濟(jì)南城市四維動態(tài)地質(zhì)信息系統(tǒng)構(gòu)建研究

徐秋曉,孫斌,李常鎖,呂明薈,趙振華,李念春

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地下水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

“家家泉水，戶戶垂楊”是對泉城濟(jì)南昔日美景的真實(shí)寫照。然而，近20多年，泉水流量逐漸衰竭，泉水?dāng)嗔鲿r有發(fā)生，濟(jì)南泉水問題已引起社會各界廣泛關(guān)注。保護(hù)濟(jì)南泉水，恢復(fù)泉水噴涌，既是保護(hù)自然文化遺產(chǎn)的需要，又是塑造濟(jì)南形象，弘揚(yáng)齊魯文化、提高生活品味、改善生態(tài)環(huán)境的需要[1]。二維城市是指具有某種物質(zhì)或象征意義上的形態(tài)界限；三維城市是一種景觀形式，是城市空間研究的要素之一，它在幾何特征和審美質(zhì)量方面具有清晰的可辨性，從而容許人們自覺地去領(lǐng)會這個外部空間即所謂的城市空間[2]。四維城市指三維的城市空間中加入時間維度，是在時間作用下，由歷史積累所呈現(xiàn)出的時空關(guān)系，反映了城市地下水的時空變化規(guī)律。四維城市的研究就是從時間的視角，以歷史要素為線索，在其空間表征的基礎(chǔ)上，認(rèn)識城市地下水的形成邏輯，顯示地下水的特征，引導(dǎo)城市地下水的保護(hù)與發(fā)展[3]。

該次研究基于近50多年的濟(jì)南地下水勘查、試驗(yàn)和研究成果，建立完善的四維地質(zhì)信息系統(tǒng)及其服務(wù)平臺，從二維三維等水文地質(zhì)概念模型出發(fā)，把濟(jì)南泉水的分布、成因、演化以及泉水?dāng)嗔鞯脑?、保泉供水的對策措施等，用四維模型來展示出來，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)又生動易懂，同時也給政府決策提供參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)建的三大平臺

濟(jì)南四維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)面對的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和地質(zhì)資源等九大專題數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有顯著的多源、多類、多維、多量、多尺度、多時態(tài)、多主題特征，為了有效地管理這些地質(zhì)時空大數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行整理、分類并規(guī)范化，分別建立原始數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，然后建立一系列功能強(qiáng)勁的分析系統(tǒng)、編圖系統(tǒng)、評價系統(tǒng)和三維乃至四維地質(zhì)建模系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)整合、融合、處理和信息提取，開展研究區(qū)包括泉水保護(hù)、軌道交通建設(shè)、地下空間利用等地質(zhì)環(huán)境評價、預(yù)警，建立完善的四維地質(zhì)信息系統(tǒng)及其服務(wù)平臺，為業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)處理、政府機(jī)構(gòu)管理決策和社會公眾查詢檢索提供共享服務(wù)。濟(jì)南城市四維動態(tài)地質(zhì)信息系統(tǒng)總體框架見圖1。

圖1 濟(jì)南城市四維動態(tài)地質(zhì)信息系統(tǒng)總體框架

1.1 建立地學(xué)數(shù)據(jù)的管理平臺

濟(jì)南城市地質(zhì)信息系統(tǒng)集成基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多專業(yè)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，以及城市遙感影像數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)對城市多源、海量、多期次、多比例尺、異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)的有效管理。

1.2 建立專業(yè)研究的操作平臺

建立不同地質(zhì)數(shù)據(jù)的專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)對模型時空展布特征的三維可視化再現(xiàn)，并提供對模型的專業(yè)處理與分析；地質(zhì)專業(yè)圖件編繪功能，涵蓋城市水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)工作所涉及的平面圖、等值線圖、鉆孔柱狀圖和統(tǒng)計(jì)圖等；數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果的多種形式和多種格式的圖表輸出功能；在基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)模型的支持下，快速建立工程地質(zhì)參數(shù)模型、水文地質(zhì)參數(shù)模型、水位動態(tài)模型等專業(yè)地質(zhì)參數(shù)及其分析模型等；基于三維地質(zhì)體模型與地下水動態(tài)模型的耦合功能和分析工具，實(shí)現(xiàn)地下水水位管理、泉水噴涌維護(hù)、地下水質(zhì)管理、地基承載力評價、地基穩(wěn)定性評價、地下空間利用評價等分析。

1.3 建立輔助決策的支持平臺

實(shí)現(xiàn)能夠滿足政府決策需要的網(wǎng)絡(luò)化、三維可視化、智能化的地質(zhì)信息服務(wù)與地質(zhì)信息響應(yīng)平臺，為重大工程的選址與建設(shè)等提供支持依據(jù)；基于三維地質(zhì)體模型以及地質(zhì)體參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)完善的空間分析功能，能進(jìn)行空間分析、開挖分析、虛擬勘探分析等為政府提供輔助決策支持；為實(shí)現(xiàn)地下水水位管理、泉水噴涌維護(hù)、地下水質(zhì)管理、地基承載力評價、地基穩(wěn)定性評價、地下空間利用評價提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；為實(shí)現(xiàn)地下水位變化模擬、地下水溶質(zhì)擴(kuò)散模擬、泉水運(yùn)動狀態(tài)模擬、地下水開采方案優(yōu)化和地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警等提供決策支持。

