基于GIS和北斗导航系统的地质信息化平台建设

黄崧 王海洋 余俊挺 冯旭彪 王潇 唐远军 郎欢

摘要：随着国产GIS软件的快速发展，我国在地质空间数据库建设、地质信息共享服务及3S地质信息化系统建设等方面取得了丰硕成果，目前多种基于GIS研发的地质信息化系统已广泛应用于矿产资源勘查、地质灾害监测、环境地质评价、工程地质勘察等领域。伴随着北斗卫星导航系统的日益完善，建立集GIS和北斗导航系统于一体的一体化地质信息化平台，可以为相关政府管理部门和社会公众提供决策依据，有利于实现海量地质资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.

關键词：GIS;北斗导航系统;地质信息化平台

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

中图分类号：P208                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0158-03

1  GIS技术与地质信息化

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种在计算机硬、软件系统支持下，对地球表面空间的地理分布数据进行采集、存储、处理、分析和显示的技术系统。在传统地质行业中，有大量的图纸、图表等地质资料，这些资料都是一系列相互关联的空间数据。利用GIS技术对这些工程地质信息数据进行管理，可以提高工程管理的效率。目前将时间维度融入三维GIS构建四维GIS系统已经成为一种发展趋势，这可以实现对不断变化的地质体特征进行准确、多时相的实时监测。

1.1 GIS在矿产资源勘查中的应用

GIS 作为地质制图的基础系统，能够通过简单的数据调用对矿区中的各种信息数据通过专业的分析模型进行分析运用，再结合实际的勘探需求绘制地质图。通过矿山地质点、线、面、体的勾画，构建三维地理信息系统数据模型，可以直观详细的描述矿山地质中的各种地质现象。运用GIS技术，可以将海量的矿产地质勘探资料分类录入以实现信息的分层统一管理。借助地理信息系统独特的空间分析功能，并结合专家系统，形成对矿山地质的动态管理，保障矿山开采质量和开采安全。

1.2 GIS在地质灾害监测中的应用

GIS具有信息处理和信息自动识别的功能，是地质灾害监测工作的重要技术辅助手段，特别是在泥石流、地面沉降、水土流失等地质灾害中具有预测性的作用。通过GIS技术建立地质灾害重点监控区的综合信息数据库和地质灾害信息系统，迅速获取受灾区的各种信息，以便对破坏性地质灾害的快速响应。

1.3 GIS在地质环境评价中的应用

地质环境评价是对多源地质信息进行综合分析和评价的过程，地学信息处理和分析过程需要大量的的模型计算。传统的地质调查手段已不能满足模拟需求，运用GIS技术可以较好地再现空间地质实体。GIS技术为地质环境评价和地质环境规划管理等工作提供技术保障，如地质环境监测和数据收集、建立基础数据库、建立地质环境污染模型、提供统计数据和报表输出、地质环境质量评价等。目前在环境地质研究中，GIS主要用于评估地质灾害风险、识别水土污染风险、评价城市地质脆弱性等方面。

1.4 GIS在工程地质勘察中的应用

由于工程地质勘察内容的复杂性，传统的勘察技术已经无法满足将属性数据和图形图像数据相结合而开展数据采集与分析工作。GIS技术的应用可以较好地弥补传统勘查方法的缺陷，既能够对于复杂数据进行处理，又能描述复杂的空间实体。运用可视化技术与图形交互技术建立数据库，存储和管理工程地质勘探的试验数据，建立工程地质体三维模型，实时补充更新研究区域的信息并自动显示数据在研究区域内的分布，利用模型反馈发现已有勘察工作中的不足，修改勘察方案，从而针对性的指导下一步工作的实施。

