福州市工程地质数据库建设相关技术问题研究

田其煌

(福州市勘测院 福建福州 350108)

0 引言

随着“数字城市”建设和应用的深入，以工程地质数据库为主要内容的地下空间信息已经成为“数字城市”建设必不可少的重要内容。目前，福州市已建成包含地形、影像、地面三维、地址编码、城市部件、地下管线等多要素的空间信息共享服务平台[1]，但地质数据库建设进展较为缓慢，成为制约空间信息综合共享服务平台的短板和痛点，需加快工程地质数据库建设。本文在总结前期建设经验基础上，就福州市工程地质数据库建设及应用系统建设的几个关键技术问题开展研究，为建成福州市工程地质数据库提供技术支撑，为地质数据库系统建设提供良好的技术支持。

1 建设规模、技术指标与总体架构

城市工程地质数据库建设的主要目的是，整合城市勘测单位工程勘察数据资源，为城市规划、工程建设、政府决策时迅速获取工程地质数据提供技术保障。城市勘测单位掌握着城市规划区范围内大量的城市基础地理信息数据、市政及房屋建筑勘察成果，有地质、GIS开发专业人才队伍，建设城市工程地质数据库具有天然优势，也有责任建设好城市工程地质数据库。

1.1 数据库建设范围

界定数据库建设范围的目的，在于分析建设范围内的地质地形地貌特点，研究适用于该建设范围内的工程勘察岩土层序列划分标准，建立区域标准地层。地质数据库建设的范围，主要考虑数据库建设单位拥有的工程地质数据覆盖范围，并根据城市规划城市空间拓展需要应覆盖今后一定时期内的城市建设热点区域。

勘测单位近年来承担的项目分布主要于鼓楼、台江、仓山、晋安、马尾等5个老城区，但近年来高新区、长乐区开发建设强度明显加快，特别是福州滨海新区建设提速明显，是今后一段时期内福州重点开发区域。因此，福州市工程地质数据库建设范围应涵盖福州六城区及高新区，建设面积约1700km2。

1.2 数据库建设关键技术指标

着眼于数据库建设目的，工程地质数据库建成后应能快速实现工程地质数据录入、查询使用，实现自动化、可交互的工程地质评价及三维地质建模功能，数据库建设关键技术指标如下：

(1)地质数据库平台

要求提供完整、易用、先进的工程勘察各类数据入库、数据检查、数据查询、标准化处理、专题图显示与查询、地质数据分析处理等功能。

要求通过安全设置，系统管理员可以在管理后台配置账户的具体权限，对用户使用功能和数据权限进行控制。

(2)移动端APP

要求开发工程地质数据库查询移动端APP。APP支持Android和IOS两种操作系统，在不同操作系统中的APP具有同样的功能和性能。

要求移动端APP定位功能稳定准确，可实时查看钻孔与各类地质专题图。

(3)数据接口

要求数据入库模块可对接理正等主流勘察软件，数据库数据文件可导出常用格式的数据文件。

要求数据库可录入、下载各种常用格式的勘察文档文件数据。

(4)勘察地质三维及BIM

要求系统实现三维地质自动化建模功能，能够提供地质BIM建模，模型可交互操作并挂接地质属性。

1.3 数据库总体架构

福州市工程地质数据库建设，坚持实用性、易用性、高效性、标准化及可维护性原则。

福州市工程地质数据库拟采用B/S架构，整体架构由数据层、业务层、展现层及安全体系构成。

(1)数据层

服务器数据库接入勘察数据、勘察资料文档数据、地质专题图数据等多源数据，并可接入百度地图、天地图等第三方提供的API。后台数据库采用主流数据库，具有较高的可靠性、可扩展性和性能。

