黃靜莉

長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021

基于Power Designer的三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫模型構(gòu)建
——以長春市中心區(qū)為例

黃靜莉

長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021

論文以長春市地下空間的巖土體可利用性為研究主題，以勘察工程中提供的鉆孔數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息為源數(shù)據(jù)，采用Power Designer16.1設(shè)計并實現(xiàn)了長春市中心區(qū)的三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型。采用模型驅(qū)動架構(gòu)的方式，利用反向工程技術(shù)從Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中將現(xiàn)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽取出來形成數(shù)據(jù)模型，結(jié)合研究主題建立了星型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，并將生成的SQL腳本文件導(dǎo)入SQL Server2005中進行檢查修正后運行正常。

城市地下空間；工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)；三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫；Power Designer

0　引言

地理空間信息的數(shù)字化及其應(yīng)用重點體現(xiàn)在兩個方面，一方面是大規(guī)模地存儲和快速調(diào)用海量的地理空間信息數(shù)據(jù)，一方面是地理空間數(shù)據(jù)的三維可視化及數(shù)據(jù)挖掘。因此，國外許多城市諸如紐約、倫敦、大阪等以及國內(nèi)城市如上海、北京、廣州都進行過基于城市地質(zhì)信息管理和三維可視化的城市三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的研究。

目前現(xiàn)有的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)主要存儲在理正工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的Access工程備份數(shù)據(jù)庫中，這種傳統(tǒng)的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是面向事務(wù)設(shè)計的，其主要作用是存儲工作期間產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，繪制地質(zhì)剖面，并提供簡單的查詢和分析。但是其數(shù)據(jù)存儲量非常小，且每個工程備份中只能存儲一個單一工程的勘察數(shù)據(jù)，因而不具有對某一宏觀主題的決策支持作用。除此之外，不同歷史時期、不同行業(yè)部門的勘察資料還具有勘察深度不同、試驗測試手段不同、土的定名不同、勘察標(biāo)準(zhǔn)不同、坐標(biāo)系統(tǒng)不同、地層劃分不統(tǒng)一等特點。因此，區(qū)別于傳統(tǒng)的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建并不是簡單的數(shù)據(jù)匯總，而是通過對數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對海量工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的集成管理，其目的是建立面向宏觀的城市地質(zhì)信息管理的決策支持系統(tǒng)。

長春市中心區(qū)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫采用混合架構(gòu)的方法，在概念模型、邏輯模型和物理模型的架構(gòu)過程中存在由于用戶需要的反復(fù)迭代。其特點體現(xiàn)在以下幾個方面：①面向長春市中心區(qū)地下空間巖土體可利用性的研究主題；②由巖土工程勘察業(yè)務(wù)驅(qū)動；③松耦合、層次化；④采用維度模型的建模工具；⑤具有空間維。

1　研究主題與源數(shù)據(jù)

論文的研究范圍為長春市中心區(qū)，其范圍為東經(jīng)125°07′～125°30′；北緯43°44′～44°03′，總面積為380 km2。論文搜集了2006年至今的1 000多個有效的鉆孔數(shù)據(jù)，包含市政工程、道路工程、地鐵工程、及工民建工程方面的數(shù)據(jù)資料。

構(gòu)建三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的應(yīng)用需求模式包括［1-4］：淺層地下空間巖土體可利用性評價、中層地下空間巖土體可利用性評價、深層地下空間巖土體可利用性評價、行政區(qū)劃范圍內(nèi)的地下空間可利用性評價、單項工程實際應(yīng)用。

構(gòu)建三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的源數(shù)據(jù)以表格的方式存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，包括工程勘察數(shù)據(jù)、原位測試及土工試驗數(shù)據(jù)，表中的數(shù)據(jù)由沒有實體空間矢量信息的屬性數(shù)據(jù)組成。

源數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后裝載入三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫中，被分離成兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，即描述地層空間分布的空間數(shù)據(jù)和描述巖土體性狀的屬性數(shù)據(jù)兩大方面。其中，空間數(shù)據(jù)由工程地質(zhì)勘察報告中的鉆孔數(shù)據(jù)和長春市地形圖數(shù)據(jù)提供，主要用于反映地形、地層及地下水分布狀況；屬性數(shù)據(jù)由工程地質(zhì)勘察報告中的原位測試機土工實驗數(shù)據(jù)提供，主要用于反映地層巖性、巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。

