济南城市四维动态地质信息系统构建研究

徐秋晓,孙斌,李常锁,吕明荟,赵振华,李念春

(山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队，山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境重点实验室, 山东 济南 250014)

0 引言

“家家泉水，户户垂杨”是对泉城济南昔日美景的真实写照。然而，近20多年，泉水流量逐渐衰竭，泉水断流时有发生，济南泉水问题已引起社会各界广泛关注。保护济南泉水，恢复泉水喷涌，既是保护自然文化遗产的需要，又是塑造济南形象，弘扬齐鲁文化、提高生活品味、改善生态环境的需要[1]。二维城市是指具有某种物质或象征意义上的形态界限；三维城市是一种景观形式，是城市空间研究的要素之一，它在几何特征和审美质量方面具有清晰的可辨性，从而容许人们自觉地去领会这个外部空间即所谓的城市空间[2]。四维城市指三维的城市空间中加入时间维度，是在时间作用下，由历史积累所呈现出的时空关系，反映了城市地下水的时空变化规律。四维城市的研究就是从时间的视角，以历史要素为线索，在其空间表征的基础上，认识城市地下水的形成逻辑，显示地下水的特征，引导城市地下水的保护与发展[3]。

该次研究基于近50多年的济南地下水勘查、试验和研究成果，建立完善的四维地质信息系统及其服务平台，从二维三维等水文地质概念模型出发，把济南泉水的分布、成因、演化以及泉水断流的原因、保泉供水的对策措施等，用四维模型来展示出来，科学严谨又生动易懂，同时也给政府决策提供参考。

1 系统构建的三大平台

济南四维城市地质信息系统面对的数据包括基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、灾害地质、地球物理、地球化学和地质资源等九大专题数据。这些数据具有显著的多源、多类、多维、多量、多尺度、多时态、多主题特征，为了有效地管理这些地质时空大数据，需要对其进行整理、分类并规范化，分别建立原始数据库和基础数据库，然后建立一系列功能强劲的分析系统、编图系统、评价系统和三维乃至四维地质建模系统，通过数据整合、融合、处理和信息提取，开展研究区包括泉水保护、轨道交通建设、地下空间利用等地质环境评价、预警，建立完善的四维地质信息系统及其服务平台，为业务部门数据处理、政府机构管理决策和社会公众查询检索提供共享服务。济南城市四维动态地质信息系统总体框架见图1。

图1 济南城市四维动态地质信息系统总体框架

1.1 建立地学数据的管理平台

济南城市地质信息系统集成基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、地球物理、地球化学等多专业地质勘查数据，以及城市遥感影像数据等，实现对城市多源、海量、多期次、多比例尺、异构地质数据的有效管理。

1.2 建立专业研究的操作平台

建立不同地质数据的专业模型，实现对模型时空展布特征的三维可视化再现，并提供对模型的专业处理与分析；地质专业图件编绘功能，涵盖城市水文地质、工程地质和环境地质工作所涉及的平面图、等值线图、钻孔柱状图和统计图等；数据分析处理结果的多种形式和多种格式的图表输出功能；在基础地质参数模型的支持下，快速建立工程地质参数模型、水文地质参数模型、水位动态模型等专业地质参数及其分析模型等；基于三维地质体模型与地下水动态模型的耦合功能和分析工具，实现地下水水位管理、泉水喷涌维护、地下水质管理、地基承载力评价、地基稳定性评价、地下空间利用评价等分析。

1.3 建立辅助决策的支持平台

实现能够满足政府决策需要的网络化、三维可视化、智能化的地质信息服务与地质信息响应平台，为重大工程的选址与建设等提供支持依据；基于三维地质体模型以及地质体参数模型，实现完善的空间分析功能，能进行空间分析、开挖分析、虚拟勘探分析等为政府提供辅助决策支持；为实现地下水水位管理、泉水喷涌维护、地下水质管理、地基承载力评价、地基稳定性评价、地下空间利用评价提供数据基础；为实现地下水位变化模拟、地下水溶质扩散模拟、泉水运动状态模拟、地下水开采方案优化和地灾监测预警等提供决策支持。

