三维城市地质信息平台

顾丽影，花卫华，李三凤

(中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北 武汉 430074)

三维城市地质信息平台

顾丽影，花卫华，李三凤

(中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北 武汉 430074)

三维城市地质信息平台综合利用GIS、数字地质、现代数据库、计算机网络等技术，对研究范围的基础地质、水文地质、工程地质、环境地质、地面沉降、地球物理、地球化学、遥感、灾害地质等多专业的地质信息和成果进行集成和综合，实现对地质信息管理、更新维护、检索查询、分析评价、三维地质模拟和成果显示，在此基础上对城市地表与地下空间结构组织与空间资源、地质灾害、地下水资源与地质环境保护、地面沉降监测与防治、城市规划与建设、土地质量与后备资源等进行分析评价和预测模拟。

三维城市地质;数据管理;可视化;地质建模;三维分析;共享服务

0 引言

20世纪90年代后期以来，随着计算机硬件性能大幅提高和三维可视化技术的日益发展，利用各种钻孔资料和地球物理测井等资料，建立城市三维地质模型进行城市地质信息可视化逐渐成为一种趋势。如意大利佛罗伦萨城市地质工作组利用钻孔数据库，建立了佛罗伦萨盆地前湖盆相沉积物的三维几何形态、沉积序列和地质构造的三维模型。美国地质调查局于1999年主持的Digital Geologic Map Data Model及2002年NADM Data Model Design Team发布的Draftwork in Progress Logical View Report，开始将信息建模方法应用于地质数据模型研究和地质数据库建设中。

近年来，我国先后开展了北京、上海、天津、南京、广州和杭州6个城市的三维城市地质调查工作，数字城市地质雏形初现，在城市规划、建设、管理等方面进行了重要的探索和实践，特别是上海市城市地质调查开展了系统的城市三维地质结构、地质灾害和地球化学环境调查研究，建立了动态三维城市地质信息平台，为上海城市建设和可持续发展提供了详实的基础地质数据和科学决策依据，是目前我国乃至国际上城市地质工作的典范。根据试点项目取得的经验，一些省会城市、直辖市或二线城市已开始独立开展三维城市地质调查与信息化建设。

三维城市地质信息平台以地质信息集成管理、分析处理和共享服务为导向，采用新一代地质领域的数据建模技术，对区域范围内的多专业地质信息和成果进行集成和综合，实现研究区域内多级、多源、海量、异构的地学数据的高效存储管理、更新维护、查询统计、地质成图成表、专业分析应用、专业评价及地质数据多元统计分析、三维地质建模、可视化及更加直观的三维分析，同时提供三维城市地质信息的共享与服务，为地质专业人员，政府规划、建设部门、企事业单位以及社会公众等不同层次的用户提供个性化的综合地质信息共享服务。

1 三维城市地质信息平台建设需求及目标

1．1 三维城市地质信息平台建设需求

随着城市化发展，城市地质工作越来越重要，了解城市地质工作的研究现状、发展趋势、新技术和新方法的应用以及开展城市地质工作尤为必要。为了更加积极有效地发挥地质工作在城市规划、建设、管理中的辅助决策作用，各大城市开始进行三维城市地质信息平台的建设，以期有效解决城市的快速发展带来的地质环境问题，将地质资料开发利用的成果在城市规划、建设及水务、市政、土地管理、环保、农业等相关政府部门或重大工程建设指挥部门进行推广应用，实现资源环境并重，以地质环境评价为核心，保障城市地质生态安全，促进城市经济快速安全发展。

1．2 三维城市地质信息平台建设目标

三维城市地质信息平台的建设以服务于社会和经济可持续发展为宗旨，围绕城市发展战略和目前面临的紧迫地质问题，借鉴国内外先进经验，在充分利用、整合已有地质成果的基础上，基于MapGISTDE三维平台，利用数据库技术、GIS技术、三维可视化技术、计算机技术等建立开放、动态的地质信息服务平台，将调查工作中的地质数据进行集成管理、有效分析，为城市可持续发展提供基础地质数据和科学决策的依据(图1)。

