山地城市地质信息集成管理平台研究与应用

明镜,向泽君(1．重庆市勘测院,重庆 400020; 2．重庆市岩土工程技术研究中心,重庆 400020; 3．重庆数字城市科技有限公司,重庆 400020)

山地城市地质信息集成管理平台研究与应用

明镜1,2,3∗,向泽君1,2
(1．重庆市勘测院,重庆 400020; 2．重庆市岩土工程技术研究中心,重庆 400020; 3．重庆数字城市科技有限公司,重庆 400020)

摘 要:为解决当前城市地质信息化建设中存在的标准缺乏、信息分散、共享困难的难题,针对重庆山地城市地质特点,从统一数据标准、三维地质建模框架、多源异构地质数据库建设、海量三维地质数据自适应可视化、插件式行业集成应用等方面进行关键技术研究,研发了山地城市地质信息集成管理平台。基于该平台快速搭建的龙洲湾公租房工程地质信息集成管理系统,成功应用到了场区地质信息展现及三维可视化分析决策中,提升了山地城市地质信息服务水平。

关键词:地质信息；集成管理；山地城市；三维地质建模框架；可视化分析

1　引 言

近年来,我国经济发展和城市化进程越来越快,城市人口剧增、工程建设频繁、地质灾害频发、地下水资源紧缺等问题日益突出,对城市地质环境造成了巨大压力,各种城市地质问题已成为影响城市安全、制约城市可持续发展的主要因素之一[1,2]。采用信息化手段,加强城市地质信息的管理与服务,减少城市地质灾害,已成为国内外城市发展的迫切需求[3,4]。

然而,当前城市地质信息化建设中,仍然存在诸多问题[3～5]。首先,由于历史原因,且缺乏资料汇集汇交的制度和平台,城市地质信息广泛分散在国土、建委、规划、人防等部门,无法进行统一管理,更无法实现城市地质信息的跨部门共享;其二,由于缺乏有效的地质信息汇集及共享,造成了地质信息获取的重复投资,带来了巨大的资源浪费;其三,在地质信息相对缺失的情况下,难免导致施工过程中的人为诱发滑坡、地面沉降及塌陷等地质灾害,造成了巨大的财产损失;其四,地质信息在本质上是三维的,需要借助三维地质建模和可视化,才可能更加直观地分析并解决真实地质问题;其五,重庆是典型的特大山地城市,具有地形起伏大、地层褶皱发育、地质条件复杂等特点,其地质信息管理需考虑山地城市的特殊性。总之,目前我国城市地质信息化建设相对滞后,对山地城市特点考虑较少,在地质信息管理的系统性、现势性、针对性和表现性方面尚存较大改进空间,严重制约了重庆山地城市地质信息的集成管理、共享、服务与广泛应用。

因此,针对重庆特大山地城市特点,进行山地城市地质信息集成管理平台研究,构建一个基于地理信息技术、三维地质建模技术及三维可视化技术的软件平台,对山地城市地质信息进行有效的采集、建模、存贮、管理、可视化及网络化服务,已成为当前“智慧城市”建设的必然要求[6,7]。山地城市地质信息集成管理平台的建立,不仅可以推动地质信息服务的集群化和产业化,而且能够切实为城市规划、建设和管理服务,辅助进行科学决策和风险规避,保障山地城市的可持续发展,具有重要的现实意义。

2　总体框架

充分借鉴国内外优秀三维平台和可视化引擎的技术架构和思路,结合实际需求,在山地城市地质数据统一标准、基于多源数据和多方法集成的统一建模流程/框架、多源异构地质数据库、海量三维地质数据自适应可视化、插件式行业集成应用等方面进行技术攻关,并形成相应的管理工具和软件平台,为山地城市地质信息采集、建模、建库、管理、发布、应用各环节提供解决方案。其总体技术框架如图1所示:

