福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)相關(guān)技術(shù)問題研究

田其煌

(福州市勘測院 福建福州 350108)

0 引言

隨著“數(shù)字城市”建設(shè)和應(yīng)用的深入，以工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為主要內(nèi)容的地下空間信息已經(jīng)成為“數(shù)字城市”建設(shè)必不可少的重要內(nèi)容。目前，福州市已建成包含地形、影像、地面三維、地址編碼、城市部件、地下管線等多要素的空間信息共享服務(wù)平臺[1]，但地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)進(jìn)展較為緩慢，成為制約空間信息綜合共享服務(wù)平臺的短板和痛點(diǎn)，需加快工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)。本文在總結(jié)前期建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，就福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究，為建成福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫提供技術(shù)支撐，為地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)提供良好的技術(shù)支持。

1 建設(shè)規(guī)模、技術(shù)指標(biāo)與總體架構(gòu)

城市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的主要目的是，整合城市勘測單位工程勘察數(shù)據(jù)資源，為城市規(guī)劃、工程建設(shè)、政府決策時迅速獲取工程地質(zhì)數(shù)據(jù)提供技術(shù)保障。城市勘測單位掌握著城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)大量的城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、市政及房屋建筑勘察成果，有地質(zhì)、GIS開發(fā)專業(yè)人才隊(duì)伍，建設(shè)城市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫具有天然優(yōu)勢，也有責(zé)任建設(shè)好城市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

1.1 數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍

界定數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍的目的，在于分析建設(shè)范圍內(nèi)的地質(zhì)地形地貌特點(diǎn)，研究適用于該建設(shè)范圍內(nèi)的工程勘察巖土層序列劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)地層。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的范圍，主要考慮數(shù)據(jù)庫建設(shè)單位擁有的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)覆蓋范圍，并根據(jù)城市規(guī)劃城市空間拓展需要應(yīng)覆蓋今后一定時期內(nèi)的城市建設(shè)熱點(diǎn)區(qū)域。

勘測單位近年來承擔(dān)的項(xiàng)目分布主要于鼓樓、臺江、倉山、晉安、馬尾等5個老城區(qū)，但近年來高新區(qū)、長樂區(qū)開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度明顯加快，特別是福州濱海新區(qū)建設(shè)提速明顯，是今后一段時期內(nèi)福州重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域。因此，福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍應(yīng)涵蓋福州六城區(qū)及高新區(qū)，建設(shè)面積約1700km2。

1.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

著眼于數(shù)據(jù)庫建設(shè)目的，工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建成后應(yīng)能快速實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)錄入、查詢使用，實(shí)現(xiàn)自動化、可交互的工程地質(zhì)評價及三維地質(zhì)建模功能，數(shù)據(jù)庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺

要求提供完整、易用、先進(jìn)的工程勘察各類數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)查詢、標(biāo)準(zhǔn)化處理、專題圖顯示與查詢、地質(zhì)數(shù)據(jù)分析處理等功能。

要求通過安全設(shè)置，系統(tǒng)管理員可以在管理后臺配置賬戶的具體權(quán)限，對用戶使用功能和數(shù)據(jù)權(quán)限進(jìn)行控制。

(2)移動端APP

要求開發(fā)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫查詢移動端APP。APP支持Android和IOS兩種操作系統(tǒng)，在不同操作系統(tǒng)中的APP具有同樣的功能和性能。

要求移動端APP定位功能穩(wěn)定準(zhǔn)確，可實(shí)時查看鉆孔與各類地質(zhì)專題圖。

(3)數(shù)據(jù)接口

要求數(shù)據(jù)入庫模塊可對接理正等主流勘察軟件，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件可導(dǎo)出常用格式的數(shù)據(jù)文件。

要求數(shù)據(jù)庫可錄入、下載各種常用格式的勘察文檔文件數(shù)據(jù)。

(4)勘察地質(zhì)三維及BIM

要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)自動化建模功能，能夠提供地質(zhì)BIM建模，模型可交互操作并掛接地質(zhì)屬性。

1.3 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)

福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，堅(jiān)持實(shí)用性、易用性、高效性、標(biāo)準(zhǔn)化及可維護(hù)性原則。