源數(shù)據(jù)的清理調(diào)整工作包括以下幾個方面：

（1）空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將描述鉆孔點位信息和鉆孔工程信息的表格、描述鉆孔中地層屬性信息和地層層面信息的表格轉(zhuǎn)換為描述地層信息的點實體，構(gòu)成實體要素表。即將鉆孔信息與地層信息聯(lián)接起來，給每個地層層面高程附上空間坐標(biāo)信息（X，Y），形成點（X，Y，Z）。

（2）屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：土工試驗數(shù)據(jù)和原位測試數(shù)據(jù)都屬于屬性數(shù)據(jù)，其中并不包含空間信息。將其讀取到屬性數(shù)據(jù)庫后，在其中加上地層編號，使之與相應(yīng)的地層空間數(shù)據(jù)聯(lián)接。由于屬性數(shù)據(jù)規(guī)格不甚統(tǒng)一，因此在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該盡量保持源數(shù)據(jù)的格式。

（3）地層層面數(shù)據(jù)調(diào)整：按照長春市宏觀工程地質(zhì)分布規(guī)律對地層劃分情況進行調(diào)整。其中，缺失地層按零厚度處理。對于劃分較細(xì)致的地層或微地貌地層，在不影響宏觀分析研究的前提下，應(yīng)該進行地層合并調(diào)整。

（4）地層屬性數(shù)據(jù)調(diào)整：對于合并地層，其土工試驗、原位測試等試驗數(shù)據(jù)也應(yīng)調(diào)整為經(jīng)過加權(quán)平均后的統(tǒng)計參數(shù)，為后期評價計算提供合理可靠的統(tǒng)計數(shù)值。

（5）空間插值補齊鉆孔數(shù)據(jù)：對部分缺失鉆孔數(shù)據(jù)的區(qū)域，可通過鄰近區(qū)域的鉆孔數(shù)據(jù)插值，補齊空白區(qū)域的地層數(shù)據(jù)。

（6）對空間數(shù)據(jù)的粒度粗化處理：在宏觀分析背景下，同組工程數(shù)據(jù)的空間距離較近，造成了數(shù)據(jù)冗余，會影響數(shù)據(jù)挖掘分析的速度。因此，有必要對詳細(xì)數(shù)據(jù)進行粒度粗化處理，挑選具有空間代表性的數(shù)據(jù)即可。

2　確定事實與維

為了體現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間性，且減少數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫以地層空間事實來描述地層的空間和屬性分布狀態(tài)。其度量即為描述地層分布的空間數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)X、Y、Z三個數(shù)值，以及描屬于哪個地層層面的標(biāo)識。

在三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫中，把數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩個部分，其中空間數(shù)據(jù)存放在事實表中，屬性數(shù)據(jù)分別存放在地層維表、勘探點信息維表、土工試驗維表和原位測試維表中。

（1）地層維：主要用于描述地層的屬性，包含兩個基本層次，分別是勘察野外記錄中對地層性質(zhì)的基本描述以及勘察報告中對地層的特殊屬性給出的評價。其中勘察野外記錄層次的級別包括地層層號、成因年代、地層巖性、顏色、密實度、濕度、稠度、斷面狀態(tài)及含有物，勘察報告評價的級別包括包括地基承載力特征值、砂土液化、凍脹性、建筑場地類別。

（2）勘探點信息維：主要用于描述勘探工作的基本信息，包含三個基本層次，分別是工程所屬的行政區(qū)劃、工程信息以及工程中的鉆孔信息。其中行政區(qū)劃的級別為工程所屬行政區(qū)，工程信息的級別包括勘察單位、勘察編號、工程名稱、工程日期，鉆孔信息的級別勘探點類型、勘探點編號、鉆孔深度、地面高程、地下水類型、地下水埋深、地下水標(biāo)高。

（3）土工試驗維：主要用于描述土工試驗數(shù)據(jù)，該維只包含一個層次，其級別分別包括含水率、濕重度、比重、孔隙比、塑限、液限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、飽和度、壓縮系數(shù)、壓縮模量、天然單軸抗壓強度、干燥單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度、前期固結(jié)壓力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、有機質(zhì)含量、粘聚力、內(nèi)摩擦角。

（4））原位測試維：若按照雪花分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，原位測試維可以分為7個層次，即十字板、波速、標(biāo)貫、旁壓、靜探、動探、載荷。然而為了查詢便利，可以按照星型結(jié)構(gòu)直接將十字板表、波速表等原位測試表與事實表相連，成為各自獨立的維表。

3　模型設(shè)計及實現(xiàn)

