基于GIS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的地質(zhì)信息化平臺建設(shè)

黃崧 王海洋 余俊挺 馮旭彪 王瀟 唐遠(yuǎn)軍 郎歡

摘要：隨著國產(chǎn)GIS軟件的快速發(fā)展，我國在地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)、地質(zhì)信息共享服務(wù)及3S地質(zhì)信息化系統(tǒng)建設(shè)等方面取得了豐碩成果，目前多種基于GIS研發(fā)的地質(zhì)信息化系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境地質(zhì)評價(jià)、工程地質(zhì)勘察等領(lǐng)域。伴隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的日益完善，建立集GIS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)于一體的一體化地質(zhì)信息化平臺，可以為相關(guān)政府管理部門和社會公眾提供決策依據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)海量地質(zhì)資源信息的深度挖掘和共享。

Abstract： With the rapid development of domestic GIS software， China has made great achievements in the construction of geological spatial database， geological information sharing service and 3S geological information system. At present， many kinds of GIS-based geological information systems have been widely used in mineral resources exploration， geological hazard monitoring， environmental geological evaluation， engineering geological exploration and other fields. With the improvement of Beidou Satellite Navigation System， the establishment of an integrated geological information platform integrating GIS and Beidou Navigation System can provide decision-making basis for relevant government management departments and the public， and is conducive to the deep mining and sharing of massive geological resources information.

關(guān)鍵詞：GIS;北斗導(dǎo)航系統(tǒng);地質(zhì)信息化平臺

Key words： GIS;Beidou Navigation System;Geological Information Platform

中圖分類號：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0158-03

1 ?GIS技術(shù)與地質(zhì)信息化

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對地球表面空間的地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理、分析和顯示的技術(shù)系統(tǒng)。在傳統(tǒng)地質(zhì)行業(yè)中，有大量的圖紙、圖表等地質(zhì)資料，這些資料都是一系列相互關(guān)聯(lián)的空間數(shù)據(jù)。利用GIS技術(shù)對這些工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，可以提高工程管理的效率。目前將時(shí)間維度融入三維GIS構(gòu)建四維GIS系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，這可以實(shí)現(xiàn)對不斷變化的地質(zhì)體特征進(jìn)行準(zhǔn)確、多時(shí)相的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.1 GIS在礦產(chǎn)資源勘查中的應(yīng)用

GIS 作為地質(zhì)制圖的基礎(chǔ)系統(tǒng)，能夠通過簡單的數(shù)據(jù)調(diào)用對礦區(qū)中的各種信息數(shù)據(jù)通過專業(yè)的分析模型進(jìn)行分析運(yùn)用，再結(jié)合實(shí)際的勘探需求繪制地質(zhì)圖。通過礦山地質(zhì)點(diǎn)、線、面、體的勾畫，構(gòu)建三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，可以直觀詳細(xì)的描述礦山地質(zhì)中的各種地質(zhì)現(xiàn)象。運(yùn)用GIS技術(shù)，可以將海量的礦產(chǎn)地質(zhì)勘探資料分類錄入以實(shí)現(xiàn)信息的分層統(tǒng)一管理。借助地理信息系統(tǒng)獨(dú)特的空間分析功能，并結(jié)合專家系統(tǒng)，形成對礦山地質(zhì)的動態(tài)管理，保障礦山開采質(zhì)量和開采安全。

1.2 GIS在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

GIS具有信息處理和信息自動識別的功能，是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作的重要技術(shù)輔助手段，特別是在泥石流、地面沉降、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害中具有預(yù)測性的作用。通過GIS技術(shù)建立地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)的綜合信息數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)，迅速獲取受災(zāi)區(qū)的各種信息，以便對破壞性地質(zhì)災(zāi)害的快速響應(yīng)。

1.3 GIS在地質(zhì)環(huán)境評價(jià)中的應(yīng)用

地質(zhì)環(huán)境評價(jià)是對多源地質(zhì)信息進(jìn)行綜合分析和評價(jià)的過程，地學(xué)信息處理和分析過程需要大量的的模型計(jì)算。傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查手段已不能滿足模擬需求，運(yùn)用GIS技術(shù)可以較好地再現(xiàn)空間地質(zhì)實(shí)體。GIS技術(shù)為地質(zhì)環(huán)境評價(jià)和地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃管理等工作提供技術(shù)保障，如地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集、建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、建立地質(zhì)環(huán)境污染模型、提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和報(bào)表輸出、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)等。目前在環(huán)境地質(zhì)研究中，GIS主要用于評估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、識別水土污染風(fēng)險(xiǎn)、評價(jià)城市地質(zhì)脆弱性等方面。

1.4 GIS在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

由于工程地質(zhì)勘察內(nèi)容的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的勘察技術(shù)已經(jīng)無法滿足將屬性數(shù)據(jù)和圖形圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合而開展數(shù)據(jù)采集與分析工作。GIS技術(shù)的應(yīng)用可以較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)勘查方法的缺陷，既能夠?qū)τ趶?fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，又能描述復(fù)雜的空間實(shí)體。運(yùn)用可視化技術(shù)與圖形交互技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫，存儲和管理工程地質(zhì)勘探的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立工程地質(zhì)體三維模型，實(shí)時(shí)補(bǔ)充更新研究區(qū)域的信息并自動顯示數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)的分布，利用模型反饋發(fā)現(xiàn)已有勘察工作中的不足，修改勘察方案，從而針對性的指導(dǎo)下一步工作的實(shí)施。

