顧麗影，花衛(wèi)華，李三鳳

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北 武漢 430074)

三維城市地質(zhì)信息平臺

顧麗影，花衛(wèi)華，李三鳳

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北 武漢 430074)

三維城市地質(zhì)信息平臺綜合利用GIS、數(shù)字地質(zhì)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡等技術，對研究范圍的基礎地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地面沉降、地球物理、地球化學、遙感、災害地質(zhì)等多專業(yè)的地質(zhì)信息和成果進行集成和綜合，實現(xiàn)對地質(zhì)信息管理、更新維護、檢索查詢、分析評價、三維地質(zhì)模擬和成果顯示，在此基礎上對城市地表與地下空間結(jié)構(gòu)組織與空間資源、地質(zhì)災害、地下水資源與地質(zhì)環(huán)境保護、地面沉降監(jiān)測與防治、城市規(guī)劃與建設、土地質(zhì)量與后備資源等進行分析評價和預測模擬。

三維城市地質(zhì);數(shù)據(jù)管理;可視化;地質(zhì)建模;三維分析;共享服務

0 引言

20世紀90年代后期以來，隨著計算機硬件性能大幅提高和三維可視化技術的日益發(fā)展，利用各種鉆孔資料和地球物理測井等資料，建立城市三維地質(zhì)模型進行城市地質(zhì)信息可視化逐漸成為一種趨勢。如意大利佛羅倫薩城市地質(zhì)工作組利用鉆孔數(shù)據(jù)庫，建立了佛羅倫薩盆地前湖盆相沉積物的三維幾何形態(tài)、沉積序列和地質(zhì)構(gòu)造的三維模型。美國地質(zhì)調(diào)查局于1999年主持的Digital Geologic Map Data Model及2002年NADM Data Model Design Team發(fā)布的Draftwork in Progress Logical View Report，開始將信息建模方法應用于地質(zhì)數(shù)據(jù)模型研究和地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設中。

近年來，我國先后開展了北京、上海、天津、南京、廣州和杭州6個城市的三維城市地質(zhì)調(diào)查工作，數(shù)字城市地質(zhì)雛形初現(xiàn)，在城市規(guī)劃、建設、管理等方面進行了重要的探索和實踐，特別是上海市城市地質(zhì)調(diào)查開展了系統(tǒng)的城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災害和地球化學環(huán)境調(diào)查研究，建立了動態(tài)三維城市地質(zhì)信息平臺，為上海城市建設和可持續(xù)發(fā)展提供了詳實的基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學決策依據(jù)，是目前我國乃至國際上城市地質(zhì)工作的典范。根據(jù)試點項目取得的經(jīng)驗，一些省會城市、直轄市或二線城市已開始獨立開展三維城市地質(zhì)調(diào)查與信息化建設。

三維城市地質(zhì)信息平臺以地質(zhì)信息集成管理、分析處理和共享服務為導向，采用新一代地質(zhì)領域的數(shù)據(jù)建模技術，對區(qū)域范圍內(nèi)的多專業(yè)地質(zhì)信息和成果進行集成和綜合，實現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)多級、多源、海量、異構(gòu)的地學數(shù)據(jù)的高效存儲管理、更新維護、查詢統(tǒng)計、地質(zhì)成圖成表、專業(yè)分析應用、專業(yè)評價及地質(zhì)數(shù)據(jù)多元統(tǒng)計分析、三維地質(zhì)建模、可視化及更加直觀的三維分析，同時提供三維城市地質(zhì)信息的共享與服務，為地質(zhì)專業(yè)人員，政府規(guī)劃、建設部門、企事業(yè)單位以及社會公眾等不同層次的用戶提供個性化的綜合地質(zhì)信息共享服務。

1 三維城市地質(zhì)信息平臺建設需求及目標

1．1 三維城市地質(zhì)信息平臺建設需求

隨著城市化發(fā)展，城市地質(zhì)工作越來越重要，了解城市地質(zhì)工作的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、新技術和新方法的應用以及開展城市地質(zhì)工作尤為必要。為了更加積極有效地發(fā)揮地質(zhì)工作在城市規(guī)劃、建設、管理中的輔助決策作用，各大城市開始進行三維城市地質(zhì)信息平臺的建設，以期有效解決城市的快速發(fā)展帶來的地質(zhì)環(huán)境問題，將地質(zhì)資料開發(fā)利用的成果在城市規(guī)劃、建設及水務、市政、土地管理、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等相關政府部門或重大工程建設指揮部門進行推廣應用，實現(xiàn)資源環(huán)境并重，以地質(zhì)環(huán)境評價為核心，保障城市地質(zhì)生態(tài)安全，促進城市經(jīng)濟快速安全發(fā)展。

