城市地质信息资源管理与评价平台研究与实现

李倩楠，周文，李晋津，程柯毅，赵晓晶，丁志庆

(1.正元地理信息集团股份有限公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 1013004；3.北京市智慧管线安全评价及运营监管工程技术研究中心，北京 101300)

1 引 言

地质工作是经济社会发展的先行性、基础性工作，服务于经济社会的各个方面。当前，在我国工业化、城镇化进程加快，经济社会发展与资源环境矛盾日益增长，党中央提出建立生态文明和绿色发展理念的关键时期，地质工作的重要引领作用愈加凸显[1]。习近平总书记指出向地球深部进军是必须解决的战略科技问题；李克强总理明确要求加快摸清城市地下情况；《城市地质调查总体方案(2017-2025年)》提出，开展重大科技问题攻关，构建三维城市地质模型，建立城市地质信息服务与决策支持系统[2]；《关于加强城市地质工作的指导意见》明确提出统筹城市地上地下建设，补齐城市绿色发展的地质工作短板，到2020年完成城市地质调查示范，到2025年实现地级以上城市地质工作全覆盖。目前，我国城市地质工作已正式进入3.0时代。3.0版城市地质工作的明显特征就是多要素综合调查、全过程支撑服务、多层级协调推进[3]。

纵观国内城市地质大环境，结合目前我国城市地质工作需求日益增长的形势，迫切需要运用现代信息技术手段，建设地质数据资料信息服务平台和决策支持系统，为城市的集约、绿色、智能、低碳和安全发展提供精准支撑服务产品。在上述形势下进行研发的城市地质信息资源管理与评价平台是一个集城市地表、地上、地下多维、动态空间信息于一体的大型综合性空间信息平台[4～6]，利用数字地质、现代数据库、GIS、计算机网络等技术，对城市的基础地质、水文地质、环境地质、地面沉降、工程地质、地球化学、地球物理、遥感地质、灾害地质等多专业的地质信息和成果进行集成和融合，实现对地质信息的管理、检索查询、分析评价、更新维护、三维地质模拟和成果显示。

2 系统总体设计

为满足城市地质相关管理部门业务需要、各权属单位的应用需求，综合考虑项目的建设目标和建设内容，系统采用面向服务的体系架构(SOA)，将各部分以松耦合的方式进行结合，通过服务间良好的接口和契约联系起来[7]。

2.1 设计思路

该平台以城市地质数据库为核心，实现城市地上-地下、地质-地理、属性-空间数据一体化存储、管理、处理、建模和应用，其设计思路如下；

(1)建立城市地质数据管理、服务平台，实现地质数据规范化管理，为业务应用和信息服务奠定坚实数据基础。

(2)基于城市地质数据库，建立城市地质数据分析评价与辅助决策平台，加强数据分析工作，从基础数据中分析挖掘出有助于城市地质管理工作的信息，揭示隐含在数据中的知识，为城市建设与管理服务。根据不同专业数据建立相应的三维地质模型，提供对模型的三维可视化、查询、分析功能；并进一步实现对工程地质条件、地下水资源、土地利用适宜性、地质灾害发育程度、水土污染等的分析评价与辅助决策功能。

(3)分析社会公众对城市地质信息的需求，以数据共享机制为基础，建立一个城市地质信息发布与服务平台，为政府决策和公共需求提供基于城市三维地质及相关数据的基础和增值信息服务[8～10]。

2.2 系统架构(见图1)