2 ?北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地質(zhì)信息化

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國根據(jù)國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，建立在無線電定位系統(tǒng)上的高精度空間定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠具備全球性和全天候的持續(xù)不斷的定時(shí)定位能力，主要包括空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控站和用戶設(shè)備三部分組成，可以為用戶提供高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)。將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)信息化建設(shè)中，不僅能夠保證地質(zhì)調(diào)查工作得以順利開展同時(shí)能提高采集地質(zhì)數(shù)據(jù)的精確性。與此同時(shí)，對所測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)完整的記錄和編號，確保下一步的地理信息系統(tǒng)編圖能夠更加精準(zhǔn)。

3 ?融合GIS和BDS的地質(zhì)信息化平臺構(gòu)建

地質(zhì)信息化平臺是基于GIS系統(tǒng)，輔以衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)管理、分析應(yīng)用和共享的一體化解決方案。平臺的目標(biāo)是將各類地質(zhì)調(diào)查成果數(shù)字化、成果立體模型化和成果表達(dá)多樣化，為政府和專業(yè)研究人員提供一個(gè)多源異構(gòu)地下空間數(shù)據(jù)的管理平臺和三維可視化決策輔助支持平臺?？紤]到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)開發(fā)采用C/S架構(gòu)和三維GIS技術(shù)，基于Microsoft.net的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，將地理信息系統(tǒng)的空間圖層數(shù)據(jù)與相應(yīng)的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)結(jié)合，生成三維可視化的GIS地質(zhì)信息化平臺。

3.1 地質(zhì)信息化平臺的系統(tǒng)構(gòu)成及其功能

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能將從總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能分配兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件模塊可以在今后應(yīng)用中得到方便更新和擴(kuò)展，以減少系統(tǒng)開發(fā)工作的總工作量。

數(shù)據(jù)采集是采集各種地質(zhì)實(shí)體的的數(shù)據(jù)信息，并通過處理機(jī)制分析過濾數(shù)據(jù)和儲存數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和地質(zhì)實(shí)體間的連接，采集現(xiàn)實(shí)目標(biāo)物體的各類數(shù)據(jù)信息，并存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，通過統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。隨著智能化采集系統(tǒng)的發(fā)展，使得更快的數(shù)據(jù)采集速度成為可能。當(dāng)前更多的智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備的使用，諸如無人機(jī)，勘探機(jī)器人等可以將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳到云端，在云端讀取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，原來使用人工測量調(diào)查模式的逐步被遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模式所取代。

數(shù)據(jù)庫是基于地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)將地質(zhì)圖件及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成的一種數(shù)據(jù)集合。建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫需要先將地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)字化，手機(jī)整理傳統(tǒng)的簡編地形圖，然后對其進(jìn)行矢量化、數(shù)據(jù)編輯、屬性數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與連接等過程后建立空間數(shù)據(jù)庫。在地質(zhì)數(shù)據(jù)源的屬性表中，會有一個(gè)字段可以將這兩種數(shù)據(jù)源在邏輯上關(guān)聯(lián)起來，兩種不同形式的表可以交叉查詢。

空間分析和處理是基于點(diǎn)、線、面基本地理要素的空間分析，通過空間信息查詢與量測、緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地統(tǒng)計(jì)分析等空間分析方法挖掘出新的信息，從而解決不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)臻g數(shù)據(jù)處理與輸出的需求，使地理實(shí)體和空間關(guān)系得到簡化。各種不同類型的GIS平臺中存貯了海量的地理空間數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增長的增長趨勢，當(dāng)前迫切需要高效、精確的方法來分析這些數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)得規(guī)律，了解事物的性質(zhì)與蘊(yùn)涵的意義，為科學(xué)決策提供保障性信息。因此開發(fā)數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)空間數(shù)據(jù)分析和空間對象模擬就顯得尤為重要。GIS的空間分析能力不僅能進(jìn)行海量空間數(shù)據(jù)管理、信息查詢檢索與量測，通過圖形操作與數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算分析出地理空間數(shù)據(jù)中隱藏的關(guān)系，挖掘出對科學(xué)決策具有指導(dǎo)意義的信息，從而解決復(fù)雜的地學(xué)應(yīng)用問題。通常GIS環(huán)境下的空間分析方法包括確定性空間分析、探索性空間數(shù)據(jù)分析、時(shí)空數(shù)據(jù)分析、專業(yè)模型集成分析、智能化的空間分析和可視化空間分析。

