苏州三维城市地质信息管理与服务系统框架与应用

于军，龚绪龙，常影，高立，陆婧，毛磊

(1. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018； 2. 江苏省地质调查研究院，江苏南京210018； 3. 武汉中地数码科技有限公司，湖北武汉430074)

苏州三维城市地质信息管理与服务系统框架与应用

于 军1,2， 龚绪龙1,2， 常 影3， 高 立1,2，陆 婧1,2， 毛 磊1,2

(1. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018； 2. 江苏省地质调查研究院，江苏南京210018； 3. 武汉中地数码科技有限公司，湖北武汉430074)

基于MapGIS K9-TDE平台，以数据库技术、GIS技术、3D地质建模与可视化技术、计算机网络技术综合构建了集城市地理、基础地质、水工环地质、地质灾害、物化遥等多专业、多源数据融合与管理、可视化分析、模型评价及辅助决策功能于一体的城市地质信息管理与服务系统，为专业技术人员和管理者提供综合化、智能化的计算机工作平台，实现城市地质工作更好地服务于政府及社会的宗旨。

城市地质；MapGIS K9-TDE；地质建模；三维可视化；信息系统；江苏苏州

0 引 言

21世纪信息化已成为实现政府决策、城市管理科学性、高效性的重要基础，构建一个基于三维GIS、可视化技术的城市地质信息平台成为当前许多国家城市地质工作的热点。在技术方法上，则更加强调多学科、多方法的融合，注重3S技术的运用，尤其在三维地质可视化建模方面更是研究的难点。

基于新一代面向服务的倒挂式体系架构技术MapGIS K9平台(武汉中地数码科技有限公司)，设计了苏州城市地质信息管理与服务系统，实现了地上、地下海量数据三维一体化城市地质数据管理及分析，全面提升城市地质服务于城市规划、建设与管理的快速反应能力，创新城市地质调查的成果表达形式，形成全新的城市地质工作模式(吴信才，1998)。

1 系统总体布局

根据苏州城市地质信息管理与服务系统的需求分析和研发目标，结合系统的可扩展性及可维护性，采用三层体系结构构建了系统框架，分为数据层、中间层和客户层(傅俊鹤等，2009)，各层相应负责数据访问、业务逻辑管理、用户使用操作等功能(图1)。

图1 系统总体结构布局示意图Fig.1 Sketch showing general structural layout of the system

为适应局域网和广域网2种网络环境，采用C/S和B/S结构并存的混合软件模式。对于专业技术人员可借助于内部局域网(Intranet)以C/S方式使用系统，对于社会公众和政府相关职能部门、下属单位则可通过广域网(Internet)以B/S方式访问苏州城市地质的各类共享信息资源。

2 系统框架体系

作为一个庞大的综合集成系统，按照目标和需求划分为3个功能体系：基础数据获取、数据分析评价、数据共享与辅助决策(图2)。基础数据获取功能体系由城市地质基础数据库及城市地质数据管理与维护系统构成；地质数据分析评价功能体系基于基础数据获取体系构建，由城市地质基础数据、模型数据、成果数据专题数据库及城市地质专业分析评价子系统构成；地质数据共享与辅助决策功能体系则基于前2个功能体系构建，并由分布于苏州不同区域的政府相关部门、企事业单位、地质科研院所、社会公众用户群构成(花修权等，2015)。

图2 系统功能结构框架Fig.2 System function framework

上述3个功能体系中的子系统是相对独立、也是彼此联系的应用软件系统。其中，城市地质数据管理与维护子系统(C/S结构)用于城市地质基础数据的输入与管理；城市地质专业分析评价子系统(C/S结构)、城市地质数据共享与辅助决策支持系统(B/S结构)用于城市地质数据查询统计、专业分析评价、三维地质模拟、辅助决策、城市地质信息的网络发布。

3 数据中心建设

城市地质数据中心既是地质数据采集中心，又是数据及成果的共享与服务中心，是地质数据库的主要载体。系统采用MapGIS K9 GDB管理器，将不同比例尺的地理地图、遥感影像、基础地质、水工环地质、地质灾害、物化遥等资料数据以MapGIS K9本地文件数据库或栅格文件格式存储，包括要素类、对象类、注记类、修饰类、动态类等，形成地图库、影像库、矢量库等多种形式，实现了地质数据的规范采集处理、合理存储、科学管理和高效利用。