(1)基础设施层

基础设施层为各种应用提供基本的硬件支撑环境，主要由通信网络、服务器、数据存储和数据备份等基础设施组成。

(2)数据层

数据层包括城市地质各类数据，以原始数据、基础数据、成果数据的方式进行分类管理。

(3)服务层

服务层提供数据检索、资源目录服务、数据服务、功能服务等服务，同时，提供对于服务的管理，如系统配置、服务管理、安全管理和运行保障。

(4)应用层

应用层主要由城市地质数据管理子系统、城市地质三维建模子系统、城市地质三维可视化分析子系统、城市地质分析应用子系统、城市地质共享服务子系统组成[11]。

(5)用户层

主要由以下几类用户构成：城市地质各类专业人员、系统管理维护人员、政府各职能部门使用人员、政府领导决策者、公众用户等，这几类用户分别拥有不同的访问权限。

图1系统架构

3 系统功能实现

3.1 数据管理与维护子系统(C/S架构)

如图2所示，数据管理与维护子系统以城市地质信息化管理的数据标准为基础，基于城市地质数据库，建立集地表、地下空间信息于一体的大型综合性三维空间数据管理、服务平台，实现对来源广泛、类别众多、数量庞大、时空多维、主题鲜明的城市地质数据的规范化统一管理。系统提供数据建库、数据导入导出、数据检查、数据查询、数据统计、数据更新、备份还原等功能。

系统将城市调查的全阶段数据进行存储，主要包括原始数据库、基础数据库和成果数据库，这三类数据库都采用了按地质调查专业的业务主题进行数据组织的方式，来实现数据存储、管理和调度。根据城市地质环境调查的内容，这些业务主题包括基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、灾害地质、地质资源、地球物理、地球化学等。

针对本项目该子系统主要服务对象为：城市地质各类专业人员等。

图2 数据管理维护子系统

3.2 三维可视化分析子系统(B/S架构)

如图3所示，城市地质三维可视化分析子系统是一个在三维GIS平台支持下，面向城市地质领域的三维模型可视化与分析软件，实现面向城市地质应用的三维建模表达三维可视化与空间分析应用。

针对本项目该子系统主要服务对象为：政府各职能部门使用人员等。

图3 三维可视化分析子系统

(1)三维地质模型可视化

包括三维场景基本操作、三维空间查询、地表地形分析、三维空间量算等功能。

(2)三维地质空间分析

①三维模型剖切

针对三维地质模型的任意实时动态剖切方式，包括沿轴向平面剖切、垂直折线面剖切、任意方位平面剖切、组合面剖切等，提供提取切面的功能，进而生成分层切面图、立体剖面图等各种剖面图。

②隧道开挖模拟

交互式隧道路线定义、隧道截面设置等简单隧道设计功能，并能保存、打开、编辑隧道路径文件，按照隧道路径文件生成隧道模型并对地质体进行开挖模拟的功能，并支持在隧道内飞行漫游，隧道开挖如图4所示。

图4 隧道开挖

③虚拟钻孔

在给定孔口坐标后获取类似实际钻孔地层分层信息的功能，孔口坐标可直接输入或在模型上通过交互定位获取。

④三维模型分解

提供三维地层模型的按层显示功能，允许用户设定所显示地层或通过鼠标拖曳方式将某一地层拖到场景中任意位置。同时支持三维地质模型的爆炸式显示功能，可按照设定的幅度沿轴向模型自动炸开显示。

⑤基坑开挖

实现地基开挖分析，通过鼠标选择表面开挖形状(画矩形、圆形、多边形)，通过切刀控制，可调节切刀的水平高度及角度，并对开挖后的地质出露情况进行三维展示，同时可对开挖的体积进行按层统计。

3.3 地质三维建模子系统(B/S架构)

城市地质三维建模子系统是一个在三维GIS平台支持下，面向城市地质领域的三维地质模拟软件，实现面向城市地质应用的三维模型建设。

针对本项目该子系统主要服务对象为：城市地质各类专业人员等。

①三维地层动态建模

针对具有层序规律的地质体，模块提供根据钻孔同时结合剖面、地层平面分布图(包含等高线)半自动、动态建立研究区域内的三维地层模型的功能。

②三维地质结构交互式建模

针对包含断层、透镜体等的复杂地质结构，模块能将计算机自动处理和人工干预相结合的一系列交互式建模功能。

3.4 分析应用子系统(B/S架构)