地質(zhì)信息化平臺可以將分析處理后的數(shù)據(jù)通過符號化歸類展示出來，通過三維符號能夠把具有共同特征的點(diǎn)、線和面對象等快速構(gòu)建出來。采用二三維一體化的符號庫，三維符號樣式同樣可以在二維中以快照圖片的方式顯示出來，從而大大節(jié)省了構(gòu)建場景的費(fèi)用和時(shí)間，提高了場景構(gòu)建效率。此外，地質(zhì)專題圖對于決策和分析也具有很大的價(jià)值，在三維場景中可以快速創(chuàng)建跟二維一樣的專題圖，可以讓使用者直觀快速的了解區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)信息。目前基于傳統(tǒng)三維GIS的四維地質(zhì)信息化應(yīng)用可以在長時(shí)間序列里得到持續(xù)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，為未來的地質(zhì)信息化應(yīng)用開拓了廣泛的應(yīng)用場景。

GIS經(jīng)歷了從單機(jī)環(huán)境應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用發(fā)展的過程，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境GIS應(yīng)用從局域網(wǎng)內(nèi)客戶結(jié)構(gòu)的應(yīng)用向Internet環(huán)境下的瀏覽器結(jié)構(gòu)的WebGIS模式發(fā)展。相對于C/S結(jié)構(gòu)而言，WebGIS具有部署方便、使用簡單、對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低的特別，為地理信息服務(wù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。云計(jì)算的興起為GIS帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，云GIS便是GIS與云計(jì)算結(jié)合的成果。云GIS通過時(shí)空原則進(jìn)行優(yōu)化的云計(jì)算模式，使分布式計(jì)算環(huán)境中的地理空間科學(xué)發(fā)現(xiàn)成為可能。云GIS技術(shù)將地理信息系統(tǒng)平臺和地理空間信息數(shù)據(jù)便捷、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的基礎(chǔ)設(shè)施之上，以按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務(wù)。

3.2 地質(zhì)信息化平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)上，通常采用三層模型的結(jié)構(gòu)，按數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用邏輯層、表現(xiàn)層等層次構(gòu)建系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上則采用面向?qū)ο蟮姆椒?，把軟件對象和邏輯相關(guān)的軟件對象構(gòu)成的應(yīng)用組件作為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)構(gòu)造視圖進(jìn)行編程和組織。

表現(xiàn)層是系統(tǒng)平臺的最外層，主要用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，可以提供給用戶一種交互式操作的界面，通過可視化的用戶界面展示數(shù)據(jù)。在這個(gè)信息系統(tǒng)中，表示層作為用戶的地圖表現(xiàn)界面，文本、圖像等信息通過瀏覽器提供，系統(tǒng)的服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理用戶通過客戶端發(fā)出的各種數(shù)據(jù)請求。

應(yīng)用邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)中最為核心的部分，其關(guān)鍵技術(shù)就在于規(guī)則的制定、流程的實(shí)現(xiàn)和業(yè)務(wù)需求方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用邏輯層通過特定的過程和規(guī)則應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)客戶通過表示層發(fā)出的請求。邏輯層處于數(shù)據(jù)訪問層與表示層中間位置，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。通過這樣的處理，GIS系統(tǒng)在功能表現(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了最大的靈活性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)層也稱為是持久層，其功能主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問，可以訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、二進(jìn)制文件、文本文檔。數(shù)據(jù)層使用空間數(shù)據(jù)引擎操縱組件和元數(shù)據(jù)組件來實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的集中管理，同時(shí)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫同時(shí)可作為空間數(shù)據(jù)引擎的宿主數(shù)據(jù)庫，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并集中管理這些數(shù)據(jù)，保障公共基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)的完整性。

服務(wù)器是應(yīng)用數(shù)據(jù)組織管理與發(fā)布共享的中心，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境中數(shù)據(jù)提供方式的不同，可以由分布式文件服務(wù)器、空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、地理信息系統(tǒng)服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器等提供不同數(shù)據(jù)類型的服務(wù)器構(gòu)成。服務(wù)器端根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同及數(shù)據(jù)量的大小，從地學(xué)瀏覽器端展示效果實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與發(fā)布。

4 ?結(jié)束語

由于地質(zhì)信息種類多樣化、各類地質(zhì)數(shù)據(jù)又呈海量化發(fā)展趨勢，利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立地質(zhì)信息化平臺具有積極意義。當(dāng)前，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)已成為引領(lǐng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)力量，地質(zhì)信息化正在進(jìn)入全面融合、跨界合并、創(chuàng)新加快的新時(shí)代。與此同時(shí)這些技術(shù)同樣在地質(zhì)調(diào)查信息化與信息服務(wù)工作中產(chǎn)生了重要影響。除了強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)共享外，在這些新興技術(shù)的支撐下，地質(zhì)信息化平臺等信息化資源實(shí)現(xiàn)共享共用已是大勢所趨。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐巖巖.GIS支持下的地質(zhì)災(zāi)害防治信息平臺建設(shè)[J].國土與自然資源研究，2016（1）.

[2]張維寬，安華育，趙海霞.基于GIS的數(shù)字地質(zhì)測繪管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（21）：153-155.

[3]陳桂忠.三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)——以廈門為例[J].環(huán)境科學(xué)前沿：中英文版，2014（2）：52-59.

[4]顧麗影，花衛(wèi)華，李三鳳.三維城市地質(zhì)信息平臺[J].地質(zhì)學(xué)刊，2012，36（3）：285-290.