此外，对于模型数据，如数字地面高程模型、三维基岩地质结构模型、三维地层结构模型(第四纪地质、工程地质、水文地质)、三维地质参数模型等，均提供用户修改编辑功能，可随时更新完善。

4 各子系统功能

4.1 城市地质数据管理与维护子系统

该子系统实现了空间数据和非空间数据的一体化组织管理，能够管理不同尺度地理底图、遥感影像等空间数据，还包括钻探、物探、化探采样等点空间类属性数据以及相关文档、图片、音频、视频等非结构化数据。具有对各类城市地质数据进行录入、编辑修改、检索查询、格式转换、导入导出、更新维护等功能，特别是实现了数据质量的自动检查。以城市地质中最基础、最重要、数量庞大的钻孔数据为例(图3)，可检查顶底板逻辑正确性、地层分层表与标准分层表是否存在矛盾、标准分层表中是否存在地层缺失、重复或倒置情况等，还可对钻孔进行分布密度检查，形成检查日志，及时掌握分布情况。

图3 钻孔数据检查功能框Fig.3 Flow diagram showing checking function of drill hole data

4.2 城市地质专业分析评价子系统

该子系统是基于MapGIS K9平台开发的面向城市地质专业应用需求的分析评价模块，具有数据检索查询、统计分析、图形交互、三维地质建模、专业应用评价等功能，可提供观察、处理和分析城市地质多源异构数据，进行地质知识探析的三维可视化工作平台。

4.2.1 灵活的地质数据多级智能检索方法 在可自行定制的项目目录树中，用户依自身需求，通过使用包括几何查询(矩形、圆形、多边形、行政区等)、关联查询、高级综合查询等多种方式进行各类数据的检索、统计、制表、绘图、打印输出等(顾丽影等，2012)。图4为用户查询到的苏州市地质遗迹照片，系统实现了360°全景展示。4.2.2 基于地质规则参数化的面向对象辅助地质成图 系统实现了模板化、自动化方式组织管理各类专业图件，高效生成各专业柱状图、剖面图、等值线图、曲线图、单要素和多要素组合图等，可按多种数据模式输出。

基于模板定制的柱状图生成与编辑：这种基于模板定制柱状图、剖面图的图表制作方法(图5)，具有数据层独立、表现层灵活的优点，出图样式允许用户任意定义，编辑修改十分方便，实现了专家知识经验与数据库数据之间的联动，最大程度上满足了图件在各种场合的使用要求。

图5 基于模板定制技术的钻孔柱状图制作Fig.5 Plotting of drill column based on template customization technology

基于连接规则的剖面图生成：以钻孔数据为基础，支持包括剖面线、地形线、地层底板等高线、断层、褶皱、综合柱状图、区域地质图等矢量数据、表格数据在内的多源数据约束以及智能化地层连接规则扩展，实现了一键导入参与三维建模功能，是一种实用化的图形数据自动绘制方案(图6)。

图6 多源数据交互式剖面制图流程Fig.6 Mapping flow of interactive section by using multi-source data

4.2.3 三维可视化建模分析 在城市地质3D GIS数据基础上，系统采用“预建模型”(自动/半自动)方式建立各专业三维结构模型，揭示地下地质体三维空间形态及其组合关系，实现任意切割、开挖、虚拟钻探、巷道漫游等可视化再现模拟以及与平面二维要素进行一体化展示和交互分析，并提供包括体积、面积、距离、深度、压缩性、承载力等三维量算功能，可利用空间分析和数据挖掘技术实现简单水工环地质问题的计算评价研究。

以第四纪沉积结构模型为例，其建模过程主要考虑钻孔、地形等高线、基岩埋深等值线、第四纪地质图、分区图、边界等多源约束数据，通过生成钻孔点位图、导入地质图、建立边界内插模型(包括地表水系、基岩模型)、形成地质块体等步骤实现模型的构建。图7为系统建立的苏州地区第四纪沉积结构模型及实现的地层任意切割。

图7 苏州地区第四纪沉积结构模型(a)和地层任意切割剖面(b)Fig.7 Sedimental structural model (a) and strata intersected profile (b) in the Quaternary of the Suzhou area