3　关键技术

3．1山地城市地质数据统一标准

山地城市地质数据涉及范围广泛,主要包含钻孔、剖面、地质图、地质灾害、岩土测试等地质信息与地理信息,数据内容要素包括三维空间位置、基本属性信息和地质属性信息。各类数据跨越多个专业领域、涉及单位众多、建设总量大,而且资料来源各异。为保障平台数据的规范性和一致性,确保平台数据的统一质量,支持平台数据库建设及后期应用服务,方便相关系统和工程的有机整合,需要建立城市地质数据统一标准,从数据采集、数据制作、信息分类和数据入库等各环节着手,规范地质数据采集的流程、处理步骤和技术要求。为指导城市地质数据建设,从空间参考系、地质编录、区域地层划分、区域地质综合柱状图、数据库设计、地质图例、三维建模等方面进行规范,形成山地城市地质数据统一标准体系。

图1　平台总体框架图

3．2基于多源数据和多方法集成的统一建模框架

城市地质数据来源广泛、类型众多、载体各异、时间跨度大。研究并建立基于多源数据和多方法集成的统一建模流程/框架,对收集整理的多源地质数据进行整合、编码及规范,然后根据数据的特点选取适当的建模方法进行三维地质模型构建[8]。如果地质数据以钻孔为主,则宜选取钻孔建模方法;如果地质数据以剖面为主,则宜选择剖面建模方法,进一步还需要根据剖面的空间展布情况,选择采用平行剖面建模、交叉折剖面建模和网状剖面建模等方法;如果原始地质数据类型多样或者地质情况复杂,则宜选取多源数据统一建模方法。框架提供了可扩展的三维地质建模接口,以支持适应新数据特点的地质建模方法的加入。

框架中集成的三维地质建模方法均为业界及相关研究领域中较为先进实用的方法,保持了与国内外建模方法研究成果的同步性。重庆作为典型的特大山地城市,具有地形起伏大、地层褶皱发育、地质情况复杂等特点,框架中的部分方法,如钻孔成套建模方法[9,10],特别针对山地城市地质特点进行设计及完善,形成了创新性的山地城市三维地质建模方法研究成果。对于各种方法创建的三维地质模型,框架实现了多模型之间的融合方法,以布尔操作为基础,解决模型之间可能出现的数据不一致。基于多源数据和多方法集成的统一建模流程/框架如图2所示:

图2　统一建模流程/框架

3．3多源异构地质数据库

研究多源异构地质数据组织、管理及建库方法,将多源异构地质数据库划分为元数据库、三维空间数据库和非空间数据库,为三维场景组织、地质数据共享、地质信息服务提供支持。采用基于开源关系数据库Firebird的三维空间数据组织和管理方式,根据管理、应用场景需求,分别设计关系数据库下各种数据类型的组织方案(如表1所示),不仅支持非空间数据的高效存取,更实现了地质空间数据的二三维一体化及地上地下一体化。

多源异构城市地质数据库组织 表1

3．4海量三维地质数据自适应可视化

地质信息的三维可视化集成管理涉及三维地理信息、三维地质模型、三维地形模型等众多三维空间数据。海量三维地质空间数据为可视化引擎带来了巨大的负载,为保障可视化的流畅及专业应用的顺利进行,研究海量三维地质数据自适应可视化方法[11]。对海量三维地质数据进行合理组织,建立多层次细节模型和高效的三维空间索引,研究开放场景组织、处理与渲染策略,结合多级缓存技术,在三维场景中实现了海量地质数据的自适应动态调度及实时交互。

3．5插件式行业集成应用

传统方式建立的地质信息平台,系统捆绑了固化的业务流程,数据更新不及时、缺乏共享,而系统和平台也限制了的应用扩展,新的应用开发,往往需要从头构建。这些平台无论是基于C/ S架构还是B/ S架构,大多存在开放性不足的问题。本文采用插件式行业集成应用的方式,设计高度灵活的平台架构,支持客户端软件的界面配置,并在此基础上支持插件式的功能快速扩展。基于公共基础平台API,面向行业应用开发专业工具集,并通过配置方式快速集成到客户端软件上。通过规划设计、地质调查、岩土勘察、地质环境评估、检测监测及协同管理工具集,本文研发的山地城市地质信息集成管理平台实现了多专业应用,为跨部门地质信息协同管理、分析及决策提供了良好的基础。

