李倩楠，周文，李晉津，程柯毅，趙曉晶，丁志慶

(1.正元地理信息集團股份有限公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發(fā)中心，北京 1013004；3.北京市智慧管線安全評價及運營監(jiān)管工程技術研究中心，北京 101300)

1 引 言

地質工作是經(jīng)濟社會發(fā)展的先行性、基礎性工作，服務于經(jīng)濟社會的各個方面。當前，在我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境矛盾日益增長，黨中央提出建立生態(tài)文明和綠色發(fā)展理念的關鍵時期，地質工作的重要引領作用愈加凸顯[1]。習近平總書記指出向地球深部進軍是必須解決的戰(zhàn)略科技問題；李克強總理明確要求加快摸清城市地下情況；《城市地質調查總體方案(2017-2025年)》提出，開展重大科技問題攻關，構建三維城市地質模型，建立城市地質信息服務與決策支持系統(tǒng)[2]；《關于加強城市地質工作的指導意見》明確提出統(tǒng)籌城市地上地下建設，補齊城市綠色發(fā)展的地質工作短板，到2020年完成城市地質調查示范，到2025年實現(xiàn)地級以上城市地質工作全覆蓋。目前，我國城市地質工作已正式進入3.0時代。3.0版城市地質工作的明顯特征就是多要素綜合調查、全過程支撐服務、多層級協(xié)調推進[3]。

縱觀國內(nèi)城市地質大環(huán)境，結合目前我國城市地質工作需求日益增長的形勢，迫切需要運用現(xiàn)代信息技術手段，建設地質數(shù)據(jù)資料信息服務平臺和決策支持系統(tǒng)，為城市的集約、綠色、智能、低碳和安全發(fā)展提供精準支撐服務產(chǎn)品。在上述形勢下進行研發(fā)的城市地質信息資源管理與評價平臺是一個集城市地表、地上、地下多維、動態(tài)空間信息于一體的大型綜合性空間信息平臺[4～6]，利用數(shù)字地質、現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫、GIS、計算機網(wǎng)絡等技術，對城市的基礎地質、水文地質、環(huán)境地質、地面沉降、工程地質、地球化學、地球物理、遙感地質、災害地質等多專業(yè)的地質信息和成果進行集成和融合，實現(xiàn)對地質信息的管理、檢索查詢、分析評價、更新維護、三維地質模擬和成果顯示。

2 系統(tǒng)總體設計

為滿足城市地質相關管理部門業(yè)務需要、各權屬單位的應用需求，綜合考慮項目的建設目標和建設內(nèi)容，系統(tǒng)采用面向服務的體系架構(SOA)，將各部分以松耦合的方式進行結合，通過服務間良好的接口和契約聯(lián)系起來[7]。

2.1 設計思路

該平臺以城市地質數(shù)據(jù)庫為核心，實現(xiàn)城市地上-地下、地質-地理、屬性-空間數(shù)據(jù)一體化存儲、管理、處理、建模和應用，其設計思路如下；

(1)建立城市地質數(shù)據(jù)管理、服務平臺，實現(xiàn)地質數(shù)據(jù)規(guī)范化管理，為業(yè)務應用和信息服務奠定堅實數(shù)據(jù)基礎。

(2)基于城市地質數(shù)據(jù)庫，建立城市地質數(shù)據(jù)分析評價與輔助決策平臺，加強數(shù)據(jù)分析工作，從基礎數(shù)據(jù)中分析挖掘出有助于城市地質管理工作的信息，揭示隱含在數(shù)據(jù)中的知識，為城市建設與管理服務。根據(jù)不同專業(yè)數(shù)據(jù)建立相應的三維地質模型，提供對模型的三維可視化、查詢、分析功能；并進一步實現(xiàn)對工程地質條件、地下水資源、土地利用適宜性、地質災害發(fā)育程度、水土污染等的分析評價與輔助決策功能。

(3)分析社會公眾對城市地質信息的需求，以數(shù)據(jù)共享機制為基礎，建立一個城市地質信息發(fā)布與服務平臺，為政府決策和公共需求提供基于城市三維地質及相關數(shù)據(jù)的基礎和增值信息服務[8～10]。

2.2 系統(tǒng)架構(見圖1)

(1)基礎設施層

基礎設施層為各種應用提供基本的硬件支撐環(huán)境，主要由通信網(wǎng)絡、服務器、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)備份等基礎設施組成。

(2)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括城市地質各類數(shù)據(jù)，以原始數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)的方式進行分類管理。

(3)服務層

服務層提供數(shù)據(jù)檢索、資源目錄服務、數(shù)據(jù)服務、功能服務等服務，同時，提供對于服務的管理，如系統(tǒng)配置、服務管理、安全管理和運行保障。