4.2.4 专业应用模型分析评价 模型化是系统的一个特色，也是专业应用智能化的体现。该子系统无缝嵌入了ModFlow地下水流模型(图8)。采用评价模型库的管理思想，通过提供一系列的操作符、操作对象和常用模型列表，供用户进行选择、编辑和组合，用户按照专业技术人员提供的数学模型和国家标准，建立各专业分析评价模型，实现模型的分析评价(图9)。可进行地下水资源计算评价、应急水源地开采潜力计算、各类水质综合评价、地下水防污性能评价等；对工程建设、地下空间开发利用开展适宜性评价；对于地面沉降灾害，建立了地下水与地面沉降耦合模型(于军，2006)，可进行沉降趋势预测，开展地面沉降易发性、易损性评估，进行地面沉降风险评价；另外还可进行地球化学指标评估计算、土壤地球化学质量等级划分评价，以及各种聚类分析、回归分析、多变量叠加分析、层次分析等。

图8 无缝嵌入功能直接编辑ModFlow虚拟井开采量(a)和观测井水位(b)Fig.8 Direct editing of the production of virtual wells (a) and water level of observation wells (b) by using the seamless embedded function of ModFlow

图9 专业评价流程Fig.9 Flowchart of professional evaluation

4.3 城市地质信息共享与辅助决策子系统

该子系统运行于B/S环境，可分内部数据共享和社会化数据信息服务2个层次，系统通过用户授权方式实现不同用户服务的差异性。江苏省国土资源厅、苏州市国土资源局等政府行政机构可以共享系统原始数据、基础数据资料、信息处理和决策支持服务，社会化用户可以共享综合成果、有条件信息处理服务和数据订购服务。为便于指导社会公众用户方便快捷地浏览信息，系统在首页对各功能均给出最佳初值，并提供详细操作指南和在线帮助。

5 关键技术实现

5.1 基于数据中心的二维与三维一体化技术

系统从4个方面实现了基于数据中心的二、三维一体化管理策略。(1) 从要素模型的概念上对二、三维数据模型进行统一表达和管理，即数据模型一体化；(2) 以分类的概念将空间数据库以统一的要素类、要素数据集进行一体化管理，即数据管理一体化；(3) 将二维与三维显示在统一的视图中展现，使建模效果更加突出二、三维综合应用，即数据可视一体化；(4) 借助数据中心技术在不涉及数据本身差异的前提下，以中间件技术为基础的插件管理方式，屏蔽二、三维应用差异，集成二维和三维应用功能，即应用、开发、集成一体化。上述技术的成功应用，改变了以往二、三维数据分别处理的局面，使得二、三维在数据模型、数据管理、数据可视化和数据集成层面上实现无差别对待，真正实现了二、三维空间数据的深层次应用。

5.2 多地质数据约束下的层状地质体全自动建模技术

针对具有标准层序特征的地质区域，通过提取各类数据源(包括钻孔、剖面、各类平面图等)，根据地质知识库约束条件和准则，结合地质学规律和数学算法，模拟未知区域地质数据，从而建立整个区域的地质模型(侯卫生，2007)。这一技术采用改进的主TIN构模方法，以保证各个地层面具有确定的、上下一致的拓扑关系，极大地简化了后续处理的复杂度，增强了算法的稳健性。基于各个地层的建模数据，通过插值算法，结合尖灭、缺失信息，即可构建出各个地层面(朱良峰等，2004a,2004b)。各地层面之间若有交错，则根据交错关系进行相交处理，该方法大大提高了单一数据源建模的精度。

5.3 包含断层的复杂地质构造三维建模技术

该技术包括断层格架建模和断裂-地层实体建模2种，是一项针对复杂地质结构特点、采用基于多源地质数据耦合建模的一套技术方法(张宝一，2007)。

断层格架建模包括2类：(1) 基于断层数学模型的断层面推演技术：将断层面看作是多个平面的组合，用多个平面近似地模拟逼近实际断层面，并通过三维空间插值形成断层面网格，对于每个平面而言，断层面的空间方位可用走向、倾向和倾角表示；(2) 基于轮廓线重构的断层面生成技术：通过地质剖面图上的断层轨迹线来构造断层面，指定剖面之间被连接断层线的对应关系，然后基于轮廓线构造曲面算法和三维空间插值算法生成断层面网格(图10)(徐能雄等，2004)。

