延安市城市地质信息平台设计与实现

2024-07-05李春波任磊王晓勇于蒙焦尚斌

城市地质 2024年2期

关键词：三维可视化延安市信息系统

李春波任磊王晓勇于蒙焦尚斌

收稿日期：2023-08-07；修回日期：2023-12-30

基金项目：中国地质调查局“延安革命老区综合地质调查”项目（DD20189270）资助

第一作者简介：李春波（1991- ），男，本科，工程师，从事城市地质调查研究工作。E-mail：lichunbo55@163.com

引用格式：李春波，任磊，王晓勇，于蒙，焦尚斌，2024.延安市城市地质信息平台设计与实现［J］.城市地质，19（2）：259-266

摘要：依托延安市政务网支撑平台——“华为云”平台，基于SOA（Service-Oriented Architecture）架构，采用B/S（Browser/Server）模式，自下而上搭建包括云平台基础层、空间信息感知层、信息资源层、服务层、应用层，综合运用三维数据存储管理、网络传输、可视化等关键技术，开发了延安市自然资源与地质环境信息平台。该平台由服务器、前端界面、运维管理系统和数据发布工具集4部分组成，根据延安城市发展面临的地质问题，开发了三维场景浏览、基础测绘、革命旧址工程病害监测、城市防灾减灾、地下空间开发利用、城市规划等应用功能模块，实现了对自然资源和地质环境数据的三维可视化管理，可在自然资源管理、城市规划建设、地下空间开发利用、防灾减灾等方面为政府相关部门提供服务。

关键词：城市地质；信息系统；三维可视化；延安市

Design and implementation of Yan'an city geological information platform

LI Chunbo1， REN Lei1， WANG Xiaoyong2， YU Meng1， JIAO Shangbin1

（1.519 Team of North China Geological Exploration Bureau（Hebei Jiuhua Surveying and Mapping Co.， Ltd.）， Baoding 071051， Hebei， China；2.Xian Center of China Geology Survey， Xian 710054， Shaanxi， China）

Abstract： Natural Resources and Geological Environment Information Platform of Yan 'an City is built on Yan 'an Municipal Government Network- Huawei Cloud Platform， adopting SOA architecture and using B/S mode. From bottom to top， this Platform consists of the cloud platform basic layer， spatial information perception layer， information resource layer， service layer and application layer. Key technologies are used such as 3D data storage management， network transmission and visualization. The Platform has four parts： server， front-end interface， operation and maintenance management system and data release tool set. Considering the geological problems faced by Yan 'an in its urban development， 3D scene browsing， basic surveying and mapping， disease monitoring of revolutionary site engineering， urban disaster prevention and mitigation， underground space development and utilization， urban planning and other application function modules are developed. The 3D visualization management of natural resources and geological environment data are realized， which provides services to relevant government departments in natural resources management， urban planning and construction， underground space development and utilization， disaster prevention and mitigation.

Keywords： urban geological; information system; 3D visualization; Yanan

随着城市的快速发展，人类活动对地质环境影响的加剧，造成了许多城市地质问题，诸如水土污染、地质灾害、资源短缺等问题严重制约着城市的可持续发展（王慧军等，2019；洪增林，2019；蒋炜等，2023）。为查明城市面临的地质问题，许多城市开展了城市地质调查工作，作为城市地质调查工作中一项重要内容，城市地质平台集成了城市地质调查的各类成果数据，在城市规划、地质信息服务、决策支持等方面发挥了重要作用（江齐英等，2021；傅俊鹤等，2011；黄妲，2020；贾佳佳等，2017；徐秋晓等，2018；于军等，2016）。

革命圣地延安地处陕北黄土高原腹地，受地形地貌、地质条件、人类工程活动影响，城市发展面临着建设用地短缺、建筑密度大、交通拥堵、市政设施分布不均衡、侧向山体地质灾害发育等问题，严重制约着延安城市的功能布局与发展（段旭等，2017；张茂省等，2019；程秀娟等，2021）。为查明延安市地质环境条件和自然资源状况，2017自然资源部中国地质调查局部署启动了延安革命老区综合地质调查项目，按照中国地质调查局《关于加强城市地质工作的指导意见》及《城市地质调查总体方案》，开始建设延安城市地质信息平台。本文采用SOA架构、B/S模式，搭建形成了延安市自然资源与地质环境信息平台的基础框架；基于三维倾斜摄影测量成果建立了延安市主城区地表及建筑模型，通过搜集的工程地质钻孔数据建立了延安市主城区三维地质结构模型和属性模型；针对不同类型地质数据制定了数据格式转换标准，采用三维数据存储管理、网络传输、可视化等关键技术实现了各类数据的存储、传输及三维可视化；开发了平台前端界面、运维管理系统和数据发布工具集以及应用功能模块，实现了对延安市自然资源和地质环境数据的三维可视化展示、管理、分析，探索了为政府有关部门提供服务的具体模式。

