济南泉域四维环境可视化平台数据库建设研究

马瑜宏

(山东省地质调查院，山东 济南 250014)

1 研究背景

建设和谐宜居、富有活力、各具特色的现代化城市，迫切需要加强城市地质工作。多维度城市地质信息系统的建设，可以为实现城市有序建设、适度开发提供有效的解决方案。

针对济南市亟待研究解决的城市地下空间有效利用与保泉供水、地质灾害防治之间的矛盾，山东省地质调查院于2009年开始实施“济南城市地质调查”项目，建立了济南市三维可视化城市地质数据管理和服务系统，但其三维建模区未完全覆盖轨道交通规划范围，且自2013年后该系统未继续更新相关数据，因此该三维城市地质信息系统已不能完全对接当前的轨道交通管理平台。

为打造精准对接轨道交通建设相关问题的地质环境数字化平台，2018年，山东省地质调查院与济南轨道交通集团有限公司合作，决定建立济南泉域四维环境可视化平台。该平台在原有三维平台基础上纳入更多专业数据，通过建模技术革新和在监测平台增加时间维度等，可以为城市地下空间开发利用提供更全面的信息化技术支持。

系统数据库是整个系统运行的基础[1]，其建设情况是决定平台建设成功与否的关键所在[2-3]。因此，针对广泛、多样、海量的城市地质数据，如何对其梳理、标准化并规范入库，是平台建设的关键，也是平台后续维护、更新的保障。

2 数据源分析与处理

该次建库所用数据要求相关基础资料必须完整、齐全。入库数据包括钻孔、地下水位统测、水位动态观测、抽水试验、泉点、地理信息测绘、地下管线、地下水监测、BIM模型等数据。

2.1 统一坐标系与高程基准

开展数据库建设之前，需要确定统一的坐标系和高程基准，所有入库的数据都必须统一转换到标准坐标系和对应的高程基准。该次数据库建设统一采用2000国家大地坐标系，1985国家高程基准。

2.2 划分数据库层次

系统涉及的数据来源广、类型多、数据量大、关系复杂，要想有效地存储、管理和使用这些数据，就必须按一定方式进行分类。根据数据专业类型的不同，在横向上把这些数据划分为基础地质、工程地质、环境地质、水文地质、地球化学等专题数据库；按照使用方式和作用不同，在纵向上将这些数据划分为原始数据、基础数据、模型数据和成果数据，整个数据库各层次数据之间的关系如图1所示。

图1 数据库各层次关系图

3 数据库建设流程与方法

3.1 数据库开发运行环境

数据库的建设和运行以济南泉域四维环境可视化信息系统为平台，该平台系以MapGIS 10为基础研究开发。MapGIS 10是我国自主知识产权的新一代面向服务的地质专业信息应用平台，能够满足主流IT技术的无缝连接和嵌入，具有强大的空间数据管理、集成与分析评价的能力，在国内的三维建模中应用广泛。数据管理主要用到MapGIS 10的数据中心和大型关系型数据库Oracle 10g。

3.2 建库技术标准

建库主要参考标准有《城市环境地质调查数据库建设指南》(中国地质调查局，2006年)《地质图空间数据库工作指南2.0》(中国地质调查局)《城市环境地质数据库与成果三维可视化信息系统建设要求(征求意见稿)》(中国地质调查局，2006年)《DD2015-04城市地质调查数据库结构规范》(中国地质调查局)《重要经济区和城市群地质环境调查数据库建设指南》《地质数据质量检查与评价》。

3.3 数据库建设流程

该系统数据库建设主要在研究城市地质调查相关标准的基础上，对收集或调查得到的地质资料进行数字化和规范化处理，然后借助地学数据管理与维护平台的建库工具进行数据入库，最终形成济南泉域四维地质环境数据库，数据建库流程图如图2所示。

图2 数据建库流程图

3.4 数据规范化处理

规范化之前需要将搜集到的纸质原始资料数字化，对于已经数字化的资料视情况进行简单分类整理，以便于后续的规范化处理和入库工作。这一层次的数据作为系统最原始资料保存，除非存在明确的错误，一般不允许更改。

参与建库的资料来源广泛且格式多样，不易于整合应用。而通过规范化后再入库的数据，具有格式统一、完整同步性等特性，是系统进行数据控制的最佳选择[4-6]。规范化内容主要包括钻孔数据标准化、地理坐标的统一、信息分类与编码标准化和数据格式标准化等。规范化工作需要借助MapGIS,Excel,Section等工具软件并结合建库人员专业知识和经验完成。数据规范化必须按照相关的国家标准、行业标准等对数字化后的资料进行编辑处理。

钻孔数据标准化是数据规范化处理的主要内容。针对不同的工作精度、不同的建设用途、不同建模深度、不同范围、不同地质时代，按照统一的分类命名规则和钻孔概化规则对全部钻孔进行概化处理[7]，建立标准化钻孔数据库，并采用关系型数据库Oracle进行存储。地层标准化时，需专业人员整理钻孔原始分层数据、研究其他资料、地质专业知识，制作标准地层分层表(表1)，并根据工作目的合并概化部分地层，减少曲面交互建模的工作量[8]。