福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫擬采用B/S架構(gòu)，整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、展現(xiàn)層及安全體系構(gòu)成。

(1)數(shù)據(jù)層

服務(wù)器數(shù)據(jù)庫接入勘察數(shù)據(jù)、勘察資料文檔數(shù)據(jù)、地質(zhì)專題圖數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，并可接入百度地圖、天地圖等第三方提供的API。后臺數(shù)據(jù)庫采用主流數(shù)據(jù)庫，具有較高的可靠性、可擴(kuò)展性和性能。

(2)業(yè)務(wù)層

通過接口封裝以及ASP.NET MVC框架控制業(yè)務(wù)邏輯，對接數(shù)據(jù)接口，整合業(yè)務(wù)平臺，以滿足前后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求。

(3)展現(xiàn)層

實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目業(yè)務(wù)需求，通過平臺無縫接入瀏覽器及移動端APP來展示。

(4)安全體系

安全體系通過終端安全、傳輸安全、應(yīng)用安全來保障整個架構(gòu)的安全，有效發(fā)揮數(shù)據(jù)隔離的安全作用。

2 福州市標(biāo)準(zhǔn)地層及地層標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1 福州市標(biāo)準(zhǔn)地層編制

科學(xué)、規(guī)范地進(jìn)行工程勘察巖土層序列的劃分，建立數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍內(nèi)統(tǒng)一的巖土層代碼以及巖土地層的標(biāo)準(zhǔn)化劃分，是本次工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。

工程勘察巖土層序列劃分，應(yīng)在充分分析已有原始工程資料的基礎(chǔ)上，綜合考慮地層形成適當(dāng)、成因類型、巖性及土層性狀、標(biāo)志層與包含物等因素[2]。朱本清[3]、鄭榮章[4]等對福州第四紀(jì)地層劃分進(jìn)行過研究，研究結(jié)論對福州主要地層層序劃分有一定指導(dǎo)意義，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)福州地層交錯復(fù)雜，其結(jié)論未能覆蓋福州所有第四紀(jì)地層信息。根據(jù)前期多輪研究與實(shí)踐，福州市標(biāo)準(zhǔn)地層擬采用“主層-亞層-次亞層”3個層級進(jìn)行劃分。其中，土層、巖層各層級劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)不同的規(guī)則進(jìn)行。

2.1.1土層劃分

土層主層序號根據(jù)地層形成的地質(zhì)年代的新老次序進(jìn)行編排，形成地質(zhì)年代早的巖土層層序在下，形成地質(zhì)年代晚的在上。參照福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》[5]，結(jié)合福州市區(qū)地層特點(diǎn)，主層分為長樂組上段、長樂組下段、東山組、龍海組上段、龍海組下段、同安組及坡殘積土共7個主層。

土層亞層主要根據(jù)土層物理力學(xué)性質(zhì)劃分為填土、碎石土、砂土、黏性土、軟土、坡積土、殘積土等地層。

次亞層根據(jù)常用土工定名在亞層基礎(chǔ)上細(xì)分。如砂土細(xì)分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂，黏性土細(xì)分為黏土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土等次亞層。

2.1.2巖層劃分

福州市標(biāo)準(zhǔn)地層劃分時，巖層單獨(dú)作為一個主層。

巖層次亞層劃分按基巖的成因時代、風(fēng)化程度、巖性或巖石類型等特征劃分層序[2]?？紤]到福州市區(qū)揭示的基巖以巖漿巖為主，基本上為硬質(zhì)巖；另外從工程運(yùn)用的角度來看，福州市區(qū)基巖風(fēng)化程度對巖層性狀、力學(xué)參數(shù)的影響遠(yuǎn)大于基巖成因時代及巖性。因此，建議巖層亞層序列建議按風(fēng)化程度劃分，劃分為全風(fēng)化、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化。

次亞層劃分主要依據(jù)巖性進(jìn)行。根據(jù)福州地區(qū)揭示的主要巖性有花崗巖、花崗斑巖、凝灰熔巖、輝綠巖等，如中風(fēng)化巖亞層可細(xì)分為中風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗斑巖、中風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化輝綠巖等次亞層。