基于二维、三维GIS平台建立地下空间分析应用子系统，从基础数据中分析挖掘出有用信息，揭示隐含在数据中的知识，为城市建设与管理服务。并进一步实现对地壳稳定性、土地利用适宜性、地下空间利用适宜性等的分析评价与辅助决策功能。

针对本项目该子系统主要服务对象为：政府领导决策者等。

(1)数据管理

按项目方式组织管理数据，根据专业需要自定义项目，包括项目基本信息、项目边界、关联的基础数据等，并可对数据点按属性值等分段显示。按照分层的方式对地理底图等各专业地质调查数据、各类地质图件数据及文档资料进行组织管理。

(2)专题图编制

从数据库中直接提取包含基岩地质钻孔、第四纪地质钻孔、工程地质钻孔和水文地质钻孔等在内的钻孔数据并自动生成钻孔柱状图，如图5所示，允许对图栏进行编辑、修改，包括添加、删除、合并图道，添加、删除表头表尾，修改图面、图道、图元信息，修改图的显示样式。同时，可生成钻孔剖面图，反映在剖面图上的信息包含钻孔及其标注、图例、剖面方位等要素。此外，将原始的离散点数据网格化，再利用克里金估值法等网格化方法可生成地层等值线图和地球化学等值线图。

图5 钻孔柱状图

(3)统计报表分析输出

编制单桥静探曲线图、双桥静探曲线图、动静探曲线图、波速曲线等地质专业图件；编制时序数据的时间变化曲线图，如时间—地面沉降曲线、时间—水位变化曲线，曲线表现形式可采用折线图或拟合曲线图。

(4)辅助分析评价

辅助分析评价功能可针对地下空间实际需要，提供各种专业分析辅助评价功能，如地壳稳定性评价、规划区建设适宜性评价、地下空间利用适宜性评价、土地利用适宜性评价等。地质环境适宜性评价如图6所示。

图6 地质环境适宜性评价

3.5 共享服务子系统(B/S架构)

如图7所示，为专业技术人员、政府机构、各企事业单位和社会公众用户提供基于局域网和Internet的地质环境数据产品发布、查询、浏览和调度以及数据处理和办公等功能的平台系统。通过分层、分级、分专业用户授权模式实现不同用户共享数据和服务的差异性：普通用户可浏览系统提供的公开性信息资料；经注册授权的用户可根据权限不同检索、查看甚至下载不同地质数据和资料，使用不同的地质专业服务功能。

针对本项目该子系统主要服务对象为：公众用户、系统管理维护人员等。

图7 共享服务子系统

3.6 运行环境

本项目平台子系统为C/S和B/S混合架构，部署分为服务器部署和客户端部署两部分。按照实现较高的运行效率、较高的性能价格比及良好的系统兼容性为原则，系统选用目前较为通用的Windows Server系列操作系统和Oracle数据库。具体配置建议如表1所示：

配置参数 表1

续表1

4 结 语

目前，城市地质信息资源管理与评价平台已建设完成并投入使用，项目成果为成都市地下空间开发利用以及重大工程建设提供了翔实的地质信息服务，为其城市地质信息管理工作的科学化、规范化、高效化运行提供了强有力的信息化支撑。平台通过在成都天府新区的实际应用，为城市地质信息平台应用提供一定参考价值。城市地质信息资源管理与评价平台是一切地质分析的基础，平台的建设为科学统筹城市地质资源开发利用以及相关空间性规划做好衔接，为地质调查在地下空间、资源开发发挥先导性作用。

地下空间建设作为下一步发展的重要趋势，可以为地上地下统筹化、一体化、集约化发展等诸多问题的解决提供新的思路。城市地质工作是智慧地下空间建设的基础，其成果可为城市地下空间整体统筹开发提供更有效的地质信息支撑。