通过建立三维城市地质信息平台，为工程技术人员提供一个综合化、智能化、规范化的基础服务平台。以数据资料集合、管理为基础，建立研究区基底构造－第四系－水文地质－工程地质三维结构模型、地面沉降曲面模型、地面塌陷区地层结构三维模型和地质灾害体三维模型，并进行模型分析，为地质工作者研究规划区内基础地质、水文地质、工程地质、环境地质条件及其变化提供数据依据，建立工作区活动断裂与区域地壳稳定性、工程地基稳定性与地面塌陷、地下水资源保障能力等评价模型，进行分析评价和预测模拟，为城市建设布局和功能区别、重大工程建设、地质灾害防治、水资源开发利用等的快速反应能力提供服务(曾新平等，2005)。

图1 三维城市地质信息平台建设目标

2 平台建设方案

三维城市地质信息平台建设主要包括3个模块：数据管理与维护模块、城市地质数据分析与应用模块和城市地质信息处理与共享服务模块(傅俊鹤等，2011)。

2．1 数据管理与维护模块(C/S)

三维城市地质数据管理主要是针对区域内与地质相关的空间数据、属性数据的一体化管理。其中，空间数据的管理主要借助大型GIS平台MapGIS来实现;属性数据的管理则依赖关系型数据库。

目前，按照地质专业划分，平台支持的数据包括钻孔数据、地球化学数据、地球物理数据、地面沉降数据等。由于采用了先进的控制表映射技术、界面自动生成等技术，用户可以在此基础上自由扩展自己的数据内容以及功能。同时，借助关系型数据库，平台提供了完整的文件数据(文档、表格、图片、视频等)的管理方案(图2)。

图2 数据类型

2．2 城市地质数据分析与应用模块(C/S)

三维城市地质数据分析与应用模块实现了大规模地质数据的二维快速可视化，多专业地质资料智能查询检索技术，多要素复杂地质专题图的智能成图与编辑，基于因子库的专业评价模型构建与评价分析，多约束下三维地质模型构建(叶思源等，2011)。

多专业地质资料智能查询检索技术支持对钻孔、井、地面沉降监测点、地球物理、地球化学勘探点等多专题点空间实体的通用查询、统计及相关图表生成，这种多专题综合及查询、统计、图表生成高度集成化的空间查询分析应用模式对用户来讲方便、快捷，可大大提高工作效率，降低使用难度(图3)。

图3 城市地质数据分析与应用

基于多源地质数据，如地表高程数据、钻孔数据、地质剖面、平面地质图等数据建立三维地质结构模型和三维属性模型，针对不同数据分别提供自动建模、半自动、交互式建模功能。

2．3 城市地质信息处理与共享服务模块(B/S)

城市地质信息处理与共享服务模块主要面向公益性政府用户、企事业单位用户、地质领域用户及社会公众等提供基于Internet的城市地质信息服务，包括城市地质信息动态发布、城市地质数据查询服务、城市三维地质信息服务、城市地质资料检索服务及后台管理与维护等功能。通过用户授权方式实现不同用户服务的差异性。普通用户可浏览平台提供的公开性资料，授权用户根据权限不同可以共享综合成果、信息处理服务和数据下载服务(图4)。

3 主要关键技术

3．1 基于数据中心架构的软件体系

三维城市地质信息平台建设采用MapGIS K9为基础平台，是基于新一代面向服务的悬浮倒挂式体系架构的地质专业信息应用平台，从整个软件体系结构上实现了纵向多层、横向网格的分布式体系结构，能够满足主流IT技术的无缝连接和嵌入，具备跨平台、可拆卸和灵活扩展的特点。根据日常的地质专业工作流程构建一套服务于专业人员的信息平台，实现城市地质文本、图形、模型等数据的三维模式化表达，提供三维空间的评价分析服务。

3．2 基于因子库的专业评价模型构建与评价分析

将综合评价法和层次分析法与GIS强大的空间分析功能相结合。使用GIS空间分析的强大功能，包括空间量算，缓冲区分析、叠加分析、空间插值、统计分类分析等，通用的评价模型也因为有了空间分析这一强有力的理论支持而获得更强大的生命力和更广阔的发展空间。

在此平台上，可进行各专业数据的分析和综合评价，在二维、三维分析功能的支持下，根据不同专业的应用需求，采取适当分析因子、合理的评价模型，可建立各专业的应用功能。如建筑地基适宜性评价功能、地下水资源评价管理功能、地质灾害监测与预警功能、地面沉降风险管理功能、土地质量适宜性评价功能、地下空间开发适宜性评价功能、城市重要生命线工程地质保障评估功能等(图5)。