1．2 三維城市地質(zhì)信息平臺建設目標

三維城市地質(zhì)信息平臺的建設以服務于社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展為宗旨，圍繞城市發(fā)展戰(zhàn)略和目前面臨的緊迫地質(zhì)問題，借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗，在充分利用、整合已有地質(zhì)成果的基礎上，基于MapGISTDE三維平臺，利用數(shù)據(jù)庫技術、GIS技術、三維可視化技術、計算機技術等建立開放、動態(tài)的地質(zhì)信息服務平臺，將調(diào)查工作中的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行集成管理、有效分析，為城市可持續(xù)發(fā)展提供基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學決策的依據(jù)(圖1)。

通過建立三維城市地質(zhì)信息平臺，為工程技術人員提供一個綜合化、智能化、規(guī)范化的基礎服務平臺。以數(shù)據(jù)資料集合、管理為基礎，建立研究區(qū)基底構(gòu)造－第四系－水文地質(zhì)－工程地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型、地面沉降曲面模型、地面塌陷區(qū)地層結(jié)構(gòu)三維模型和地質(zhì)災害體三維模型，并進行模型分析，為地質(zhì)工作者研究規(guī)劃區(qū)內(nèi)基礎地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件及其變化提供數(shù)據(jù)依據(jù)，建立工作區(qū)活動斷裂與區(qū)域地殼穩(wěn)定性、工程地基穩(wěn)定性與地面塌陷、地下水資源保障能力等評價模型，進行分析評價和預測模擬，為城市建設布局和功能區(qū)別、重大工程建設、地質(zhì)災害防治、水資源開發(fā)利用等的快速反應能力提供服務(曾新平等，2005)。

圖1 三維城市地質(zhì)信息平臺建設目標

2 平臺建設方案

三維城市地質(zhì)信息平臺建設主要包括3個模塊：數(shù)據(jù)管理與維護模塊、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與應用模塊和城市地質(zhì)信息處理與共享服務模塊(傅俊鶴等，2011)。

2．1 數(shù)據(jù)管理與維護模塊(C/S)

三維城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管理主要是針對區(qū)域內(nèi)與地質(zhì)相關的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的一體化管理。其中，空間數(shù)據(jù)的管理主要借助大型GIS平臺MapGIS來實現(xiàn);屬性數(shù)據(jù)的管理則依賴關系型數(shù)據(jù)庫。

目前，按照地質(zhì)專業(yè)劃分，平臺支持的數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)、地球化學數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)、地面沉降數(shù)據(jù)等。由于采用了先進的控制表映射技術、界面自動生成等技術，用戶可以在此基礎上自由擴展自己的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及功能。同時，借助關系型數(shù)據(jù)庫，平臺提供了完整的文件數(shù)據(jù)(文檔、表格、圖片、視頻等)的管理方案(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)類型

2．2 城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與應用模塊(C/S)

三維城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與應用模塊實現(xiàn)了大規(guī)模地質(zhì)數(shù)據(jù)的二維快速可視化，多專業(yè)地質(zhì)資料智能查詢檢索技術，多要素復雜地質(zhì)專題圖的智能成圖與編輯，基于因子庫的專業(yè)評價模型構(gòu)建與評價分析，多約束下三維地質(zhì)模型構(gòu)建(葉思源等，2011)。

多專業(yè)地質(zhì)資料智能查詢檢索技術支持對鉆孔、井、地面沉降監(jiān)測點、地球物理、地球化學勘探點等多專題點空間實體的通用查詢、統(tǒng)計及相關圖表生成，這種多專題綜合及查詢、統(tǒng)計、圖表生成高度集成化的空間查詢分析應用模式對用戶來講方便、快捷，可大大提高工作效率，降低使用難度(圖3)。

圖3 城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與應用

基于多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，如地表高程數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面、平面地質(zhì)圖等數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和三維屬性模型，針對不同數(shù)據(jù)分別提供自動建模、半自動、交互式建模功能。

2．3 城市地質(zhì)信息處理與共享服務模塊(B/S)