按以上劃分方法，福州市標(biāo)準(zhǔn)地層共劃分為8個主層，29個亞層，125個次亞層。

2.2 地層標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1地層標(biāo)準(zhǔn)化劃分方法

地層標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)，是使數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍內(nèi)的鉆孔各巖土層均能套用統(tǒng)一的地層代碼，并且使地層標(biāo)準(zhǔn)化后鄰近項(xiàng)目鉆孔地層代碼保持連續(xù)性。

因福州市區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多個砂層、軟土層、黏性土層互相交錯出現(xiàn)，同一類定名的巖土層根據(jù)地質(zhì)年代的不同可能存在多個地層代碼，給地層標(biāo)準(zhǔn)化工作造成較大困擾。地層標(biāo)準(zhǔn)化初期，應(yīng)優(yōu)先選擇能控制數(shù)據(jù)庫建設(shè)范圍內(nèi)的大型線路工程勘察數(shù)據(jù)，建立若干條縱向、橫向、環(huán)形的可以控制福州主要區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)地層骨干斷面。骨干斷面建立后，其他工程項(xiàng)目地層參照骨干斷面可較為方便地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地層劃分工作。近年來，城市軌道交通、城市道路環(huán)線等大型市政項(xiàng)目勘察資料，為標(biāo)準(zhǔn)地層骨干斷面構(gòu)建提供了很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

地層標(biāo)準(zhǔn)化劃分時，主層層號應(yīng)嚴(yán)格按找從上到下的順序排列，不允許出現(xiàn)主層層序顛倒；亞層、次亞層層號允許在同一主層內(nèi)根據(jù)實(shí)際揭示地層情況交錯排列。

2.2.2系統(tǒng)地層標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)

由于收集上來的工程勘察數(shù)據(jù)存在多源異構(gòu)的情況，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)地層標(biāo)識，往往導(dǎo)致入庫的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行跨工程、跨區(qū)域的統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用，傳統(tǒng)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫在入庫階段就要進(jìn)行地層歸一化處理[6]，這需要先行整理統(tǒng)計(jì)出整個區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)地層標(biāo)識，且一旦標(biāo)準(zhǔn)地層需要更改，就要花大量工作去更改已標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)，重復(fù)工作量巨大。

本次系統(tǒng)提出采用基礎(chǔ)庫與標(biāo)準(zhǔn)庫并存的技術(shù)方案，即將原始數(shù)據(jù)錄入到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，保留所有原始記錄；錄入?yún)^(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)地層標(biāo)識，從基礎(chǔ)庫中挑選重要控制性鉆孔，將鉆孔分層與標(biāo)準(zhǔn)地層做映射處理，形成鉆孔標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并錄入標(biāo)準(zhǔn)庫中。由于系統(tǒng)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)地層的改變不影響鉆孔分層與標(biāo)準(zhǔn)地層之間的映射關(guān)系，使用人員可同步進(jìn)行基礎(chǔ)庫入庫與標(biāo)準(zhǔn)庫對比工作，達(dá)到數(shù)據(jù)庫易于維護(hù)的目的，實(shí)現(xiàn)高效率的協(xié)同工作。

3 云服務(wù)器、WebGIS、BIM等新技術(shù)的融合應(yīng)用

福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，應(yīng)在傳統(tǒng)地質(zhì)、GIS、數(shù)據(jù)庫融合應(yīng)用基礎(chǔ)上，緊跟互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用熱潮，積極采用云計(jì)算服務(wù)、WebGIS、BIM等當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)。

3.1 采用云服務(wù)器的B/S架構(gòu)

B/S即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，是目前應(yīng)用系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其主要特點(diǎn)是分布性強(qiáng)、維護(hù)方便、開發(fā)簡單且共享性強(qiáng)。B/S架構(gòu)將極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實(shí)現(xiàn)，形成3層(3-tier)結(jié)構(gòu)。這樣使得客戶端電腦負(fù)荷大大簡化(因此被稱為瘦客戶端)，減輕了系統(tǒng)維護(hù)、升級的支出成本，降低了用戶的總體成本(TCO)[7]。

