天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)建設(shè)淺探

劉 杰，胡 燕，康 楠

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250)

天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)建設(shè)淺探

劉 杰，胡 燕，康 楠

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250)

綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)想了天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)建設(shè)的總體結(jié)構(gòu)、開發(fā)策略、技術(shù)路線，并對(duì)信息系統(tǒng)主要內(nèi)容及各功能子系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，是空間數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)與地?zé)豳Y源數(shù)學(xué)模型有機(jī)結(jié)合與統(tǒng)一探索，是利用信息技術(shù)擴(kuò)大地質(zhì)基礎(chǔ)資料公益性服務(wù)范圍，加快地質(zhì)基礎(chǔ)資料向社會(huì)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的有益的嘗試。

信息技術(shù);地質(zhì)資料;數(shù)據(jù)庫;公益性服務(wù)

地?zé)崾且环N清潔的綠色能源，在當(dāng)前能源緊張、環(huán)境問題受到日益重視的情況下，加強(qiáng)地?zé)豳Y源管理和研究具有極其重要的意義。

隨著近年來天津地?zé)豳Y源的大量開發(fā)，造成熱儲(chǔ)層壓力降低、水頭下降，已形成了區(qū)域地下熱儲(chǔ)水位降落漏斗，同時(shí)環(huán)境地質(zhì)問題及供水供熱安全問題日益突出?！霸诒Ｗo(hù)中開發(fā)、在開發(fā)中保護(hù)”是資源可持續(xù)開發(fā)的基本手段，通過掌握地?zé)豳Y源開采動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)未來開發(fā)資源動(dòng)態(tài)做出科學(xué)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，未雨綢繆，提早做出有效地應(yīng)對(duì)措施和控制措施，以實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)開發(fā)。因此，有必要建立天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)，對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)利用方案分析提供有力的支持手段和方法，輔以決策，實(shí)現(xiàn)天津地區(qū)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)，有效地保護(hù)地?zé)豳Y源這種可再生資源，為天津市經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

依托微軟SQL SERVER2005數(shù)據(jù)庫技術(shù)、ArcGIS技術(shù)、三維可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及遠(yuǎn)程GPRS技術(shù)，建立一套架構(gòu)于大型數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合天津市地?zé)豳Y源情況的信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源規(guī)劃、管理、保護(hù)與合理利用等信息化管理、實(shí)現(xiàn)天津市地?zé)岬貙W(xué)信息的一體化管理、三維可視化顯示和網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，為城市規(guī)劃與管理提供可視化決策系統(tǒng)，為地學(xué)研究搭建分析研究平臺(tái)，為社會(huì)公眾需求提供信息發(fā)布窗口。

2 系統(tǒng)開發(fā)策略

系統(tǒng)在提供必備的基本分析功能的基礎(chǔ)上，面向用戶的開發(fā)靈活的思想設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用分析系統(tǒng)，并不斷根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。擬定了階段開發(fā)的目標(biāo)，首先按照前期的目標(biāo)原則，開發(fā)滿足常規(guī)基本地質(zhì)研究室所需的應(yīng)用分析系統(tǒng)和查詢系統(tǒng)，投入實(shí)際運(yùn)用，不斷完善和提高;其次投入建設(shè)地?zé)峋h(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，保障數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)入數(shù)據(jù)庫;最后根據(jù)大量的數(shù)據(jù)支持，開發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，為天津市地?zé)豳Y源的安全保障做出決策性功能。系統(tǒng)的軟件開發(fā)策略可概括為:充分利用軟件ArcGIS系統(tǒng)功能和二次開發(fā)函數(shù)資源，引入軟件開發(fā)的系統(tǒng)工程思想，引用成熟算法及相應(yīng)源代碼，采用靈活開發(fā)手段，不拘于某一開發(fā)工具，按照軟件工程規(guī)范集中開發(fā)，分工配合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能開發(fā)。