(2)业务层

通过接口封装以及ASP.NET MVC框架控制业务逻辑，对接数据接口，整合业务平台，以满足前后台业务系统需求。

(3)展现层

实现该项目业务需求，通过平台无缝接入浏览器及移动端APP来展示。

(4)安全体系

安全体系通过终端安全、传输安全、应用安全来保障整个架构的安全，有效发挥数据隔离的安全作用。

2 福州市标准地层及地层标准化设计

2.1 福州市标准地层编制

科学、规范地进行工程勘察岩土层序列的划分，建立数据库建设范围内统一的岩土层代码以及岩土地层的标准化划分，是本次工程地质数据库建设的一个重点和难点。

工程勘察岩土层序列划分，应在充分分析已有原始工程资料的基础上，综合考虑地层形成适当、成因类型、岩性及土层性状、标志层与包含物等因素[2]。朱本清[3]、郑荣章[4]等对福州第四纪地层划分进行过研究，研究结论对福州主要地层层序划分有一定指导意义，但实践中发现福州地层交错复杂，其结论未能覆盖福州所有第四纪地层信息。根据前期多轮研究与实践，福州市标准地层拟采用“主层-亚层-次亚层”3个层级进行划分。其中，土层、岩层各层级划分标准依据不同的规则进行。

2.1.1土层划分

土层主层序号根据地层形成的地质年代的新老次序进行编排，形成地质年代早的岩土层层序在下，形成地质年代晚的在上。参照福建省工程建设地方标准《岩土工程勘察规范》[5]，结合福州市区地层特点，主层分为长乐组上段、长乐组下段、东山组、龙海组上段、龙海组下段、同安组及坡残积土共7个主层。

土层亚层主要根据土层物理力学性质划分为填土、碎石土、砂土、黏性土、软土、坡积土、残积土等地层。

次亚层根据常用土工定名在亚层基础上细分。如砂土细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂，黏性土细分为黏土、粉质黏土、砂质黏土等次亚层。

2.1.2岩层划分

福州市标准地层划分时，岩层单独作为一个主层。

岩层次亚层划分按基岩的成因时代、风化程度、岩性或岩石类型等特征划分层序[2]。考虑到福州市区揭示的基岩以岩浆岩为主，基本上为硬质岩；另外从工程运用的角度来看，福州市区基岩风化程度对岩层性状、力学参数的影响远大于基岩成因时代及岩性。因此，建议岩层亚层序列建议按风化程度划分，划分为全风化、砂土状强风化、碎块状强风化、中风化、微风化。

次亚层划分主要依据岩性进行。根据福州地区揭示的主要岩性有花岗岩、花岗斑岩、凝灰熔岩、辉绿岩等，如中风化岩亚层可细分为中风化花岗岩、中风化花岗斑岩、中风化凝灰熔岩、中风化辉绿岩等次亚层。

按以上划分方法，福州市标准地层共划分为8个主层，29个亚层，125个次亚层。

2.2 地层标准化技术设计

2.2.1地层标准化划分方法

地层标准化的重点，是使数据库建设范围内的钻孔各岩土层均能套用统一的地层代码，并且使地层标准化后邻近项目钻孔地层代码保持连续性。

因福州市区地层结构复杂，存在多个砂层、软土层、黏性土层互相交错出现，同一类定名的岩土层根据地质年代的不同可能存在多个地层代码，给地层标准化工作造成较大困扰。地层标准化初期，应优先选择能控制数据库建设范围内的大型线路工程勘察数据，建立若干条纵向、横向、环形的可以控制福州主要区域的标准地层骨干断面。骨干断面建立后，其他工程项目地层参照骨干断面可较为方便地进行标准地层划分工作。近年来，城市轨道交通、城市道路环线等大型市政项目勘察资料，为标准地层骨干断面构建提供了很好的基础数据来源。

地层标准化划分时，主层层号应严格按找从上到下的顺序排列，不允许出现主层层序颠倒；亚层、次亚层层号允许在同一主层内根据实际揭示地层情况交错排列。

2.2.2系统地层标准化模块设计

由于收集上来的工程勘察数据存在多源异构的情况，缺少统一的标准地层标识，往往导致入库的数据不能进行跨工程、跨区域的统计分析应用，传统地质数据库在入库阶段就要进行地层归一化处理[6]，这需要先行整理统计出整个区域性的标准地层标识，且一旦标准地层需要更改，就要花大量工作去更改已标准化处理的数据，重复工作量巨大。

