福建城市地质三维信息通用系统构建

黄 姮

(福建省地质测绘院，福州，350011)

从2003年起，我国北京、上海、天津、杭州等大城市先后开展了城市地质调查试点工作，调查的相关成果在城市规划和建设中发挥重要作用，为全国城市地质调查工作起了较好的示范作用[1-4]。在中国地调局支持下，2008～2015年福建省相继启动九地(市)级城市地质调查，至2019年已完成厦门、福州、泉州、莆田、平潭、宁德、漳州、南平的城市地质调查工作。福建城市地质调查工作充分利用原有水工环基础地质调查成果，并在其基础上根据各地实际实施专项调查与专题研究，取得了一系列重要调查成果，部分成果已成功应用到项目规划和城市建设中，成效显著[5-6]。为有效实现全省统筹与数据互通共享，福建省地质矿产勘查开发局提出“1+N”的建设思路，其中“1”指的是建设一个全省统一的城市地质三维信息通用系统，满足全省城市地质调查信息化工作的基础需求；“N”则是根据各地市在城市地质调查过程中信息管理的实际数据情况、地质情况和城市地质调查中的研究专题需求，在通用系统基础上进行特色功能定制，以充分满足各地市的地质信息化工作实际需要。笔者主要探讨利用现代的计算机网络、数据库、地理信息系统及三维可视化等先进技术，以MapGIS K9为基础平台，构建福建省城市地质三维信息通用系统(以下简称“通用系统”)的总体建设思路、总体设计及各功能模块的实现。

1 总体建设思路

1.1 制定基于数据中心的统一数据标准

城市地质数据包含多专业地学信息及成果，具有多源、海量、异构、类型复杂等特点。为实现城市地质调查数据的统一汇聚、互联共通，服务各级政府管理部门，乃至社会公众,需要制定一套适合于福建省地质信息化的统一数据标准，对地质调查数据从生产汇交到共享应用进行全过程的规范化和标准化。统一数据标准主要为数据库标准、符号库标准、地层标准和空间参考标准。

1.1.1 数据库标准

地质数据库标准是整个数据库建设的前提和条件,是数据库建设的基础。其包括数据库表结构、数据树结构、数据分层、数据格式、信息分类与编码等内容。以城市地质调查数据库相关规范[7-8]作为福建省城市地质综合数据库标准的基础，同时结合福建省城市地质数据的实际情况，对基础数据表加以扩充，新增8个描述原始数据空间参考及编号的字段(表1)，用于进行统一坐标系统转换。

表1 基础数据表的新增字段

1.1.2 空间参考标准

通过对收集的资料数据进行分析，福建各地(市)原始地质资料数据存在坐标系统不一致、投影中央子午线不标准等情况(表2)。为实现共享数据在空间上的配准、拼接和使用，统一空间参考为1980西安坐标系、1985国家高程基准、3度分带高斯-克吕格平面投影，投影中央子午线为117°或120°。

表2 平潭、宁德、漳州原始工程地质数据坐标系情况

1.1.3 地质图图式符号库标准

参考“综合工程地质图图例及色标”标准[9],建立一套包括岩体类型、土体类型、特殊岩土体类型、岩土体类型4大类142个符号的标准综合工程地质图图例。

1.1.4 岩土体地层分层标准

为了综合研究厘定各地(市)岩土体标准地层分层方案，按照“时代-成因-岩性”划分各区域的地质层序[10-11]，并赋予地层序号与代码，确立地层划分标准，作为各地(市)钻孔分层标准化处理的依据。漳州城市标准地层划分为43个一级类目，140个二级类目。如平潭城市标准地层划分为29个大类，77个小类。

1.2 构建基于共性需求的通用功能模块

(1)针对地质资料数据存在格式不一致的现象，系统提供多种空间数据格式的兼容和转换功能来保证数据建库格式的统一，如支持MapGIS、DXF、SHP等不同空间格式之间的转换功能。

(2)面对大量的原始资料数据录入，系统提供异构地质数据录入与批量导入，支持Access、Oracle等主流数据库和Excel格式属性数据之间的互导；针对结构化数据库，系统提供初始化数据库的工具，能迅速、准确地创建数据表结构。

(3)历史钻孔电子化数据存在各地、各时期录入软件平台不同，数据表结构差异等情况，针对理正软件的电子化数据，可直接使用数据导入功能导入数据库后再行处理；针对华宁岩土工勘软件的电子化数据(如漳州)，系统开发转换工具进行数据解析后再入库处理。