表1 标准地层分级(部分)

3.5 基础数据入库

3.5.1 属性数据入库

纸质资料数据可通过系统直接录入或Excel表录入后再在系统里导入；电子数据如Access，SQL server，Oracle，Excel等格式的数据，通过系统的数据导入功能入库；其他软件格式的数据通过系统的数据转换功能入库。

3.5.2 空间数据入库

空间数据按类型可以划分为栅格数据(如遥感影像)和矢量数据(如地理底图)，电子化后的图件数据利用系统的空间数据导入功能或格式转换工具导入空间数据库。

3.6 三维模型数据库的建立

三维地质建模是一门运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化来对地层及其环境进行真三维再现和可视化交互的科学与技术[9]。建立高精度城市三维地质模型，可直观清晰地展现城市地下地质对象的空间特征与关联关系、从而减少对地质问题认识的盲目性及城市规划、工程设计、施工面临的风险，为城市规划、建设与管理提供重要支撑[10-14]。

该项目三维地质模型采用基于交叉剖面数据构建。工作区共生成55条剖面，建模区域内的多条交叉剖面把空间分割为许多个单元格，项目人员建模的最小区域就是一个个单元格。将每个单元格内的一系列闭合轮廓线建立曲面片，从而确定该单元格内地质体的空间分布形态，在完成一个个单元格地质块的基础上，对每个单元格的地质块进行合并，最终形成完整的地质体模型。地表以下地质体的走势应参照地质图的实际产状，并考虑地层的正确叠覆关系及断层关系构建[15-19]。三维地质模型建设过程中，按一定的流程开展。

3.6.1 标准剖面的绘制

地质剖面图控制三维地质模型中主要地质体、地质构造在垂向上的空间分布形态，因此标准地质剖面图是构建三维地质模型工作的重要环节。其绘制过程为：先用MapGIS提供的剖面图绘制功能，自动根据标准化后的钻孔和济南地质图绘制出地质剖面，然后由人工依据地质专业知识手动修正剖面。

为保证地质剖面图的准确性、合理性，在绘制时需考虑各种地质条件对剖面的约束(表2)。

在剖面成区挂属性过程中，有以下几点需要特别注意:

(1)成区线需导入ArcGIS进行概化和增密处理，方便后期单元格处理。

(2)生成剖面的时候左右两边的边界区一定要保留，建体前的平差工作需要用到。

(3)线拓扑造区后应进行拓扑查错，删除因伪节点造成的重复点。

表2 地质条件对剖面的约束

(4)属性检查，如地层编码项有空值，用格式刷或复制label点的方式将属性补充完整。

(5)不是交叉钻孔但是利用了分层信息的钻孔，可以将这些钻孔的地层区保留，最后和交叉钻孔的地层区一起提取label点再进行归并，这种属性挂接方式更快捷，也避免属性空值的产生。

剖面造区、属性检查无误后，将所有剖面导入进行交叉剖面检查，主要进行属性、层厚和层界一致性检查，出现问题一般是两条剖面在交叉钻孔线的地层厚度不一致引起，可将错误修改完后再进行检查，确认完全没有错误后方可生成单元格，剖面图成果如图3所示。

图3 剖面图成果示意图

3.6.2 单元格建模

通过绘制剖面，将整个工作区分割成383个单元格，完成单元格建模，然后将所有单元格的地质块进行合并，最后形成完整的地质体模型。这种先分区再拼接的建模方式不仅方便观察，也利于分工合作构建完成大数据量的复杂模型。

成体的时候地表面是用DEM约束形成的面，控制地表的起伏，所以表面成区的时候需要画一些线对地表面进行分割，因为地表分多种类型，不是一个地类编码。

4 数据质量检查

数据质量是衡量数据库建设成果的重要指标。为保证数据的正确性和有效性，确保数据库质量，应严格执行数据库建设标准，在数据库建设的每一个环节都要进行数据质量检查。检查方式采用人工检查和程序检查相结合。

在进行数据的规范化处理和数据录入过程中，应分阶段针对录入结果进行自检、互检和抽检，如发现错误须要及时修正并进行复查。针对可以进行逻辑查错的数据如钻孔分层信息等，可以利用系统提供的数据检查和统计工具进行逻辑检查，用户根据操作日志中的错误信息进行数据修改。

5 结语

该文采用多源数据融合处理和人机交互的模式建立四维空间数据库，可为同类工作提供借鉴。钻孔数据是地质建模的主要来源，钻孔标准化分层的质量直接影响后期四维地质建模的精度，应根据区域地质分布制定标准钻孔分层。后续如有新收集的钻孔资料，应对已建立的四维地质模型进行调整，以提高建模精度，更好地为系统平台的分析与评价服务。