2  北斗卫星导航系统与地质信息化

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我国根据国家安全和经济社会发展需要，建立在无线电定位系统上的高精度空间定位和导航系统。北斗导航系统的优点是能够具备全球性和全天候的持续不断的定时定位能力，主要包括空间卫星、地面监控站和用户设备三部分组成，可以为用户提供高精度的定位导航服务。将卫星定位技术应用到地质信息化建设中，不仅能够保证地质调查工作得以顺利开展同时能提高采集地质数据的精确性。与此同时，对所测定的數据进行详细完整的记录和编号，确保下一步的地理信息系统编图能够更加精准。

3  融合GIS和BDS的地质信息化平台构建

地质信息化平台是基于GIS系统，辅以卫星导航定位数据实现地质调查数据管理、分析应用和共享的一体化解决方案。平台的目标是将各类地质调查成果数字化、成果立体模型化和成果表达多样化，为政府和专业研究人员提供一个多源异构地下空间数据的管理平台和三维可视化决策辅助支持平台。考虑到系统数据的安全性，系统开发采用C/S架构和三维GIS技术，基于Microsoft.net的网络服务平台，将地理信息系统的空间图层数据与相应的地质属性数据结合，生成三维可视化的GIS地质信息化平台。

3.1 地质信息化平台的系统构成及其功能

根据系统建设目标，系统的结构与功能将从总体结构设计和功能分配两个方面进行考虑，确保系统的数据库及软件模块可以在今后应用中得到方便更新和扩展，以减少系统开发工作的总工作量。

数据采集是采集各种地质实体的的数据信息，并通过处理机制分析过滤数据和储存数据的过程。数据采集系统实现了计算机系统和地质实体间的连接，采集现实目标物体的各类数据信息，并存储在计算机系统上，通过统一的数学模型进行数据分析与处理。随着智能化采集系统的发展，使得更快的数据采集速度成为可能。当前更多的智能数据采集设备的使用，诸如无人机，勘探机器人等可以将远程数据上传到云端，在云端读取数据统计后进行统计分析，原来使用人工测量调查模式的逐步被远程数据采集模式所取代。

数据库是基于地理信息系统和数据库技术，按照统一的数据格式标准将地质图件及相关数据存储在计算机内形成的一种数据集合。建立地质数据库需要先将地质图进行数字化，手机整理传统的简编地形图，然后对其进行矢量化、数据编辑、属性数据输入和数据转换与连接等过程后建立空间数据库。在地质数据源的属性表中，会有一个字段可以将这两种数据源在逻辑上关联起来，两种不同形式的表可以交叉查询。

空间分析和处理是基于点、线、面基本地理要素的空间分析，通过空间信息查询与量测、缓冲区分析、叠置分析、网络分析、地统计分析等空间分析方法挖掘出新的信息，从而解决不同应用领域对空间数据处理与输出的需求，使地理实体和空间关系得到简化。各种不同类型的GIS平台中存贮了海量的地理空间数据，且数据量呈现指数级增长的增长趋势，当前迫切需要高效、精确的方法来分析这些数据，找出数据得规律，了解事物的性质与蕴涵的意义，为科学决策提供保障性信息。因此开发数据分析和处理系统进行地质空间数据分析和空间对象模拟就显得尤为重要。GIS的空间分析能力不仅能进行海量空间数据管理、信息查询检索与量测，通过图形操作与数学模拟运算分析出地理空间数据中隐藏的关系，挖掘出对科学决策具有指导意义的信息，从而解决复杂的地学应用问题。通常GIS环境下的空间分析方法包括确定性空间分析、探索性空间数据分析、时空数据分析、专业模型集成分析、智能化的空间分析和可视化空间分析。

地质信息化平台可以将分析处理后的数据通过符号化归类展示出来，通过三维符号能够把具有共同特征的点、线和面对象等快速构建出来。采用二三维一体化的符号库，三维符号样式同样可以在二维中以快照图片的方式显示出来，从而大大节省了构建场景的费用和时间，提高了场景构建效率。此外，地质专题图对于决策和分析也具有很大的价值，在三维场景中可以快速创建跟二维一样的专题图，可以让使用者直观快速的了解区域内的地质信息。目前基于传统三维GIS的四维地质信息化应用可以在长时间序列里得到持续的地质信息数据，为未来的地质信息化应用开拓了广泛的应用场景。