2 “地质信息一张图”理念下的济南二维城市信息管理

该次地学数据的管理平台集成了包括多比例尺地质图、水文地质图、城市规划图、遥感影像图等几十种专题数据，可借助多角度与深度的数据发现机制，基本实现了多接点、多源数据、多窗口数据发现与评价，满足了“地质信息一张图”的建设需求。“一张图”服务模式能够将不同专题，不同类型的数据集成在一起，可叠加显示、浏览、分析和联动查询，亦可形成专题图件，方便进行信息分析，最大限度地利用现有成果[4-5]。实现了济南地质资料数据系统集成，实现了“大系统、大平台、大数据、大集成”，破除了各单位间数据鸿沟，集成了各单位各类地质信息服务，形成统一、有序、规模的统一信息服务平台。

3 三维城市地质可视化模型构建

该次建模采用Quantyview 3D的基于钻孔和地质信息的快速递进层状三维地质建模方法，基于钻孔的点→线→面→体快速递进，综合融合考虑剖面、断裂等地质信息，通过对剖面间的地层连线进行Kriging插值，形成一系列地层面模型，然后以此为基础构建三维地质框架模型(图2)。在基于钻孔建模速度快、自动化程度高的基础上，提高了钻孔间地层信息的准确度；同时吸取了剖面建模的地层信息不确定性较少和精细程度较高的优点，实现快速三维地质模型构建(图3)[6-21]。

1—山西组；2—太原组图2 三维地质建模在轨道交通中的应用

1—第四系；2—万山组；3—黑山组；4—山西组；5—太原组；6—本溪组；7—奥陶系；8—煤层采空区；9—非煤层采空区图3 三维模型在采空区调查中的应用

为整体揭示济南泉水地质构造特征，重点展示泉水排泄区附近空间地质特征，分别建立济南泉域与重点研究区三维可视化模型，济南泉域模型底边界标高为-500m，重点研究区模型底边界标高为-400m。利用颜色渲染、图案填充展示空间地质结构，揭露地质界面、构造等地质特征，立体展示地层空间形态特征，实现对任一地质块体三维模型的缩放、平移、拾取、纹理、透明等功能展示，也可以逐层剥离上层地质体，揭露浅表层以下地质结构形态，对钻孔模型也可进行三维立体展示、分层属性查询。

4 四维城市地下水动态建模

四维地质建模是三维建模模块的时态拓展。在已建立的地质体三维模型的基础上，以适当的时间步长把地下水动态监测数据，包括空间上的水位变化、水质变化数据逐帧嵌入地质体三维模型中，构成随时间变化的系列“三维地质体+地下水模型”。

采用多元统计分析方法，结合GMS10.0对每个时间节点所获得的全区水位监测数据，进行空间趋势分析和随机模拟，建立地下水水位四维动态模型(图4)，并基于水位四维动态模型进行地下水势和流场分析。

1—断裂；2—水流线迹；3—地形；4—水流方向；5—含水层地质结构图4 地下水水位四维动态模型(基于2017年5月水位数据)

5 结论

(1)系统平台基于大型三维可视化地学信息平台QuantyView开发，系统稳定性高，易于使用，更利于推广应用。系统设计充分考虑了“数字济南”的主要需求，作为济南市空间数据基础设施重要组成部分进行建设，有利于城市地质数据的共享和应用。

(2)基于各类钻孔、地质构造、地质调查和勘查等数据进行地层三维模型构建，有效地解决了地质三维模型自动建模过程中的地层缺失，断层等情况；研制地质三维模型相互间的互剪技术，实现模型的任意形状剪切、开挖分析。

(3)实现地质三维建模并且与地下水(泉水)动态监测数据的耦合，从含水层、隔水层、地下水位、泉水运移路径、动态变化规律等方面出发，建立了面向保泉和轨道交通建设的济南四维城市动态地质信息系统。在该四维动态建模模块上，还需要继续研发并建立地质分析评价模块，并提供各种分析工具和评价模型，使之能在四维地质体模型中，对含水层、隔水层、地下水位、泉水运移路径、动态变化规律等进行分析、评价和预测，获取具有决策支持性质的成果数据。