采 用 模 型 驅(qū) 動 架 構(gòu)（Model-driven Architecture，MDA）的方式來開發(fā)數(shù)據(jù)倉庫。根據(jù)Power designer16.1的反向工程功能，從運行系統(tǒng)中將現(xiàn)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽取出來形成數(shù)據(jù)模型，這樣可以加速數(shù)據(jù)倉庫的開發(fā)速度，減少數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計和實現(xiàn)過程中的錯誤。

首先，安裝 ODBC（Open Database Connectivity）中的A ccess驅(qū)動，選擇系統(tǒng)DSN （Data Source Name），建立ODBC數(shù)據(jù)源。注意Access2007版本以前的數(shù)據(jù)庫文件為.mdb文件，Access2007為.accdb文件。然后，在Power Designer中通過正向工程生成一個新的物理數(shù)據(jù)模型，選擇數(shù)據(jù)庫（Database）并連接到ODBC數(shù)據(jù)源。最后在File中選取Reverse Engineer下的Database，將構(gòu)建三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫需要的表（主要包括與原位測試和土工試驗相關(guān)的表格）選中然后生成PDM，這樣就順利完成了對于理正工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的反向工程。該方法的優(yōu)點是可以保證生成數(shù)據(jù)的邏輯數(shù)據(jù)模型與現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫一致。然而，其缺點是，中文注釋和表外鍵對應(yīng)關(guān)系在某些情況不能夠還原（即只還原了字段，而索引關(guān)系沒有了）。

使用PowerDesigner建立多維模型可以采用三種方式：第一種是先建立概念模型CDM，然后由CDM生成PDM，其優(yōu)點是便于檢查和調(diào)整設(shè)計中的錯誤；第二種是直接建立PDM多維模型，這使得模型在比較簡單時其建模速度相對快捷；第三種是由現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的PDM圖生成多維模型。論文采用第一種和第三種綜合設(shè)計的方法，即先設(shè)計LDM模型（在Power designer16.1中，沒有CDM的設(shè)計選擇，而是直接選擇LDM，然后再生成PDM，其步驟和原理跟第一種方法是一樣的）。然后將從Access反向工程導(dǎo)出的表格復(fù)制添加到新建的LDM中，這樣既保證了在數(shù)據(jù)抽取和加載時其數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形式與原有數(shù)據(jù)的一致性，又能夠有針對性地建立符合主題需求的數(shù)據(jù)倉庫模型（圖1）。

將 Power designer中 的PDM打 開， 在Database中 的Generate Database中 選 擇Script Generate，導(dǎo)出生成SQL腳本。將該腳本在SQL Server2005中運行，檢查相關(guān)錯誤并修正后，運行正常。

4　數(shù)據(jù)查詢及調(diào)用

對工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的查詢調(diào)用，主要分為以下兩種應(yīng)用模式：

（1）關(guān)鍵詞查詢：關(guān)鍵詞查詢是工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫中的基本查詢。比如查詢屬于某項工程的所有鉆孔數(shù)據(jù)，可以使用查詢語句select * from bore_ table where engineering=工程名稱?；蛘邚南嚓P(guān)的表格中查詢屬于某項工程的地層屬性數(shù)據(jù)，包括強度參數(shù)、水理參數(shù)、物理參數(shù)、變形參數(shù)等。比如查詢某項工程中包含的孔隙比參數(shù)， 可以使用查詢語句select zuobiao_ID， e from soiltest_table where zuobiao_ID in （select zuobiao_ID from bore_ table where engineering=工程名稱）。又比如查詢屬于第三層地層的具有統(tǒng)計意義的孔隙比參數(shù)，可以使用查詢語句select zuobiao_ID， e from soiltest_ table where zuobiao_ID in （select zuobiao_ID from zuobiao_table where H=3），將該查詢結(jié)果存儲為table1。在對地層屬性數(shù)據(jù)進行空間分析、統(tǒng)計和評價時，需要將屬性數(shù)據(jù)與空間坐標(biāo)聯(lián)系起來，可以使用查詢語句select zuobiao_table.X， zuobiao_ table.Y， zuobiao_table.Z，table1.zuobiao_ID， table1.e from zuobiao_table inner join table1on zuobiao_table.zuobiao_ID= table1.zuobiao _ID，從而給屬性數(shù)據(jù)附加上空間坐標(biāo)值（圖2）。

圖1　工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫星型結(jié)構(gòu)圖（PDM）Fig.1　The star chart of engineering geology data warehouse （PDM）

圖2　孔隙比與空間坐標(biāo)的聯(lián)合查詢Fig.2　Conjunctive query of void ratio and space coordinates