GIS经历了从单机环境应用向网络环境应用发展的过程，网络环境GIS应用从局域网内客户结构的应用向Internet环境下的浏览器结构的WebGIS模式发展。相对于C/S结构而言，WebGIS具有部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特别，为地理信息服务的发展奠定了基础。云计算的兴起为GIS带来了新的发展机遇，云GIS便是GIS与云计算结合的成果。云GIS通过时空原则进行优化的云计算模式，使分布式计算环境中的地理空间科学发现成为可能。云GIS技术将地理信息系统平台和地理空间信息数据便捷、高效地部署到以云计算为支撑的基础设施之上，以按需获取的方式提供最广泛的基于Web的服务。

3.2 地质信息化平台架构设计

在系统的总体结构上，通常采用三层模型的结构，按数据服务层、应用逻辑层、表现层等层次构建系统。软件设计与实现上则采用面向对象的方法，把软件对象和逻辑相关的软件对象构成的应用组件作为基础，利用系统分析与设计构造视图进行编程和组织。

表现层是系统平台的最外层，主要用于显示数据和接收用户输入的数据，可以提供给用户一种交互式操作的界面，通过可视化的用户界面展示数据。在这个信息系统中，表示层作为用户的地图表现界面，文本、图像等信息通过浏览器提供，系统的服务器端负责处理用户通过客户端发出的各种数据请求。

应用逻辑层是系统架构中最为核心的部分，其关键技术就在于规则的制定、流程的实现和业务需求方面的系统设计。应用逻辑层通过特定的过程和规则应用相关数据来实现客户通过表示层发出的请求。逻辑层处于数据访问层与表示层中间位置，起到了数据交换中承上启下的作用。通过这样的处理，GIS系统在功能表现上实现了最大的灵活性和稳定性。

数据层也称为是持久层，其功能主要是负责数据库的访问，可以访问数据库系统、二进制文件、文本文档。数据层使用空间数据引擎操纵组件和元数据组件来实现空间数据的集中管理，同时使用关系型数据库，该数据库同时可作为空间数据引擎的宿主数据库，来实现数据的存储，并集中管理这些数据，保障公共基础空间数据库属性数据的完整性。

服务器是应用数据组织管理与发布共享的中心，根据具体应用环境中数据提供方式的不同，可以由分布式文件服务器、空间数据库、数据库服务器、地理信息系统服务器、互联网服务器、流媒体转发服务器等提供不同数据类型的服务器构成。服务器端根据数据类型的不同及数据量的大小，从地学浏览器端展示效果实现数据共享与发布。

4  结束语

由于地质信息种类多样化、各类地质数据又呈海量化发展趋势，利用现代信息技术建立地质信息化平台具有积极意义。当前，以云计算、大数据、物联网等新一代信息技术已成为引领社会经济发展的主导力量，地质信息化正在进入全面融合、跨界合并、创新加快的新时代。与此同时这些技术同样在地质调查信息化与信息服务工作中产生了重要影响。除了强调数据共享外，在这些新兴技术的支撑下，地质信息化平台等信息化资源实现共享共用已是大势所趋。

参考文献：

[1]徐岩岩.GIS支持下的地质灾害防治信息平台建设[J].国土与自然资源研究，2016（1）.

[2]张维宽，安华育，赵海霞.基于GIS的数字地质测绘管理系统设计与实现[J].电子设计工程，2016，24（21）：153-155.

[3]陈桂忠.三维城市地质信息系统建设——以厦门为例[J].环境科学前沿：中英文版，2014（2）：52-59.

[4]顾丽影，花卫华，李三凤.三维城市地质信息平台[J].地质学刊，2012，36（3）：285-290.