3 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

系統(tǒng)開發(fā)充分考慮實(shí)用性、先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性及用戶對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的部署充分利用已有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用WEB Service技術(shù)來完成網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)架，即數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議穿越防火墻傳輸，以保障數(shù)據(jù)庫的安全。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行建設(shè)，空間數(shù)據(jù)庫以ArcGIS為平臺(tái)，存儲(chǔ)于SQL Server 2005中。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸流采用XML流，前端監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集設(shè)備由具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通訊功能的GPRS技術(shù)完成。開發(fā)工具選Microsoft公司的.NET開發(fā)工具 C#及 Sybase公司 Power-Builder開發(fā)工具，分別開發(fā)Windows應(yīng)用程序、WEB應(yīng)用程序。

4 系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容

1)建立一套完整的天津市地?zé)豳Y源數(shù)據(jù)庫，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容有:地?zé)徙@孔基本信息、地?zé)峋畡?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、水質(zhì)信息表、開采量統(tǒng)計(jì)表、熱儲(chǔ)層信息表、鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)、鉆孔巖性描述、密度對(duì)應(yīng)溫度數(shù)據(jù)、測(cè)井曲線數(shù)據(jù)及測(cè)井井壓數(shù)據(jù)等。

2)建立地?zé)徙@孔遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng):地?zé)峋h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中心使用GPRS主站，遠(yuǎn)端使用GPRS子站，向移動(dòng)公司申請(qǐng)APN專網(wǎng)，并將GPRS模塊所使用的SIM卡上綁定固定IP，系統(tǒng)主站的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和每個(gè)監(jiān)測(cè)終端內(nèi)置的GPRS數(shù)據(jù)通訊模塊都能登錄該APN專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端的數(shù)據(jù)雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3)建立地?zé)豳Y源信息系統(tǒng)(C/S):建立完善地地?zé)豳Y源安全保障和管理模型，即地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)模型和預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)徙@井等數(shù)據(jù)的信息化管理;同時(shí)對(duì)空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具有數(shù)據(jù)信息維護(hù)、查詢統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成、輸出等功能;并能根據(jù)大量數(shù)據(jù)做出評(píng)價(jià)和預(yù)警，對(duì)天津市地?zé)豳Y源的安全開采做出有力的保障。

4)建立地?zé)豳Y源Internet發(fā)布系統(tǒng):根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫及相關(guān)配置，自動(dòng)生成對(duì)外發(fā)布網(wǎng)頁，滿足社會(huì)人員及時(shí)地了解地?zé)釘?shù)據(jù)的相關(guān)信息及動(dòng)態(tài)變化，具有查詢、統(tǒng)計(jì)、生成報(bào)表及下載等基本功能。

5 系統(tǒng)功能

天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)按四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)、模型評(píng)價(jià)與分析子系統(tǒng)、地?zé)豳Y源開發(fā)利用預(yù)警子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)都是基于天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)空間信息數(shù)據(jù)庫開發(fā)的。數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的編輯、瀏覽與管理;模型評(píng)價(jià)與分析子系統(tǒng)主要從數(shù)據(jù)庫獲得數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS相關(guān)功能和數(shù)學(xué)模型分析得到成果數(shù)據(jù);地?zé)豳Y源開發(fā)利用預(yù)警子系統(tǒng)主要是把實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集起來，將數(shù)據(jù)作相關(guān)處理，利用多個(gè)評(píng)價(jià)因子分析，然后與警度對(duì)比后得到不同警度的區(qū)域(圖表表示);網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)以前三個(gè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將三個(gè)系統(tǒng)的成果數(shù)據(jù)利用WEB功能完成信息的發(fā)布。

5.1 數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息管理功能，用戶可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集輸入、編輯、顯示瀏覽、高級(jí)查詢檢索、輸出和分析等功能。