4　应用案例

基于本文研发的山地城市地质信息集成管理平台,快速定制面向公租房建设应用的工具集,建立了龙洲湾公租房工程地质信息集成管理系统。

4．1项目概况

为加快城市发展,解决民生问题,重庆市城投公租房建设有限公司拟修建巴南区龙洲湾公共租赁房项目,该项目位于重庆市巴南区鱼洞镇新华村,总占地面积约0．9 km2。该项目规模大,工期紧张,场区内工程地质条件复杂。为快速准确反映工程地质信息,辅助公租房的勘察、设计与施工,业主单位希望快速建立龙洲湾公租房工程地质信息集成管理系统。鉴于本文研发的山地城市地质信息集成管理平台在系统扩展性和应用开放性的特有优势,龙洲湾公租房工程地质信息集成管理系统以此基础平台为核心进行构建。系统展示并集成了场区不断更新的地质信息,支持地上地下一体化的空间信息三维可视化及分析决策,为工程顺利推进提供了有力支撑。

4．2系统结构

如图3所示,系统建设基于已有的重庆市城市地质信息数据库,提取项目场地及周边范围内的城市地质信息及基础地理信息,集成龙洲湾公租房项目的工程地质信息和行业相关信息,形成该项目的基本数据库。系统数据的维护和查询、统计、分析等分别采用不同的用户界面。维护界面实现相关信息的录入、修改,查询界面实现系统的查询、浏览、统计、分析等功能。这样便于数据的集中统一管理,有效地保持数据的一致性,同时系统又能保持软件的易用和实用性。

图3　系统结构

4．3主要功能

(1)地图操作。实现二维地图的放大、缩小、自由缩放、漫游、鹰眼、全图显示、设定比例尺、刷新等功能。

(2)场景漫游。实现三维场景的放大、缩小、镜头微调、斜视、俯视、平视、镜头精确定位等场景漫游功能。

(3)数据存储与管理。数据内容包括:工程项目基本信息、工程项目审查信息、钻孔空间数据、钻孔钻探及原位测试数据、剖面线、勘察报告文本、岩土试验数据、不良地质基本信息。

(4)钻孔管理。包括增加原始钻孔、移出钻孔管理、浏览原始工程钻孔信息、钻孔统一图层管理、钻孔三维可视化等。

(5)查询定位。查询方式包括图上点击查询、图上区域查询、工程条件查询和不良地质条件查询,即通过点选、框选、字段筛选等单一查询或组合查询,从数据库中查找符合条件的地质信息,并在二维地图或三维场景中快速定位。

(6)统计图表。对工程项目基本信息、岩土物理力学指标、不良地质现象等地质信息进行统计,生成统计报表或专题图(分布图、热力图、柱状图等),统计结果可在地图上显示和生成报表。

(7)三维地质建模。实现了多种三维地质建模方法,根据原始地质数据进行三维模型的构建,包括:钻孔建模、平行剖面建模、网状剖面建模、多源数据统一建模。

(8)三维空间分析。包含有多种方式,如:剖切分析,对三维地质模型进行剖面切割,分析地质构造;基坑开挖,按照建筑基坑边线进行地质模型的基坑开挖,分析基坑内部及周边地质构造及相关地下空间信息;虚拟钻探,对三维地质模型进行虚拟钻探,分析地质构造及地层分布;漫游分析,在三维场景中进行虚拟漫游,以综合浏览分析工程相关的地质信息;方量分析,按照岩性分别统计各个地质体的体积。

(9)打印输出。系统将查询、统计、专题分析制图的结果打印输出,其中,结果的地图展示可打印输出或单独输出为图片保存,结果的报表内容可直接打印或保存为Excel文件。

(10)数据维护。包含数据的导入、导出、备份、恢复等多项功能,以保障数据的安全性。

4．4应用效果

系统能够实现对钻孔、剖面、三维地形、地上三维建筑、三维矢量等地质信息与地理信息的集成管理及三维可视化分析,如图4所示。

图4　多源数据三维叠加显示及分析

系统实现了多种三维地质建模方法,包括:钻孔建模、平行剖面建模、网状剖面建模、多源数据统一建模等。其中,基于钻孔的三维地质建模效果如图5所示。

图5　基于钻孔的三维地质建模效果

系统支持多种地质数据及地理信息数据的地上一体化展示,如图6、图7所示。

图6　钻孔数据与三维地形图耦合显示

图7　三维地质、地形、地面公租房耦合显示

可在三维地质模型的基础上,开展剖面切割、虚拟基坑开挖等三维分析,有效辅助实际地质问题的直观交流及科学决策,其效果如图8～图10所示:

图8　地质剖切效果与勘察钻孔、建筑物平面轮廓线耦合分析

图9　地质模型与建筑地下室空间关系分析

图10　地下室基坑虚拟开挖分析

综上,龙洲湾公租房工程地质信息集成管理系统在公租房的地质信息管理及三维可视化分析中得到了良好应用。系统集成了钻孔、剖面、地质图、三维地质体、三维地形、地上三维仿真模型等各类工程地质相关信息,随着岩土工程勘察的开展深入,能够不断补充最新的地质勘察信息。系统提供的工程地质信息丰富、准确,支持地上地下一体化的空间信息三维可视化,实现了建筑规划设计模型与工程地质信息的耦合显示及可视化分析,有效地辅助了各类地质问题的科学决策,保障了工程建设的顺利进行。

5　总结与展望

5．1总结

本文山地城市地质信息集成管理平台的研究与应用为智慧城市地质应用提供了从数据生产、管理、服务发布到应用的全方位解决方案,开辟了基于三维GIS的城市地质信息可视化集成管理的新途径,在应用方面体现出多样化、网络化、社会化等特征。平台主要从山地城市地质数据统一标准、基于多源数据和多方法集成的统一建模流程/框架、多源异构地质数据库、海量三维地质数据自适应可视化、插件式行业集成应用等方面进行了深入研究,在地质三维模型生产制作、地质信息数据库建设、行业领域知识快速集成、多专业协同管理分析等关键技术方面取得了重要进展。研究成果在重庆市的地质信息集成管理、工程地质应急抢险、地下空间规划设计等多个领域得到了深入应用。

5．2展望

平台研发方面,未来将提高海量三维数据的多用户并发访问的响应效率和吞吐量,进一步提升三维可视化效率与效果,支持基于动态时间轴的场景演进功能,并且不断更新和完善更多的行业专业领域知识插件。

平台未来的应用推广方面,一是要对现有地质信息与地下空间数据进一步整合和挖掘,形成重庆市域三维地下空间数据库,支撑跨区跨部门的政府决策和统筹管理;二是要促进开放式地下空间集成管理模式建设,建立城市地质勘察、地下管网及地下空间普查数据的汇交和共享机制;三是要继续深入行业应用,打造更加完善的跨部门多专业地质及地下空间信息化协同管理平台。

山地城市地质信息集成管理平台的研究与应用,有力地支撑了城市发展建设,提高了现代化山地城市地质信息集成管理水平,推动了重庆市三维数字城市建设向智慧重庆的演进进程,将为全国山地城市地质信息集成管理及智慧应用起到示范作用。

参考文献

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Research and Application on the Integrated Management Platform of Geological Information for Mountainous City

Ming Jing1,2,3,Xiang Zejun1,2
(1．Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China; 2．Chongqing Engineering Research Center of Geotechnical Engineering,Chongqing 400020,China; 3．Chongqing Cybercity Sci-tech Co．,Ltd．,Chongqing 400020,China)

Abstract:To solve current problems in the construction of urban geological information such as the lack of standards, the scattering of information,and the difficulty of data sharing,special attention is paid to geological features in the mountainous city of Chongqing．Key technologies are researched,such as the unified data standard,three-dimensional geological modeling framework,heterogeneous multi-source geological database,adaptive visualization of massive geological data,and plug-in application integration．The integrated management platform of geological information for mountainous city is developed as well．Based on this platform,an integrated system of engineering geology information management for the Longzhouwan public rental house is quickly built．It has been successfully applied to the display of geological information and three -dimensional visual analysis,which enhances the geological information services in mountainous city．

Key words:geological information;integrated management;mountainous city;three-dimensional geological modeling framework;visual analysis

文章编号:1672-8262(2015)05-147-07中图分类号:P628+．4,P208．2

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—07—15

作者简介:明镜(1982—),男,博士,正高职高级工程师,主要研究方向为三维GIS、三维地质建模。

基金项目:住房和城乡建设部2014年科学技术项目(2014-K8-009);重庆市基础与前沿研究计划(cstc2014jcyjA90026);重庆市应用开发计划(cstc2014yykfB40004)