地质资料信息服务集群化试点数据库建设与应用

2014-01-16刘忠明

资源环境与工程 2014年5期

李红，刘忠明，尹伟，张嫣

(湖北省地质科学研究所，湖北武汉 430034)

0 引言

国土资源部关于《推进地质资料信息服务集群化产业化工作方案》的通知指出:提高地质资料数字化信息化水平，不断扩大服务领域，提高服务功能是国外地质工作强国的普遍做法。

2009年全国启动了地质资料信息服务集群化产业化试点研究工作，上海、湖北、山东、安徽、湖南、青海六省(市、自治区)为首选试点省份，其中上海、安徽以城市地质为特色，湖北以矿业城市为特色，山东、湖南、青海以成矿区带为特色。通过几年的工作，各试点省份均建立了自己的地质资料管理服务系统及支撑集群化产业化的工作平台。自2012起，试点工作面扩大，辽宁、福建等省份也参加到集群化和产业化工作中来。从2013年开始，集群化工作全面推广，产业化工作开始加强。试点省份提交了集群化产业化成果报告(2012年)，也发表了相关的论文，出版了论文集，对集群化产业化工作进行了较系统总结和有益的探索。

2009年—2012年湖北省地质科学研究所与武汉中地数码科技有限公司开展了湖北省黄石市城区地质资料信息服务集群化产业化试点研究工作，根据黄石市城区地质需求，探索出了一套适合黄石市地质资料信息服务集群化产业化工作的技术路线和技术方法［1－3］，初步建立了黄石市城区地质资料管理服务系统和地市级地质资料数据中心建设框架［4］。

通过项目组全体技术人员的共同努力，经过几年的反复试验，初步探索出了集群化技术路线:地质资料收集→地质资料分类→地质资料整理、编码→数据录入、试点数据库建立→地质三维建模和可视化→地质资料、数据、图形、模型的管理、统计、分析、评价。其中试点数据库建设是集群化工作的核心，也是实现地质三维可视化的基础。本文以黄石市为例就地质资料信息服务集群化中的试点数据库建设进行一下探讨。

1 试点数据库建立意义

地质资料信息服务集群化的目的就是要实现地质资料、数据的平台管理和空间分析，建立地质资料数据中心，提升地质资料的管理水平、服务质量，逐步形成地质资料信息服务产业化。其中城市地质资料标准数据库的建立与管理是集群化的重点，是建立地质资料数据中心的核心。

通过地质资料、数据的建库和建模，实现城市地质可视化，达到地质空间分析和空间模拟的功能。通过图形库和数据库的关联，进行二维空间分析和三维空间分析。

建立试点钻孔数据库，实现几何数据和属性数据的高度关联。在建立钻孔标准数据库的基础上，构建城市三维地质模型，实现地表地理地质和地下地质体、空间结构的可视化，易直观和快速地提取城市地质信息，更好地对数据进行评价和对地质体的空间分析表达。

建立标准数据库是对原始(成果)地质资料和数据的提取、筛选、标准化的一个过程。通过标准化，将不同时期、不同单位、不同标准的零散地质资料和数据纳入统一平台下进行集群管理，发挥地质资料、数据的整体效益。

建立试点标准数据库，有益于探索工作方法，总结技术标准，积累工作经验，有利于推进地质资料信息服务集群化。地质资料信息服务集群化和产业化试点工作是一项庞大系统复杂的工程，时间较长，涉及地质、资料管理、计算机、信息化建设等领域，没有现成的技术标准和规范，必须在现有地质、信息、计算机标准和规范的基础上，创造性地开展工作。这就要求从事地质资料信息服务集群化试点工作的技术人员边学习、边工作、边总结、边提高，在建库建模等方面积极发挥主观能动性、创造性，创立并完善地质资料、数据建库标准。