(4)應用層

應用層主要由城市地質數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、城市地質三維建模子系統(tǒng)、城市地質三維可視化分析子系統(tǒng)、城市地質分析應用子系統(tǒng)、城市地質共享服務子系統(tǒng)組成[11]。

(5)用戶層

主要由以下幾類用戶構成：城市地質各類專業(yè)人員、系統(tǒng)管理維護人員、政府各職能部門使用人員、政府領導決策者、公眾用戶等，這幾類用戶分別擁有不同的訪問權限。

圖1系統(tǒng)架構

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)管理與維護子系統(tǒng)(C/S架構)

如圖2所示，數(shù)據(jù)管理與維護子系統(tǒng)以城市地質信息化管理的數(shù)據(jù)標準為基礎，基于城市地質數(shù)據(jù)庫，建立集地表、地下空間信息于一體的大型綜合性三維空間數(shù)據(jù)管理、服務平臺，實現(xiàn)對來源廣泛、類別眾多、數(shù)量龐大、時空多維、主題鮮明的城市地質數(shù)據(jù)的規(guī)范化統(tǒng)一管理。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)導入導出、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)更新、備份還原等功能。

系統(tǒng)將城市調查的全階段數(shù)據(jù)進行存儲，主要包括原始數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫，這三類數(shù)據(jù)庫都采用了按地質調查專業(yè)的業(yè)務主題進行數(shù)據(jù)組織的方式，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、管理和調度。根據(jù)城市地質環(huán)境調查的內(nèi)容，這些業(yè)務主題包括基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、環(huán)境地質、災害地質、地質資源、地球物理、地球化學等。

針對本項目該子系統(tǒng)主要服務對象為：城市地質各類專業(yè)人員等。

圖2 數(shù)據(jù)管理維護子系統(tǒng)

3.2 三維可視化分析子系統(tǒng)(B/S架構)

如圖3所示，城市地質三維可視化分析子系統(tǒng)是一個在三維GIS平臺支持下，面向城市地質領域的三維模型可視化與分析軟件，實現(xiàn)面向城市地質應用的三維建模表達三維可視化與空間分析應用。

針對本項目該子系統(tǒng)主要服務對象為：政府各職能部門使用人員等。

圖3 三維可視化分析子系統(tǒng)

(1)三維地質模型可視化

包括三維場景基本操作、三維空間查詢、地表地形分析、三維空間量算等功能。

(2)三維地質空間分析

①三維模型剖切

針對三維地質模型的任意實時動態(tài)剖切方式，包括沿軸向平面剖切、垂直折線面剖切、任意方位平面剖切、組合面剖切等，提供提取切面的功能，進而生成分層切面圖、立體剖面圖等各種剖面圖。

②隧道開挖模擬

交互式隧道路線定義、隧道截面設置等簡單隧道設計功能，并能保存、打開、編輯隧道路徑文件，按照隧道路徑文件生成隧道模型并對地質體進行開挖模擬的功能，并支持在隧道內(nèi)飛行漫游，隧道開挖如圖4所示。

圖4 隧道開挖

③虛擬鉆孔

在給定孔口坐標后獲取類似實際鉆孔地層分層信息的功能，孔口坐標可直接輸入或在模型上通過交互定位獲取。

④三維模型分解

提供三維地層模型的按層顯示功能，允許用戶設定所顯示地層或通過鼠標拖曳方式將某一地層拖到場景中任意位置。同時支持三維地質模型的爆炸式顯示功能，可按照設定的幅度沿軸向模型自動炸開顯示。

⑤基坑開挖

實現(xiàn)地基開挖分析，通過鼠標選擇表面開挖形狀(畫矩形、圓形、多邊形)，通過切刀控制，可調節(jié)切刀的水平高度及角度，并對開挖后的地質出露情況進行三維展示，同時可對開挖的體積進行按層統(tǒng)計。

3.3 地質三維建模子系統(tǒng)(B/S架構)

城市地質三維建模子系統(tǒng)是一個在三維GIS平臺支持下，面向城市地質領域的三維地質模擬軟件，實現(xiàn)面向城市地質應用的三維模型建設。

針對本項目該子系統(tǒng)主要服務對象為：城市地質各類專業(yè)人員等。

①三維地層動態(tài)建模

針對具有層序規(guī)律的地質體，模塊提供根據(jù)鉆孔同時結合剖面、地層平面分布圖(包含等高線)半自動、動態(tài)建立研究區(qū)域內(nèi)的三維地層模型的功能。

②三維地質結構交互式建模

針對包含斷層、透鏡體等的復雜地質結構，模塊能將計算機自動處理和人工干預相結合的一系列交互式建模功能。

3.4 分析應用子系統(tǒng)(B/S架構)