城市地質(zhì)信息處理與共享服務模塊主要面向公益性政府用戶、企事業(yè)單位用戶、地質(zhì)領域用戶及社會公眾等提供基于Internet的城市地質(zhì)信息服務，包括城市地質(zhì)信息動態(tài)發(fā)布、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)查詢服務、城市三維地質(zhì)信息服務、城市地質(zhì)資料檢索服務及后臺管理與維護等功能。通過用戶授權方式實現(xiàn)不同用戶服務的差異性。普通用戶可瀏覽平臺提供的公開性資料，授權用戶根據(jù)權限不同可以共享綜合成果、信息處理服務和數(shù)據(jù)下載服務(圖4)。

3 主要關鍵技術

3．1 基于數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的軟件體系

三維城市地質(zhì)信息平臺建設采用MapGIS K9為基礎平臺，是基于新一代面向服務的懸浮倒掛式體系架構(gòu)的地質(zhì)專業(yè)信息應用平臺，從整個軟件體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了縱向多層、橫向網(wǎng)格的分布式體系結(jié)構(gòu)，能夠滿足主流IT技術的無縫連接和嵌入，具備跨平臺、可拆卸和靈活擴展的特點。根據(jù)日常的地質(zhì)專業(yè)工作流程構(gòu)建一套服務于專業(yè)人員的信息平臺，實現(xiàn)城市地質(zhì)文本、圖形、模型等數(shù)據(jù)的三維模式化表達，提供三維空間的評價分析服務。

3．2 基于因子庫的專業(yè)評價模型構(gòu)建與評價分析

將綜合評價法和層次分析法與GIS強大的空間分析功能相結(jié)合。使用GIS空間分析的強大功能，包括空間量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間插值、統(tǒng)計分類分析等，通用的評價模型也因為有了空間分析這一強有力的理論支持而獲得更強大的生命力和更廣闊的發(fā)展空間。

在此平臺上，可進行各專業(yè)數(shù)據(jù)的分析和綜合評價，在二維、三維分析功能的支持下，根據(jù)不同專業(yè)的應用需求，采取適當分析因子、合理的評價模型，可建立各專業(yè)的應用功能。如建筑地基適宜性評價功能、地下水資源評價管理功能、地質(zhì)災害監(jiān)測與預警功能、地面沉降風險管理功能、土地質(zhì)量適宜性評價功能、地下空間開發(fā)適宜性評價功能、城市重要生命線工程地質(zhì)保障評估功能等(圖5)。

3．3 二維、三維一體化技術

數(shù)據(jù)模型一體化是從要素模型的概念上對二維數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型進行統(tǒng)一表達，使得二維、三維數(shù)據(jù)能采用統(tǒng)一的概念進行管理。

數(shù)據(jù)管理一體化是以分類的概念將空間數(shù)據(jù)庫以統(tǒng)一的要素類、要素數(shù)據(jù)集進行一體化管理。

數(shù)據(jù)可視化是將二維顯示與三維顯示以統(tǒng)一的視圖展現(xiàn)，使得建模效果更加突出二維、三維的綜合顯示應用。

應用開發(fā)集成一體化是借助數(shù)據(jù)中心技術，在不涉及數(shù)據(jù)本身的差異的前提下，以中間件技術為基礎的插件管理方式，屏蔽二維、三維應用差異，集成二維和三維應用功能，在邏輯上以空間數(shù)據(jù)的概念進行統(tǒng)一管理，并統(tǒng)一規(guī)范了數(shù)據(jù)存儲、可視化和分析應用等處理流程(圖6)。

圖4 城市地質(zhì)信息處理與共享服務

圖5 多專業(yè)分析評價

基于數(shù)據(jù)中心的二維、三維一體化的管理策略，改變了以往二維和三維數(shù)據(jù)分別處理的局面，使得二維、三維在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)集成等層面上無區(qū)別的對待，真正實現(xiàn)了二維、三維空間數(shù)據(jù)在深層次上的應用。

圖6 二維、三維一體化融合展示

3．4 多約束下復雜地質(zhì)體的建模技術

整個多約束下的復雜地質(zhì)體交互式半自動建模技術思想圍繞著兩個基本點：快速構(gòu)建和定量分析。

快速構(gòu)建即選擇建模數(shù)據(jù)源后，通過分析各個數(shù)據(jù)源的基本特征，在進行建模數(shù)據(jù)一致性處理、建模區(qū)域劃分、模型中地質(zhì)面的數(shù)據(jù)源自動識別、地質(zhì)面的構(gòu)建與光滑、地質(zhì)體的自動拓撲構(gòu)建時，盡量體現(xiàn)程序的自動化和智能化，減少人工干預的程度，提高三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的效率(趙利民等，2008;崔芳鵬等，2008)。