2 数据库建设原则及数据库分类

2.1 建库原则

主要有效优化、循序渐进、适用性、标准化、完整性、可扩充性和可行性等。

2.1.1 循序渐进原则

先试点建库，后大规模建库，不断补充数据和完善数据库结构。先建立地质资料目录数据库、再建立地质资料数据库，然后建立地质数据库和地质模型。

2.1.2 成本效益优化原则

软硬件和系统配置经济合理，数据精度满足设计要求，建库功能展示快。

2.1.3 实用性原则

不仅应考虑方法与手段，还应考虑大数据量的存储、维护与更新，同时应考虑与现行体制相适应，尽量满足用户要求。

2.1.4 可扩充性原则

数据编码和系统功能、数据、应用领域和软硬件配置均应可扩充。

2.1.5 可行性原则

应充分考虑与人力、财力相适应，具有有效的数据更新机制和较为迫切的用户需求，以及适宜的建设周期。

2.1.6 标准化原则

数据分类与编码、数据库内容与结构、建库过程均应采用国家相关标准、行业标准和地方标准。对于正在研发的部分标准予以说明。

2.1.7 完整性原则

数据库的内容包括城市所有地质资料类型及其数据，通过同一系统实现多库的集成管理及二维、三维信息的融合。

2.1.8 安全性原则

①地质资料保密，严格执行国家保密法;②提高数据的保密安全性，采用国产硬件、软件及网络产品;③充分考虑硬件的安全性，网络的安全性以及数据的保密安全性;④保持数据的容灾能力，根据数据集的类型不同，确定不同的数据备份策略。

2.2 数据库分类

地球科学大词典中，数据库(data base)是这样定义的:在计算机外存储器中，服务于一种或多种应用的，按一定组织方式存储在一起的相关数据项的集合。这一集合具有较小的冗余度，较高的数据独立性、安全性和完整性，可供数据共享。数据库的这些特性是由数据库管理系统软件提供的通用存取控制方法实现的。数据库的分类方法很多，按其组织结构可分为层次、网状和关系数据库;按其中所存储数据的特点可分为事实数据库、模糊数据库等;按其应用领域可分为地质数据库、商用数据库、工程数据库等等。地质资料信息服务集群化中试点数据库一般分为原始、标准和成果数据库。

2.2.1 原始数据库

指收集到的各种地质资料与数据。不加任何修改，保持其原有性质。

2.2.2 标准数据库

指系统进行常规分析评价、三维建模所使用的基础数据的集合，包括地理信息数据、区域地质数据、水文地质数据、工程地质数据、矿产资源数据、地质灾害数据、地球物理数据、地球化学数据、矿产勘查数据、矿产开发数据等，按数据类型分有矢量图形、属性数据表、栅格数据、影像数据、文本数据。

2.2.3 成果数据库

指系统生成的各类成果资料的数据集合，包括有关专业的成果图件、三维模型分析结果，按数据类型分有矢量图形、三维空间数据、数据表、图片数据、视频数据等。该层次的数据允许进行编辑修改。

3 数据库建立技术方法

3.1 技术路线

数据库建设技术路线是:地质数据需求调查→地质数据要素全面清理→数据库设计→试点数据录入建库与调试→数据录入建库→数据更新、维护。数据库设计要求反映的地质要素要全，由空间数据和属性数据组成，结构合理，操作性强。待数据库建设方法成熟后，进行大规模数据录入，正式建立数据库。

3.2 技术方法

不同的阶段，技术方法也不一样。

3.2.1 地质数据需求调查

多次征求了省、市级国土资源主管部门的地质需求意见，并进行了系统的归纳与清理。通过黄石市人民政府关于黄石市城市的转型政策，了解城市建设、城市环境恢复治理等地质需求。

3.2.2 地质数据要素全面清理

在地质数据分类的基础上，对不同的地质数据进行要素全面清理，数据库设计充分考虑地质数据要素的齐全性，既要有空间数据，又要有属性数据。例如，在清理褶皱数据要素时，充分利用地球科学大词典，将所有褶皱要素列入字段设计，并附加空间数据。这样的数据库大而全，实际上是一个数据库仓库，在此基础上，根据需要，选取一些要素，可建立新的数据库(子数据库)。

3.2.3 数据库设计

在统一系统下，根据地质数据要素和地质需求，设计数据库内容、结构、字段。并组织少量数据进行试录入建库，不断发现问题，与软件公司进行沟通，完善数据库设计。

这里以地质钻孔为例简单说明试点数据库的设计。

每一个钻孔资料分为两大部分:钻孔基本信息(表1)和钻孔分层信息(表2)，用基本信息(表1)定位钻孔的空间位置，用分层信息(表2)描述地层内部结构，两者之间具有一定的约束关系，通过字段HOLEID(中文名:钻孔ID)进行索引。