图10 断裂模型Fig.10 Fault model

断裂-地层实体建模也包括2类：(1) 基于断层格架的地层建模技术：在建立断层格架基础上循环建立每个地层，从钻孔数据、地层等值线、地质剖面中提取地层层面网格数据点，并以地质图、构造图中的边界线、构造线以及断层格架作为约束边界进行地层层面网格化，形成地层层面网格；(2) 地层到实体建模技术：在按上述步骤建立了断层面网格、地层层面网格以及这些网格的拓扑关系之后，采用实体构模算法建立由边界面网格(B-Rep)表示的断裂地层实体模型(图11)(陈国良,2006)。

5.4 属性模型构建技术

地质体内属性特征空间分布的三维重构是与地下地质体形态三维建模同样备受关注的重要研究内容。地质体内空间属性特征主要反映地质体内物化特性的定量参数，如应力、渗透率、孔隙度、水矿化度等，它们既有成因上的联系，也有特殊性，在空间变化上有一定的规律性。系统将地质随机变量与其空间位置变量的变化关系联系起来，正确实现地质体内空间属性特征的三维插值重构，充分揭示三维地质体某种特征参数的空间变化规律。

5.5 基于MapGIS IGServer的决策支持与信息共享技术

基于WebGIS的智能决策支持系统是一个基于Internet技术的集数据仓库技术、OLAP技术、数据采掘技术与专家系统于一体的智能决策支持体系，可在广域网络上实现决策支持，可灵活选择相关功能插件、专题数据及专业分析评价成果，搭建特定目的或者特定部门的窗口，形成“框架+插件”的灵活组建模式，摆脱了地域和开发成本方面的限制，为系统决策支持的实施提供了广阔的基础环境和良好的开发平台。

6 结 论

(1) 从苏州城市地质工作实际需要出发，采用数据库技术、编码技术制定城市地质数据标准规范，建设城市地质综合数据中心，利用GIS技术、3D可视化技术、计算机网络技术开发集城市地理、基础地质、水工环地质、地质灾害等多专业、多参数数据输入、检索查询、三维建模、可视化分析、计算评价、辅助决策及信息共享功能于一体的城市地质信息管理与服务系统，使之能够全面满足三维地质数据管理的多方位需求，提供了综合化、智能化、现代化的计算机基础工作平台。

(2) 未来城市地质信息系统需要在3个方面开展深入研究：国家、省、市、县的多级城市地质地质资料数据中心体系构建关键技术研究；多源、高效、支持动态更新的三维地质建模技术研究；三维地质模型与水工环专业本构模型的融合与分析计算。

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Framework and application of 3D urban geological information management and service system in Suzhou City

YU Jun1,2, GONG Xulong1,2, CHANG Ying3, GAO Li1,2, LU Jing1,2, MAO Lei1,2

(1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources， Nanjing 210018, Jiangsu, China； 2. Geological Survey of Jiangsu Province， Nanjing 210018, Jiangsu, China； 3. The Digital Technology Co., Ltd. Wuhan， Wuhan 430074, Hubei, China)

The urban geological information management and service system is an integrated service system of urban geography, basic geology, hydrological-engineering-environmental geology, geological disaster and physicochemical remote and more professional, multi-source data fusion and management, visual analysis, evaluation model and auxiliary decision-making function, which is based comprehensively on the platform of MapGIS K9-TDE, database technology, GIS technology, 3D geological modeling and visualization technology, computer network technology. It provides an integrated and intelligent computer platform for professional technical personnel and controllers to make urban geological work better serves the government and society.

urban geology; MapGIS K9-TDE; geological modeling; 3D visualization; information system; Suzhou in Jiangsu Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.646

2016-07-21；

2016-08-31；编辑：陆李萍

江苏省地质勘查基金项目“苏州市城市地质调查”(苏国土资函[2008]409号)

于军(1968— )，男，研究员级高级工程师，博士，水工环专业，主要从事水文地质、环境地质研究工作，E-mail: njhzmyj@163.com

P208

A

1674-3636(2016)04-0646-07