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型支持三維定量分析的前提是模型的精度達到一定的要求。因此，在提高建模速度的前提下，必須盡量保證模型與建模數(shù)據(jù)源之間的空間結(jié)構(gòu)一致性，提高三維建模精度，減少誤差和錯誤。

多約束下復雜地質(zhì)模型快速構(gòu)建算法在單元格內(nèi)利用地層屬性和空間條件進行融合后的地質(zhì)點和地質(zhì)線的建模數(shù)據(jù)源的快速搜索，建立地質(zhì)面模型，再對不同單元格內(nèi)相同屬性的地質(zhì)面進行合并，形成區(qū)域內(nèi)不同地層的地質(zhì)面模型(圖7)。

圖7 特殊地質(zhì)體模型構(gòu)建

4 結(jié)論

三維城市地質(zhì)信息平臺的建設目標是為工程技術人員提供一個綜合化、智能化、規(guī)范化的基礎服務平臺，它實現(xiàn)了基于多源海量數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)動態(tài)建模、地質(zhì)過程模擬和空間分析評價，構(gòu)建了地質(zhì)研究、政府決策和公共信息發(fā)布的三維可視化信息平臺。筆者主要結(jié)合基于MapGIS K9的三維城市地質(zhì)信息平臺，從三維城市地質(zhì)信息平臺建設的總體方案和關鍵技術兩個方面對平臺的總體結(jié)構(gòu)、平臺功能、平臺建設流程、平臺應用領域等進行簡要分析，從分析中不難看出，基于MapGIS K9的三維城市地質(zhì)信息平臺實現(xiàn)了縱向多層、橫向網(wǎng)格的分布式體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效存儲、建立了基于因子庫的專業(yè)評價模型和評價分析、二維、三維空間數(shù)據(jù)在深層次上的應用以及多約束下復雜地質(zhì)體建模等功能，使得決策部門能綜合運用多方面數(shù)據(jù)，為城市建設和可持續(xù)發(fā)展提供了詳實的基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

崔芳鵬，胡瑞林，劉照連，等．2008．基于Surfer平臺的FLAC復雜三維地質(zhì)建模研究［J］．工程地質(zhì)學報，16(5)：699－702．

陳國旭，吳沖龍，張夏林，等．2010．三維地質(zhì)建模與地礦勘查圖件編制一體化方法研究［J］．地質(zhì)與勘探，46(3)：542－546．

傅俊鶴，郝社鋒，鄒霞．2011．杭州市城市三維地質(zhì)信息管理與服務系統(tǒng)的構(gòu)建［J］．地質(zhì)學刊，35(1)：51 －56．

徐雷，李成，奚硯濤．2009．基于開源的煤礦地質(zhì)信息集成平臺研究［J］．地質(zhì)學刊，33(1)：89 －92．

向中林，王妍，王潤懷，等．2009．基于鉆孔數(shù)據(jù)的礦山三維地質(zhì)建模及可視化過程研究［J］．地質(zhì)與勘探，45(1)：75－81．

葉思源，吳樹仁，歐陽永龍．2011．地質(zhì)三維可視化建模與其剖面自動制圖應用研究［J］．地質(zhì)與勘探，47(3)：498－504．

曾新平，吳健生，楊自安，等．2005．三維GIS環(huán)境下的地質(zhì)體可視化和特征分析［J］．地質(zhì)與勘探，41(1)：72－76．

趙利民，趙永軍，許亞權，等．2008．基于組件技術開發(fā)三維地質(zhì)建模軟件的探討［J］．地質(zhì)與勘探，44(2)：92－96．

On 3D information platform of urban geology

GU Li-ying，HUA Wei-hua，LI San-feng

(Faculty of Information Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China)

3D urban geologic information platform made comprehensive use of the technologies of GIS，digital geology，modern database，computer network and assembled and integrated geologic information and results in the study area in the fields of fundamental geology，hydrology，engineering geology，environmental geology，land subsidence，geophysics，geochemistry，remote sensing and disaster geology，realized 3D geologic modeling and results display for the management，update maintenance，query，analysis and evaluation of geologic information．On the above grounds，analyses，evaluation and predicting simulation were made on urban surface and underground space structure，geologic disasters，underground water resource，geologic environmental protection，monitoring and prevention of land subsidence，urban planning and construction，land quality and reserved land resource．

3D urban geology;Data management;Visualization;Geologic modeling;3D analysis;Shared service

TP319;P642

A

1674－3636(2012)03－0285－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．285

2012－05－20;編輯：侯鵬飛

顧麗影(1988— )，女，碩士研究生，測繪工程專業(yè)，E-mail：gly11gy@sina．com