表1 钻孔基本信息——ZK_HOLEINFOTable 1 Basic information of drilling

钻孔基本信息，用于定位钻孔在空间中的位置及其基本特征，包括钻孔编号、横、纵坐标、钻孔ID、孔口标高、深度、类型、级别等。

钻孔的分层信息，描述钻孔在地层内的几何特征。包括钻孔ID，用于索引钻孔信息的唯一标识;标准分层版本 ID，用于标识分层信息的标准，统一各地层名称;顶板埋深，地层的开始深度;底板埋深，地层的终止深度;岩性名称，地层的标准名称;岩性描述，地层信息描述。

基本信息可以直接从原始数据中提取，而分层信息则是地质人员进行了大量的整理工作，例如，地层岩性适度合并，当遇到断层时的处理等等，从而建立标准分层数据。

表2 钻孔标准分层——ZK_HOLELAYERTable 2 Standard delamination of drilling

3.2.4 试点数据录入建库与调试

组织一定数量的地质数据进行试点建库，并不断征求用户的意见、行政主管部门和信息化专家的意见，最终形成较完善的数据库设计。

钻孔数据可以直接建立Excel表格(图1)，整理无误后再通过导入界面导入到数据库(图2)。

3.2.5 数量与数据质量控制、检查与验收、质量评述

数量与数字质量控制与检查:主要有人工检查、系统查错，然后人工改正。

以钻孔数据录入建库为例，在数据导入到系统前，要检查11项:①坐标、标高、孔深是否正确;②是否按规定模板录入和导入;③钻孔是否在黄石市城区内;④是否少项;⑤孔号编排是否合理正确，归区是否正确;⑥分层是否合理;⑦不能出现单一层(没有划层);⑧层底埋深从上至下，数据是否从小到大，有没有异常值出现;⑨层序与标准层序是否一致、合理;⑩钻孔ID号是否具有唯一性(不能出现重复、漏号现象);○11特殊情况下地层岩性适度合并，保持地质体的连续性。

图1 钻孔数据Fig.1 Data of drilling

图2 导入界面Fig.2 Introduction interface

钻孔数据进入系统中生成的三维模型是否失真。如果失真，针对出现异常的钻孔进行检查，从原始地质资料入手，到编码、标准化和录入整个环节进行检查，找出错误进行修改。项目组安排了2名专职的地质资料管理员，对资料进行了严格的登记、归档管理，可以调取工作过程中任一环节的资料与信息，因此，可以快速发现并纠正错误。

数据验收:项目组员提交的数据由小组长负责检查，然后提交项目负责进行检查验收，最后交由地质资料管理员存档。建成库的数据直接由系统统计读出，如钻孔数据数量。所有的地质数据均有目录表，方便检查与验收。

数据质量评述:利用他人数据，要对其进行可靠性评价。对于元素地球化学测试数据，有化学分析数据，用化学分析数据;没有化学分析数据，用光谱定量数据;没有光谱测试数据，光谱半定量测试数据不可用。还有，充分利用权威测试机构测试的数据。再有，利用经过评审鉴定的数据，慎用未经评审鉴定的数据。对于一个地质体，不同类型的分析数据应匹配，如果出现不协调，则要检查是什么类型数据出了问题。

3.2.6 数据更新、维护

及时对地质数据实行增加、删除。

4 试点数据库应用

利用建立好的钻孔数据库可生成柱状图、剖面图及三维模型图。

4.1 钻孔柱状图生成

根据MapGis K9提供的钻孔柱图生成模板，自动生成各专业钻孔柱状图(图3)，系统还提供方便的修改编辑方式。

可以对生成的柱状图进行调整，包括修改数据、调整比例尺等。还可将柱状图保存为矢量格式文件，以便在常用的外部GIS平台环境中进行进一步的编辑。

系统提供钻孔辅助分层功能(如修改地层属性、增加、删除地层、合并地层等功能)，可根据已有的知识经验，在自动生成钻孔柱状图基础上，对分层数据进行修改，在授权情况下，允许更新基础数据库中的原有钻孔分层信息。

4.2 钻孔剖面图生成

根据选定的钻孔数据和设定的地层连接方式(如尖灭位置等)辅助生成钻孔之间的地质剖面图(图4)，剖面图生成时按照先连大层，后连小层的规则进行钻孔间地层的连接，对于长的钻孔底部的地层没有其他钻孔与之对应，对这些地层进行平推，外推距离为钻孔间距离的1/2或1/3，或者通过人工干预完成。同样剖面图也具有相应的编辑功能。