本次系统提出采用基础库与标准库并存的技术方案，即将原始数据录入到基础数据库中，保留所有原始记录；录入区域性的标准地层标识，从基础库中挑选重要控制性钻孔，将钻孔分层与标准地层做映射处理，形成钻孔标准数据并录入标准库中。由于系统使用关系型数据库来存储数据，标准地层的改变不影响钻孔分层与标准地层之间的映射关系，使用人员可同步进行基础库入库与标准库对比工作，达到数据库易于维护的目的，实现高效率的协同工作。

3 云服务器、WebGIS、BIM等新技术的融合应用

福州市工程地质数据库建设，应在传统地质、GIS、数据库融合应用基础上，紧跟互联网+应用热潮，积极采用云计算服务、WebGIS、BIM等当前热点技术。

3.1 采用云服务器的B/S架构

B/S即浏览器/服务器架构，是目前应用系统的主要发展方向，其主要特点是分布性强、维护方便、开发简单且共享性强。B/S架构将极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，主要事务逻辑在服务器端(Server)实现，形成3层(3-tier)结构。这样使得客户端电脑负荷大大简化(因此被称为瘦客户端)，减轻了系统维护、升级的支出成本，降低了用户的总体成本(TCO)[7]。

云计算服务器(又称云服务器(ECS))，是一种简单高效、安全可靠、处理能力可弹性伸缩的计算服务，是云计算服务的重要组成部分，是面向各类互联网用户提供综合业务能力的服务平台[8]。云计算服务器平台有效地解决了传统物理服务器与VPS服务中存在的管理难度大、业务扩展性弱的缺陷。

地质数据库系统拟采用国内主流云平台服务,将数据文件存储共享、工程勘察数据查询管理、数据统计分析应用等业务逻辑都放在服务器后端实现；同时云服务提供多重安全保护与数据备份措施,保证数据安全保密性。在这种结构下，系统用户只需通过W3浏览器进入工作界面，无需安装繁琐的工具软件,达到“低成本,高效率”的目的。

3.2 基于WebGIS技术的移动端APP的开发

WebGIS是一个开放系统，注重数据共享、软件重用、跨平台运行和易于集成等，能够共享多种来源、多级尺度、存放在不同地点的地理数据；能够通过对象管理、中件和插件等技术手段与非GIS系统集成；并能够通过Java、CORBA、DCOM等技术跨平台协作运行，支持多用户终端/服务器模式等[9]。将GIS软件与Web服务器集成，用户可通过客户端、网页端和移动端在任何地方操纵网络GIS，享用地理空间信息服务。

地质数据库系统拟利用WebGIS技术开发WEB应用端及查询移动端APP。系统将工程、钻孔、区域地质专题图转换到统一坐标系下,以图层服务的形式发布给用户查询浏览。通过手机APP，使用者即可以根据手机定位信息，快速便捷地获取定位点附近的区域地质情况、钻孔地层情况等信息。

3.3 基于钻孔的地质BIM建模技术

该技术创新性地使用了Autodesk公司的Revit软件作为BIM应用平台，采用地质数据库中标准化的钻孔数据作为建模原始数据, 基于Revit API来实现地质分层与建模的业务功能[10]。该技术方案首先从地质数据库中提取相应钻孔标准地层信息，利用合理的虚拟和插值方法弥补源数据不足，根据实测和虚拟的钻孔采用Delaunay三角剖分算法和地质学知识划分地层，然后关联各层所属的钻孔钻层，最后选取插值算法形成一定粒度的地层模型，进而组成整个地质体BIM模型。

地质BIM模型的每个图元都附带有详细的属性信息，可以在岩土工程中很方便地模拟基坑及隧道开挖过程，统计开挖土方量，计算区域地层统计参数，方便设计人员对方案进行下一步的设计优化工作。

4 结语

目前，福州市工程地质数据库建设已进入实施部署阶段，上述数据库建设规模与技术要求、福州市标准地层、新技术应用等领域的研究结论，有效指导了福州市工程地质数据库建设标准及建设技术路线的编制与实施，为地质数据库系统建设提供了良好的技术支持，确保了数据库建设的先进性、实用性和可拓展性。福州市工程地质数据库项目的顺利实施，也反过来验证了地质数据库相关技术研究成果的可行性、先进性和有效性。