信息結(jié)果集的數(shù)據(jù)劃分基礎(chǔ)地理信息、空間數(shù)據(jù)庫、成果圖、臨時(shí)成果四大類。基礎(chǔ)地理信息以底圖為主;空間數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)管理的重點(diǎn)，按國家地質(zhì)調(diào)查局的標(biāo)準(zhǔn)及指南進(jìn)行建設(shè)，確保數(shù)據(jù)的通用性;圖形方面可管理工作產(chǎn)生的各種ArcGIS格式的數(shù)據(jù)成果圖;臨時(shí)成果則管理本系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要保存的各種中間成果，包括鉆孔瀏覽圖、模型分析成果、三維可視化成果、數(shù)值模擬等成果。

5.2 模型評(píng)價(jià)與分析子系統(tǒng)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲(chǔ)了大量地?zé)岬刭|(zhì)數(shù)據(jù)，如地層結(jié)構(gòu)，熱儲(chǔ)埋深及厚度，蓋層巖性，斷裂帶的空間分布，地溫梯度，地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)，開采量數(shù)據(jù)等，以上數(shù)據(jù)均可以進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并使用相關(guān)分析方法，回歸分析方法，聚類分析方法，非線性迭代最小二乘法，多元統(tǒng)計(jì)分析法等方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，為決策者提供有效的決策支持。本系統(tǒng)已根據(jù)天津市不同地域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總和推導(dǎo)模擬，并使用上述算法得到預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并以圖表方式加以顯示。熱儲(chǔ)資源評(píng)價(jià)的集中參數(shù)模型是其中一個(gè)用于熱儲(chǔ)壓力模擬預(yù)測(cè)的模塊，該模型根據(jù)熱儲(chǔ)埋藏條件自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行三維體塊劃分，然后根據(jù)內(nèi)外熱儲(chǔ)的聯(lián)通與貯存性質(zhì)，對(duì)熱儲(chǔ)壓力和開采潛力進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)與計(jì)算(圖1)。系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了抽水試驗(yàn)?zāi)M模塊，該模塊將計(jì)算抽水試驗(yàn)中水量與降深的關(guān)系并生成Q－S圖，從而對(duì)地?zé)岬刭|(zhì)條件或回灌效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。模塊中的熱儲(chǔ)體積法實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱儲(chǔ)存量大致的估計(jì)計(jì)算，熱儲(chǔ)蒙特卡洛體積法實(shí)現(xiàn)了對(duì)非均質(zhì)熱儲(chǔ)地層中所蘊(yùn)藏的能量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，而計(jì)算結(jié)果均以概率直方圖形式表示(圖2)。

圖1 集中參數(shù)模型熱儲(chǔ)壓力預(yù)測(cè)圖

圖2 蒙特卡洛體積法計(jì)算結(jié)果圖示

5.3 地?zé)豳Y源開發(fā)利用預(yù)警子系統(tǒng)

天津地區(qū)各熱儲(chǔ)層的水位埋深和熱儲(chǔ)壓力近年來有加速下降之勢(shì)，為緩解熱儲(chǔ)水位下降趨勢(shì)，必須科學(xué)合理的開發(fā)利用有限的地?zé)豳Y源，平衡協(xié)調(diào)好開發(fā)與保護(hù)關(guān)系。利用地?zé)豳Y源開發(fā)利用預(yù)警系統(tǒng)，輔助決策人員做出決策，并結(jié)合礦產(chǎn)資源整體規(guī)劃和地?zé)豳Y源開發(fā)利用中、遠(yuǎn)期規(guī)劃，讓有限的資源既服務(wù)好市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，又得以可持續(xù)性開發(fā)利用。

預(yù)警系統(tǒng)的工作方法:

(1)從數(shù)據(jù)庫中提取地?zé)徙@孔水量、水位、水質(zhì)、水溫、沉降速率等相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2)采用克里金法對(duì)天津市底圖進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

(3)根據(jù)不同評(píng)價(jià)因子(開采量，水位，沉降速率，水質(zhì)等)，在網(wǎng)格剖分圖中繪制各個(gè)要素的評(píng)價(jià)圖。