云計(jì)算服務(wù)器(又稱云服務(wù)器(ECS))，是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，是云計(jì)算服務(wù)的重要組成部分，是面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供綜合業(yè)務(wù)能力的服務(wù)平臺[8]。云計(jì)算服務(wù)器平臺有效地解決了傳統(tǒng)物理服務(wù)器與VPS服務(wù)中存在的管理難度大、業(yè)務(wù)擴(kuò)展性弱的缺陷。

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)擬采用國內(nèi)主流云平臺服務(wù),將數(shù)據(jù)文件存儲共享、工程勘察數(shù)據(jù)查詢管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用等業(yè)務(wù)邏輯都放在服務(wù)器后端實(shí)現(xiàn)；同時云服務(wù)提供多重安全保護(hù)與數(shù)據(jù)備份措施,保證數(shù)據(jù)安全保密性。在這種結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)用戶只需通過W3瀏覽器進(jìn)入工作界面，無需安裝繁瑣的工具軟件,達(dá)到“低成本,高效率”的目的。

3.2 基于WebGIS技術(shù)的移動端APP的開發(fā)

WebGIS是一個開放系統(tǒng)，注重數(shù)據(jù)共享、軟件重用、跨平臺運(yùn)行和易于集成等，能夠共享多種來源、多級尺度、存放在不同地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)；能夠通過對象管理、中件和插件等技術(shù)手段與非GIS系統(tǒng)集成；并能夠通過Java、CORBA、DCOM等技術(shù)跨平臺協(xié)作運(yùn)行，支持多用戶終端/服務(wù)器模式等[9]。將GIS軟件與Web服務(wù)器集成，用戶可通過客戶端、網(wǎng)頁端和移動端在任何地方操縱網(wǎng)絡(luò)GIS，享用地理空間信息服務(wù)。

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)擬利用WebGIS技術(shù)開發(fā)WEB應(yīng)用端及查詢移動端APP。系統(tǒng)將工程、鉆孔、區(qū)域地質(zhì)專題圖轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下,以圖層服務(wù)的形式發(fā)布給用戶查詢?yōu)g覽。通過手機(jī)APP，使用者即可以根據(jù)手機(jī)定位信息，快速便捷地獲取定位點(diǎn)附近的區(qū)域地質(zhì)情況、鉆孔地層情況等信息。

3.3 基于鉆孔的地質(zhì)BIM建模技術(shù)

該技術(shù)創(chuàng)新性地使用了Autodesk公司的Revit軟件作為BIM應(yīng)用平臺，采用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)化的鉆孔數(shù)據(jù)作為建模原始數(shù)據(jù), 基于Revit API來實(shí)現(xiàn)地質(zhì)分層與建模的業(yè)務(wù)功能[10]。該技術(shù)方案首先從地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)地層信息，利用合理的虛擬和插值方法彌補(bǔ)源數(shù)據(jù)不足，根據(jù)實(shí)測和虛擬的鉆孔采用Delaunay三角剖分算法和地質(zhì)學(xué)知識劃分地層，然后關(guān)聯(lián)各層所屬的鉆孔鉆層，最后選取插值算法形成一定粒度的地層模型，進(jìn)而組成整個地質(zhì)體BIM模型。

地質(zhì)BIM模型的每個圖元都附帶有詳細(xì)的屬性信息，可以在巖土工程中很方便地模擬基坑及隧道開挖過程，統(tǒng)計(jì)開挖土方量，計(jì)算區(qū)域地層統(tǒng)計(jì)參數(shù)，方便設(shè)計(jì)人員對方案進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

4 結(jié)語

目前，福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)已進(jìn)入實(shí)施部署階段，上述數(shù)據(jù)庫建設(shè)規(guī)模與技術(shù)要求、福州市標(biāo)準(zhǔn)地層、新技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域的研究結(jié)論，有效指導(dǎo)了福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)技術(shù)路線的編制與實(shí)施，為地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)提供了良好的技術(shù)支持，確保了數(shù)據(jù)庫建設(shè)的先進(jìn)性、實(shí)用性和可拓展性。福州市工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目的順利實(shí)施，也反過來驗(yàn)證了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)研究成果的可行性、先進(jìn)性和有效性。