2 “地質(zhì)信息一張圖”理念下的濟(jì)南二維城市信息管理

該次地學(xué)數(shù)據(jù)的管理平臺集成了包括多比例尺地質(zhì)圖、水文地質(zhì)圖、城市規(guī)劃圖、遙感影像圖等幾十種專題數(shù)據(jù)，可借助多角度與深度的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，基本實(shí)現(xiàn)了多接點(diǎn)、多源數(shù)據(jù)、多窗口數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與評價，滿足了“地質(zhì)信息一張圖”的建設(shè)需求。“一張圖”服務(wù)模式能夠?qū)⒉煌瑢ｎ}，不同類型的數(shù)據(jù)集成在一起，可疊加顯示、瀏覽、分析和聯(lián)動查詢，亦可形成專題圖件，方便進(jìn)行信息分析，最大限度地利用現(xiàn)有成果[4-5]。實(shí)現(xiàn)了濟(jì)南地質(zhì)資料數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了“大系統(tǒng)、大平臺、大數(shù)據(jù)、大集成”，破除了各單位間數(shù)據(jù)鴻溝，集成了各單位各類地質(zhì)信息服務(wù)，形成統(tǒng)一、有序、規(guī)模的統(tǒng)一信息服務(wù)平臺。

3 三維城市地質(zhì)可視化模型構(gòu)建

該次建模采用Quantyview 3D的基于鉆孔和地質(zhì)信息的快速遞進(jìn)層狀三維地質(zhì)建模方法，基于鉆孔的點(diǎn)→線→面→體快速遞進(jìn)，綜合融合考慮剖面、斷裂等地質(zhì)信息，通過對剖面間的地層連線進(jìn)行Kriging插值，形成一系列地層面模型，然后以此為基礎(chǔ)構(gòu)建三維地質(zhì)框架模型(圖2)。在基于鉆孔建模速度快、自動化程度高的基礎(chǔ)上，提高了鉆孔間地層信息的準(zhǔn)確度；同時吸取了剖面建模的地層信息不確定性較少和精細(xì)程度較高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速三維地質(zhì)模型構(gòu)建(圖3)[6-21]。

1—山西組；2—太原組圖2 三維地質(zhì)建模在軌道交通中的應(yīng)用

1—第四系；2—萬山組；3—黑山組；4—山西組；5—太原組；6—本溪組；7—奧陶系；8—煤層采空區(qū)；9—非煤層采空區(qū)圖3 三維模型在采空區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

為整體揭示濟(jì)南泉水地質(zhì)構(gòu)造特征，重點(diǎn)展示泉水排泄區(qū)附近空間地質(zhì)特征，分別建立濟(jì)南泉域與重點(diǎn)研究區(qū)三維可視化模型，濟(jì)南泉域模型底邊界標(biāo)高為-500m，重點(diǎn)研究區(qū)模型底邊界標(biāo)高為-400m。利用顏色渲染、圖案填充展示空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)，揭露地質(zhì)界面、構(gòu)造等地質(zhì)特征，立體展示地層空間形態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)對任一地質(zhì)塊體三維模型的縮放、平移、拾取、紋理、透明等功能展示，也可以逐層剝離上層地質(zhì)體，揭露淺表層以下地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，對鉆孔模型也可進(jìn)行三維立體展示、分層屬性查詢。

4 四維城市地下水動態(tài)建模

四維地質(zhì)建模是三維建模模塊的時態(tài)拓展。在已建立的地質(zhì)體三維模型的基礎(chǔ)上，以適當(dāng)?shù)臅r間步長把地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括空間上的水位變化、水質(zhì)變化數(shù)據(jù)逐幀嵌入地質(zhì)體三維模型中，構(gòu)成隨時間變化的系列“三維地質(zhì)體+地下水模型”。

采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合GMS10.0對每個時間節(jié)點(diǎn)所獲得的全區(qū)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間趨勢分析和隨機(jī)模擬，建立地下水水位四維動態(tài)模型(圖4)，并基于水位四維動態(tài)模型進(jìn)行地下水勢和流場分析。

1—斷裂；2—水流線跡；3—地形；4—水流方向；5—含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖4 地下水水位四維動態(tài)模型(基于2017年5月水位數(shù)據(jù))

5 結(jié)論

(1)系統(tǒng)平臺基于大型三維可視化地學(xué)信息平臺QuantyView開發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易于使用，更利于推廣應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了“數(shù)字濟(jì)南”的主要需求，作為濟(jì)南市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分進(jìn)行建設(shè)，有利于城市地質(zhì)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用。

(2)基于各類鉆孔、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)調(diào)查和勘查等數(shù)據(jù)進(jìn)行地層三維模型構(gòu)建，有效地解決了地質(zhì)三維模型自動建模過程中的地層缺失，斷層等情況；研制地質(zhì)三維模型相互間的互剪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的任意形狀剪切、開挖分析。

(3)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)三維建模并且與地下水(泉水)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的耦合，從含水層、隔水層、地下水位、泉水運(yùn)移路徑、動態(tài)變化規(guī)律等方面出發(fā)，建立了面向保泉和軌道交通建設(shè)的濟(jì)南四維城市動態(tài)地質(zhì)信息系統(tǒng)。在該四維動態(tài)建模模塊上，還需要繼續(xù)研發(fā)并建立地質(zhì)分析評價模塊，并提供各種分析工具和評價模型，使之能在四維地質(zhì)體模型中，對含水層、隔水層、地下水位、泉水運(yùn)移路徑、動態(tài)變化規(guī)律等進(jìn)行分析、評價和預(yù)測，獲取具有決策支持性質(zhì)的成果數(shù)據(jù)。