3．3 二维、三维一体化技术

数据模型一体化是从要素模型的概念上对二维数据模型、三维数据模型进行统一表达，使得二维、三维数据能采用统一的概念进行管理。

数据管理一体化是以分类的概念将空间数据库以统一的要素类、要素数据集进行一体化管理。

数据可视化是将二维显示与三维显示以统一的视图展现，使得建模效果更加突出二维、三维的综合显示应用。

应用开发集成一体化是借助数据中心技术，在不涉及数据本身的差异的前提下，以中间件技术为基础的插件管理方式，屏蔽二维、三维应用差异，集成二维和三维应用功能，在逻辑上以空间数据的概念进行统一管理，并统一规范了数据存储、可视化和分析应用等处理流程(图6)。

图4 城市地质信息处理与共享服务

图5 多专业分析评价

基于数据中心的二维、三维一体化的管理策略，改变了以往二维和三维数据分别处理的局面，使得二维、三维在数据管理、数据可视化和数据集成等层面上无区别的对待，真正实现了二维、三维空间数据在深层次上的应用。

图6 二维、三维一体化融合展示

3．4 多约束下复杂地质体的建模技术

整个多约束下的复杂地质体交互式半自动建模技术思想围绕着两个基本点：快速构建和定量分析。

快速构建即选择建模数据源后，通过分析各个数据源的基本特征，在进行建模数据一致性处理、建模区域划分、模型中地质面的数据源自动识别、地质面的构建与光滑、地质体的自动拓扑构建时，尽量体现程序的自动化和智能化，减少人工干预的程度，提高三维地质结构建模的效率(赵利民等，2008;崔芳鹏等，2008)。

三维地质结构模型支持三维定量分析的前提是模型的精度达到一定的要求。因此，在提高建模速度的前提下，必须尽量保证模型与建模数据源之间的空间结构一致性，提高三维建模精度，减少误差和错误。

多约束下复杂地质模型快速构建算法在单元格内利用地层属性和空间条件进行融合后的地质点和地质线的建模数据源的快速搜索，建立地质面模型，再对不同单元格内相同属性的地质面进行合并，形成区域内不同地层的地质面模型(图7)。

图7 特殊地质体模型构建

4 结论

三维城市地质信息平台的建设目标是为工程技术人员提供一个综合化、智能化、规范化的基础服务平台，它实现了基于多源海量数据的三维地质结构动态建模、地质过程模拟和空间分析评价，构建了地质研究、政府决策和公共信息发布的三维可视化信息平台。笔者主要结合基于MapGIS K9的三维城市地质信息平台，从三维城市地质信息平台建设的总体方案和关键技术两个方面对平台的总体结构、平台功能、平台建设流程、平台应用领域等进行简要分析，从分析中不难看出，基于MapGIS K9的三维城市地质信息平台实现了纵向多层、横向网格的分布式体系结构，实现了多源异构数据的高效存储、建立了基于因子库的专业评价模型和评价分析、二维、三维空间数据在深层次上的应用以及多约束下复杂地质体建模等功能，使得决策部门能综合运用多方面数据，为城市建设和可持续发展提供了详实的基础地质数据和科学依据。

崔芳鹏，胡瑞林，刘照连，等．2008．基于Surfer平台的FLAC复杂三维地质建模研究［J］．工程地质学报，16(5)：699－702．

陈国旭，吴冲龙，张夏林，等．2010．三维地质建模与地矿勘查图件编制一体化方法研究［J］．地质与勘探，46(3)：542－546．

傅俊鹤，郝社锋，邹霞．2011．杭州市城市三维地质信息管理与服务系统的构建［J］．地质学刊，35(1)：51 －56．

徐雷，李成，奚砚涛．2009．基于开源的煤矿地质信息集成平台研究［J］．地质学刊，33(1)：89 －92．

向中林，王妍，王润怀，等．2009．基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究［J］．地质与勘探，45(1)：75－81．

叶思源，吴树仁，欧阳永龙．2011．地质三维可视化建模与其剖面自动制图应用研究［J］．地质与勘探，47(3)：498－504．

曾新平，吴健生，杨自安，等．2005．三维GIS环境下的地质体可视化和特征分析［J］．地质与勘探，41(1)：72－76．

赵利民，赵永军，许亚权，等．2008．基于组件技术开发三维地质建模软件的探讨［J］．地质与勘探，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;编辑：侯鹏飞

顾丽影(1988— )，女，硕士研究生，测绘工程专业，E-mail：gly11gy@sina．com