(4)綜合分析各個(gè)評(píng)價(jià)因子要素評(píng)價(jià)圖，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)比值疊加各個(gè)要素評(píng)價(jià)圖，然后與警度對(duì)比得出結(jié)論。

5.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)主要是根據(jù)不同的需要將各子系統(tǒng)的結(jié)果生成對(duì)外發(fā)布網(wǎng)頁，完成公益信息發(fā)布功能;適時(shí)接受服務(wù)要求信息，滿足公眾了解地?zé)釘?shù)據(jù)的相關(guān)信息及動(dòng)態(tài)變化，具有查詢、統(tǒng)計(jì)及生成報(bào)表、下載等基本功能。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)還具有地?zé)豳Y源信息動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)功能，能適時(shí)地從數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀上獲取數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)庫。該子系統(tǒng)還具備自動(dòng)記錄及安全保障等基礎(chǔ)手段。

6 系統(tǒng)開發(fā)步驟

系統(tǒng)開發(fā)步驟按照軟件工程對(duì)系統(tǒng)生命周期的定義分布進(jìn)行:

6.1 依據(jù)實(shí)際情況制定系統(tǒng)計(jì)劃

初步按照目標(biāo)原則，在能力、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間許可的范圍內(nèi)，制定切實(shí)可行的目標(biāo)，開發(fā)滿足項(xiàng)目所需的應(yīng)用系統(tǒng)，投入實(shí)際運(yùn)用。

6.2 需求收集與分析

站在用戶的角度，從系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和規(guī)則要求入手收集整理用戶信息，以計(jì)算機(jī)技術(shù)特定的方式加以描述。主要是開展已有地質(zhì)資料的收集分析論證及實(shí)地補(bǔ)充調(diào)查;同時(shí)開展政府管理及社會(huì)公眾需求調(diào)查，逐步調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到建庫工作規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)需求信息內(nèi)容從現(xiàn)實(shí)世界到信息世界的抽象，進(jìn)行概念模型設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立并優(yōu)化系統(tǒng)模型。

6.4 信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用軟件開發(fā)工具編寫應(yīng)用程序。

6.5 測(cè)試

在系統(tǒng)投入使用之前通過精心制定的測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試數(shù)據(jù)來模擬運(yùn)行將來的使用環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而發(fā)現(xiàn)并解決問題。

7 社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

1)地?zé)豳Y源信息化系統(tǒng)是資源管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。世界各國特別是發(fā)達(dá)國家，信息技術(shù)已廣泛應(yīng)用于資源優(yōu)化配置和調(diào)度等各個(gè)方面。天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)的完成，將改進(jìn)傳統(tǒng)工作模式，更有效更充分地管理地?zé)豳Y源，為全面提高地?zé)豳Y源為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的效能及效益提供重要技術(shù)管理手段，給地?zé)豳Y源管理等帶來新的機(jī)遇和變革。

2)天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)建設(shè)工作的實(shí)施，將推進(jìn)地?zé)豳Y源管理的信息化進(jìn)程，推動(dòng)政府更加深入開發(fā)和綜合利用地?zé)豳Y源，促進(jìn)地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)的形成。

3)天津市地?zé)豳Y源安全保障和管理信息系統(tǒng)建設(shè)工作的實(shí)施，對(duì)保障地?zé)豳Y源安全開發(fā)，解決能源的不足，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展具有重大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益。

8 結(jié)語

“人口、資源、環(huán)境”問題是21世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展所面臨的主要問題，對(duì)資源的不合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境的破壞，嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。作為潔凈能源的地?zé)豳Y源的安全保障和管理是我國能源綜合利用的迫切問題。如何利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多年來積累的豐富的地?zé)豳Y源相關(guān)數(shù)據(jù)資料信息化管理及二次開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)資料資源向社會(huì)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，使之服務(wù)資源安全保障和管理成為重要研究課題。

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1004－1184(2012)03－0064－03

2012－01－09

劉杰(1984－)，男，安徽懷遠(yuǎn)人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事地?zé)嵝畔⑾到y(tǒng)開發(fā)工作。