1 平台总体设计

1.1 总体架构设计

依托延安市政务网支撑平台——“华为云”平台，基于已有地质环境监测预警网，通过规范其体系结构，实现形变、温度、降雨量以及其他空间信息、监测数据的汇聚，并通过物联网或其他方式汇聚至平台的信息资源层，按照数据类型分别存储于关系型和非关系型数据库中，由平台的运维管理系统统一进行资源管理；采用SOA（Service-Oriented Architecture）架构，将应用服务、模型服务、地质数据服务、地质软件服务等相关功能进行有效封装，以网络服务的方式进行发布和应用，实现资源的共享和个性化的定制服务，结合不同用户需求，开发应用功能模块，实现专业监测类、决策支撑类、展示服务类和基础支撑类四大主题应用，针对性、差别性地服务政府职能部门决策、社会公众的科普教育以及专业技术人员的基础研究。

1.2 基本功能设计

延安市自然资源与地质环境信息平台采用B/S（Browser/Server）模式，基于SOA架构设计，按照实用性、规范性、现势性、安全性和开放性的原则，采用多层次、强解耦性的体系架构，保证平台具有良好的扩展性和灵活性的同时具有良好的规范性和安全性。平台基本功能设计思路包括三维模型数据标准、数据集成管理、三维数据发布与更新、三维可视化专业应用等几大方面，同时兼顾平台的安全设计以及性能设计。

1.3 应用功能设计

平台除上述基本功能之外，还设计了革命旧址工程病害保护、城市防灾减灾、地下空间开发利用等应用服务功能，提高平台的应用与服务能力，以便更好地为城市规划、建设、管理提供服务。

1.4 安全及性能设计

平台的开发按照国家有关电子政务安全策略、法规、标准和管理要求进行，以风险评估和需求分析为基础，坚持适度安全、技术与管理并重、分级与多层保护和动态发展等原则，保证了网络安全和数据安全，提高了服务的安全性和稳定性。

安全设计主要包括系统安全设计、数据安全设计、权限安全设计，性能设计主要包括可用性、扩展性、响应性、管理性。

2 平台开发与实现

2.1 平台技术架构

延安市自然资源与地质环境信息平台在开发时坚持数据存储与管理、数据服务与应用相分离的架构原则，实现了数据的管理、共享、融合、交换及与应用系统的集成。平台的技术架构由下至上分为云平台基础层、空间信息感知层、信息资源层、服务层、应用层，通过建立标准数据体系联系各层（图1）。

2.2 数据库设计

在数据库设计之初即考虑到了平台将集成海量的多源异构数据，包括遥感影像、倾斜模型、三维地质模型、各类地质调查成果数据。在多源异构数据处理方面，将根据数据类型，采用不同的ETL（Extract-Transform-Load）工具将多源异构数据抽取到数据层，进行数据格式转换后存储于分布式文件系统中，实现海量数据的快速处理和分析。

2.3 关键技术

平台开发综合评估了当前基于网络的三维GIS（Geographic Information System）国内外技术现状和发展趋势，在技术路线上采用当前地理信息行业主流技术，以降低资源成本、使用成本，增强平台稳定性，提升运行与响应效率（表1）。

1）平台结构体系

SOA架构是一种粗粒度、松耦合的面向服务的架构模型，可将平台各项应用功能定义为不同服务，并通过定义服务的接口和协议将全部服务联系在一起，实现应用与服务分离，这样既保证了产品的可移植性和可扩展性，又实现了服务共享和多端兼容（陈凯等，2021；徐刚等，2023）。

B/S模式是当前地理信息平台常用的一种网络结构模式，在该模式下，平台的可扩展性强，同时用户使用也比较方便，贴合平台面向专业技术人员、政府管理部门、社会公众等不同使用群体的需求。

2）三维数据存储管理技术

瓦片金字塔技术是地理信息系统中常用的一种技术，实质上是一种多分辨率层次模型（王履华等，2010）。以遥感影像为例（图2），在数据处理过程中，将影像按照一定尺寸和格式，以一定的缩放级别或比例尺，切割成若干行和列的正方形栅格图片，并编译发布海量小文件集，以Linux的文件系统格式进行存储。采用该技术，平台的运行成本较低，小文件、大目录树和低CPU功耗等综合效率要高于Windows文件系统。

城市级三维数据具有多维、多源、多尺度、海量和属性丰富的特点（罗娇等，2020）。延安综合地质调查工作取得的数据成果类型包括矢量数据、遥感影像数据、DEM（Digital Elevation Model）数据、POI（Point of Interest）数据和多媒体数据等，不同数据的精度、比例尺、时间跨度均不相同。在平台开发过程中，为提高平台响应速度，以文件系统的方式对三维数据进行压缩和存储。其中遥感影像数据和DEM数据采用瓦片金字塔技术进行数据组织和压缩存储，属性数据存储于数据库中，空间数据采用GeoDabase＋ArcSDE或OracleSpatial等二维GIS空间数据引擎进行存储（图3）。不同数据之间通过关键词进行关联，以达到功能、管理的相对独立性。