基于二維、三維GIS平臺建立地下空間分析應用子系統(tǒng)，從基礎數(shù)據(jù)中分析挖掘出有用信息，揭示隱含在數(shù)據(jù)中的知識，為城市建設與管理服務。并進一步實現(xiàn)對地殼穩(wěn)定性、土地利用適宜性、地下空間利用適宜性等的分析評價與輔助決策功能。

針對本項目該子系統(tǒng)主要服務對象為：政府領導決策者等。

(1)數(shù)據(jù)管理

按項目方式組織管理數(shù)據(jù)，根據(jù)專業(yè)需要自定義項目，包括項目基本信息、項目邊界、關聯(lián)的基礎數(shù)據(jù)等，并可對數(shù)據(jù)點按屬性值等分段顯示。按照分層的方式對地理底圖等各專業(yè)地質調查數(shù)據(jù)、各類地質圖件數(shù)據(jù)及文檔資料進行組織管理。

(2)專題圖編制

從數(shù)據(jù)庫中直接提取包含基巖地質鉆孔、第四紀地質鉆孔、工程地質鉆孔和水文地質鉆孔等在內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)并自動生成鉆孔柱狀圖，如圖5所示，允許對圖欄進行編輯、修改，包括添加、刪除、合并圖道，添加、刪除表頭表尾，修改圖面、圖道、圖元信息，修改圖的顯示樣式。同時，可生成鉆孔剖面圖，反映在剖面圖上的信息包含鉆孔及其標注、圖例、剖面方位等要素。此外，將原始的離散點數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，再利用克里金估值法等網(wǎng)格化方法可生成地層等值線圖和地球化學等值線圖。

圖5 鉆孔柱狀圖

(3)統(tǒng)計報表分析輸出

編制單橋靜探曲線圖、雙橋靜探曲線圖、動靜探曲線圖、波速曲線等地質專業(yè)圖件；編制時序數(shù)據(jù)的時間變化曲線圖，如時間—地面沉降曲線、時間—水位變化曲線，曲線表現(xiàn)形式可采用折線圖或擬合曲線圖。

(4)輔助分析評價

輔助分析評價功能可針對地下空間實際需要，提供各種專業(yè)分析輔助評價功能，如地殼穩(wěn)定性評價、規(guī)劃區(qū)建設適宜性評價、地下空間利用適宜性評價、土地利用適宜性評價等。地質環(huán)境適宜性評價如圖6所示。

圖6 地質環(huán)境適宜性評價

3.5 共享服務子系統(tǒng)(B/S架構)

如圖7所示，為專業(yè)技術人員、政府機構、各企事業(yè)單位和社會公眾用戶提供基于局域網(wǎng)和Internet的地質環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布、查詢、瀏覽和調度以及數(shù)據(jù)處理和辦公等功能的平臺系統(tǒng)。通過分層、分級、分專業(yè)用戶授權模式實現(xiàn)不同用戶共享數(shù)據(jù)和服務的差異性：普通用戶可瀏覽系統(tǒng)提供的公開性信息資料；經(jīng)注冊授權的用戶可根據(jù)權限不同檢索、查看甚至下載不同地質數(shù)據(jù)和資料，使用不同的地質專業(yè)服務功能。

針對本項目該子系統(tǒng)主要服務對象為：公眾用戶、系統(tǒng)管理維護人員等。

圖7 共享服務子系統(tǒng)

3.6 運行環(huán)境

本項目平臺子系統(tǒng)為C/S和B/S混合架構，部署分為服務器部署和客戶端部署兩部分。按照實現(xiàn)較高的運行效率、較高的性能價格比及良好的系統(tǒng)兼容性為原則，系統(tǒng)選用目前較為通用的Windows Server系列操作系統(tǒng)和Oracle數(shù)據(jù)庫。具體配置建議如表1所示：

配置參數(shù) 表1

續(xù)表1

4 結 語

目前，城市地質信息資源管理與評價平臺已建設完成并投入使用，項目成果為成都市地下空間開發(fā)利用以及重大工程建設提供了翔實的地質信息服務，為其城市地質信息管理工作的科學化、規(guī)范化、高效化運行提供了強有力的信息化支撐。平臺通過在成都天府新區(qū)的實際應用，為城市地質信息平臺應用提供一定參考價值。城市地質信息資源管理與評價平臺是一切地質分析的基礎，平臺的建設為科學統(tǒng)籌城市地質資源開發(fā)利用以及相關空間性規(guī)劃做好銜接，為地質調查在地下空間、資源開發(fā)發(fā)揮先導性作用。

地下空間建設作為下一步發(fā)展的重要趨勢，可以為地上地下統(tǒng)籌化、一體化、集約化發(fā)展等諸多問題的解決提供新的思路。城市地質工作是智慧地下空間建設的基礎，其成果可為城市地下空間整體統(tǒng)籌開發(fā)提供更有效的地質信息支撐。