圖3　地層層面坐標(biāo)查詢Fig.3 Coordinate query of stratum

（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)用：內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)用是基于繪圖需要而調(diào)用的某類特指數(shù)據(jù)。如在三維可視化工程地質(zhì)建模時，需要調(diào)用研究區(qū)范圍內(nèi)鉆孔深度大于30 m或鉆至基巖深度的鉆孔數(shù)據(jù)?？梢詮目碧近c信息表中select bore_ID from bore_table where bore_ depth ＞= 30 或者從地層空間事實表中select bore_ ID from zuobiao_table where H_ID= 8。將符合這兩個查詢條件的鉆孔ID抽取出來并合并到table2中，并應(yīng)用select distinct bore_IDfrom table2來去除重復(fù)項目，即為可用數(shù)據(jù)（圖3）。

由于鉆孔的地層分層情況不同，在繪制地層層面模型時，還需要按照其地理位置劃分成為伊通河以西及以東的數(shù)據(jù)集。由于伊通河以東的體育館附近為長春城市坐標(biāo)原點，因此可以通過selec distinct bore_ID， X， Y， Z fromtable2whereX〉=0來選取東部數(shù)據(jù)。考慮到在伊通河附近存在有小范圍的地層波動，因此在該區(qū)域附近的地層是屬于哪種地貌單元的需要手動進行分析歸類?？梢詫⑹謩臃治稣{(diào)整后的東部數(shù)據(jù)集存儲為table3（圖4）。

調(diào)取的空間數(shù)據(jù)需要分別形成地層層面的點文件和井文件。對于點文件來說，每個地層層面的空間坐標(biāo)信息都應(yīng)該構(gòu)成一個單獨的點文件，其中包含鉆孔_ID和坐標(biāo)XYZ。比如從表table3和地層空間事實表中繼續(xù)聯(lián)合查詢屬于第一層地層的空間信息數(shù)據(jù)，可以采用查詢語句select bore_ID， X，Y， Z fromzuobiao_tablewhere H_ID=1and bore_ID in （select bore_ID from talbe3）。

圖4　東部區(qū)域坐標(biāo)查詢Fig.4　Coordinate query of east area

對于井文件來說，其中分別包含鉆孔位置信息和鉆孔分層信息。如分別從地層空間事實表和勘探點信息表中查詢屬于某項工程的鉆孔_ID，鉆孔坐標(biāo)、孔口高程、鉆孔深度等信息，并計算出地層分層厚度，匯總到table4中。然后從table4中查詢鉆孔位置信息，可以采用查詢語句select bore_ID， X，Y， altitude， bore_depth from table4。按照鉆孔_ID和地層_ID來排序的鉆孔分層信息的查詢可以采用語句 select bore_ID， H_ID， thickness from table4 order by bore_ID， H_ID（圖5）。

上述空間數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果可以導(dǎo)出后存儲為txt文本，再導(dǎo)入GOCAD中生成三維可視化地質(zhì)模型。

4　結(jié)論

構(gòu)建三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫的目的是為了快速調(diào)用存儲于不同數(shù)據(jù)庫中、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的海量的城市地質(zhì)空間數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有工程地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，以城市地下空間巖土體可利用性為研究主題，對源數(shù)據(jù)進行清洗調(diào)整，獲得用于構(gòu)建三維地質(zhì)地層模型和決策分析的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。該模型即能保證數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性，又能快速建庫，清洗冗余數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)抽取和存儲更為簡單。構(gòu)建的三維工程地質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫模型在SQL Server2005中運行正常。其數(shù)據(jù)查詢和調(diào)用結(jié)果能夠為后期三維地質(zhì)地層建模和城市地下空間巖土體可利用性評價體系提供有效數(shù)據(jù)。

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Three-dimensional engineering geology data warehouse constructed by Power Designer：In the case of the centre area in Changchun City

HUANG Jing-li
Changchun Institute of Technology， Changchun 130021， China

The Three-dimensional engineering geology data warehouse is constructed by Power Desinger16.1， with the rock and mass availability in urban underground space as the theme， and the borehole data of engineering investigation as the source data.Use the model-driven architecture method， reverse engineer the access data base， extract existed data model， combine research theme to construct the star data structure model.And check the SQL script in SQL Server2005，to ensure normal operation.

urban underground space； engineering geology borehole data； three-dimensional engineering geology data warehouse； Power Designer

P642.4；TP317.4

A

1001—2427（2015）04 - 132 -5

2015-08-05；

2015-12-17

黃靜莉（1982—），女，山西運城人，長春工程學(xué)院講師.