3）三维数据网络传输技术

基于网络的三维场影模型绘制系统往往由于大量的几何数据需要经由网络传输到客户端，网络带宽常常成为系统的瓶颈，延安市自然资源与地质环境信息平台对多种三维数据传输技术进行了优化。采用与ActiveX插件有机结合的B/S体系结构，将三维数据集中存放在服务器端，服务器负责实现GIS空间分析以及网络服务的功能，通过Internet将结果传送至客户端；采用渐进传输技术，实现“边下载，边显示”效果（杨必胜等，2009）；对影像和纹理数据采用JPEG压缩格式，提高纹理贴图的重复使用率，最大限度减少数据量，同时采用自动平衡下载技术将更多的网络带宽分配给影像和纹理资源，采用多级缓存技术提高服务端对服务请求的响应能力，提高运行速度与效率。

4）三维数据可视化技术

平台在开发过程中对传统的三维数据可视化技术进行了流程和算法优化（图4）。采用实时遮挡裁剪算法的数据裁剪技术，大大提高了三维景观的实时处理效率（冯丽婕等，2020）；采用基于数据分层、分块以及数据页动态更新的数据动态装载技术，实现多层次、大范围的城市场景实时描绘；基于四叉树结构的多分辨率LOD技术，依据视点的位置和方向合理地选择多分辨率的地图表示，达到LOD不同细节层级渲染的效果，有效简化、控制场景的数据复杂度（张俊峰等，2013）；基于先进的GIS内核技术，将二维和三维统一到真实的地理空间（球面空间）中，实现了二、三维的有机结合，将所有的二维和三维数据都转换为真实的地理空间坐标进行发布集成，采用一体化的空间分析和算法引擎，实现了各类三维数据在地理空间上的一体化。

3 平台组成与应用

3.1 平台组成

平台由服务器、前端界面、运维管理系统和数据发布工具集4部分组成。服务器采用“华为云”服务器；在用户界面设计上充分考虑了在线和离线的应用模式，打造了一种基于Web的、二维GIS与三维GIS联动的、具有可折叠式标题和功能条的人机交互风格的前端界面；独立的运维管理系统从逻辑上与其他各层（如应用支撑层等）进行分离，从而实现了数据管理和运行维护的设备无关性和位置无关性；数据发布工具集是平台的重要组成部分，是完全按照主线产品的功能需求而设计开发的辅助工具，为平台在数据发布方面提供了有力的支持。

3.2 数据集成

平台集成了延安革命老区综合地质调查项目的多类成果数据，包括主城区三维倾斜摄影测量成果（DEM、DOM和单体化建筑模型）、主城区三维地质模型、地下空间、地质灾害、水文水资源调查、革命旧址、地质遗迹、植被覆盖遥感监测、延安新区历史地形影像等海量多源异构数据，实现了数据的浏览、查询、统计、分析等基本功能。

3.3 平台应用

1）服务城市规划建设

平台不仅实现了在城市规划中常用的基础测绘、通视分析、视域分析、阴影分析、天际线分析等功能，还可以进行剖切分析、地形分析、坡度分析、汇水分析等（图5），在服务城市规划建设方面，可以为政府有关部门在城市总体规划、重大工程选址、工程建设适宜性评价等方面提供辅助决策支持。

2）服务城市防灾减灾

近年来，城市安全日益成为政府和人民群众最关切的问题之一，做好城市防灾减灾工作对保障人民群众生命财产安全、维护城市有序发展运行至关重要。延安作为黄土丘陵沟壑区的典型代表，地质灾害十分发育，仅主城区就发育滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡等地质灾害隐患点千余处，对人民群众生命财产安全造成严重威胁。平台在设计过程中，综合地质灾害隐患点、受威胁对象、地形、道路交通、避难场所等数据，开发了应急避险模块，模拟地质灾害发生时受威胁对象的最佳撤离路线（图6）。此外，还结合延安市主城区地质环境特点，针对性开发了滑坡分析、淹没分析等防灾减灾功能模块。

3）服务城市地下空间开发利用

延安市主城区是典型的线状城市，在空间上呈现“三山夹两川”的Y字形，地表空间严重短缺，加大对地下空间的开发利用是解决土地资源短缺的方法之一。为更好地解决延安市在地下空间开发利用中的问题，结合三维地质模型开发了隧道模拟、地下BIM（Building Information Modeling）模型漫游等功能模块，结合城市三维地质模型（图7），可以辅助地下工程的选址和建设、为城市地下空间开发利用提供参考。

4 结论

延安市自然资源与地质环境信息平台基于“华为云”平台，采用B/S模式、SOA架构，集三维数据存储管理、数据网络传输、数据可视化等关键技术于一体，开发了前端界面、运维管理系统和数据发布工具集，集成了延安市主城区地表三维倾斜摄影模型、地下三维地质模型以及延安市综合地质调查成果，实现了对延安市自然资源与地质环境数据的三维可视化展示与管理。

基于延安市自然资源与地质环境信息平台集成的延安市综合地质调查成果，针对延安市在革命旧址工程病害保护、城市防灾减灾、地下空间开发利用等方面面临的突出问题，开发了相应的应用功能模块，可为政府有关部门提供专业地质服务。

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