎，平臺的建設為科學統籌城市地質資源開發利用以及相關空間性規劃做好銜接，為地質調查在地下空間、資源開發發揮先導性作用。

地下空間建設作為下一步發展的重要趨勢，可以為地上地下統籌化、一體化、集約化發展等諸多問題的解決提供新的思路。城市地質工作是智慧地下空間建設的基礎，其成果可為城市地下空間整體統籌開發提供更有效的地質信息支撐。