2 系统总体设计

图1 系统总体框架图Fig.1 System general frame diagram

通用系统总体框架图(图1)。为满足不同类型用户应用需要，系统采用C/S和B/S的混合体系结构，其中辅助决策子系统、社会化服务子系统采用B/S三层体系结构。该系统可以直接统一部署在省级层面，各地(市)通过系统后台按照指定模式进行统一的数据发布，形成省、市两级节点。数据录入、管理与维护、分析评价、三维建模、三维展示等子系统则采用C/S两层体系结构。该系统部署于各级终端客户机上时，市级用户可以在客户端对数据进行查询浏览、三维模型构建与分析等。

3 城市地质综合数据库建设

城市地质综合数据库是构成各城市地质信息化平台建设的核心数据，包括钻孔数据库、基础地理-地质数据库、城市地质调查成果数据库、三维地质模型库、地质文档数据库等。涉及到的资料类型繁多，各地市的数据各异。为了全省城市地质成果互联互通共享，有必要统一规范建库技术流程，为后续各地市的城市地质数据建库工作提供指导依据(图2)。

图2 城市地质数据库建设技术流程图Fig.2 Urban geological database construction technology flowchart

(1)将纸质原始勘察资料通过扫描矢量化或编辑录入等方式数字化，对于已经数字化的资料则视情况进行简单分类整理，以便进行之后的规范化处理等操作。

(2)按照统一的数据库标准[7-8]及该系统建设标准，对城市地质调查成果进行数据综合、编辑整理、数据标准化、格式转换、概括等数据的规范化处理。

(3)依据钻孔、剖面、地质图等资料分析与标准化基础，按地质构造分区，综合构建城市地下三维地质结构模型，再通过地质图式渲染和三维可视化分析手段进行表达。

(4)将规范化处理后的各类空间数据、属性数据、数字化后的原始资料、地质图等矢量图形数据通过系统提供的入库工具分类导入城市地质数据库。

(5)导入城市地质数据库所涉及地质空间地理坐标必须进行统一的“地理空间坐标系投影”转换计算处理，以保证各类空间数据精准叠加藕合。

4 系统功能设计与实现

4.1 数据录入子系统

数据录入子系统作为数据统一入口，保证入库数据内容的一致性和质量。子系统结合福建的工作实际，基于“重要经济区和城市群地质环境调查数据录入子系统”[8]，补充开发数据对接工具(图3)，增加资料预处理中地理坐标系转换功能。通过坐标转换实现坐标系的统一以及统一编号的自动生成。根据原始投影坐标(或原始大地坐标)以及相关的投影参数，实现原始坐标的正反算及不同椭球体的坐标四参数模拟转换。通过提取钻孔基本信息表的统一坐标信息，生成“主关键”统一编号，并同部分字段一起写入调查点基础数据表，根据数据表之间的映射关系(通过xml记录)将数据导入城市群数据库中，最后对钻孔基本信息表(主表)与各子表通过钻孔索引编码进行统一编号(主关键)更新，实现数据的批量导入。子系统支持城市地质野外综合调查6大类数据导入、导出、汇总统计、编辑、查询、备份、汇交输出等功能。

图3 坐标转换与统一编号Fig.3 Coordinate transformation and uniform numbering

4.2 数据管理与维护子系统

福建省城市地质调查信息数据包含空间数据要素9大类和非空间数据实体9大类[8]，具有专业广、来源多、结构不一、不同年代地质勘察资料的特征。

数据管理与维护子系统主要实现对基础地理、基础地质、钻孔数据、城市地质调查与专题研究成果图件、地质勘察技术文档等各类资料的数据库管理维护及操作监测，子系统功能结构图(图4)。

数据配置、扩展与更新模块采用控制表映射和界面自动生成等先进技术，灵活实现地质专业内容的扩展与增量更新；地质分层标准化管理模块开发勘察场地分层代码标准化工具、单孔标准化工具及钻孔批量标准化工具，实现自动提取原始钻孔分层数据，辅助专业人员快速进行钻孔信息标准化处理；数据建库模块可以根据数据类型自动创建相应类型数据库、自动完成专业相关表配置及数据的逻辑检查等一系列操作，降低非地质专业人员数据入库的难度，提高工作效率和成果准确性。

图4 数据管理与维护子系统功能结构图Fig.4 Structure diagram of data management and Maintenance subsystem funtion

4.3 分析评价子系统

利用数据中心技术、可视化成图技术，以城市地质数据仓库的基础构建分析评价子系统。该子系统包括地质成图、查询统计、三维模型分析应用、评价模型管理等4个功能模块(图5)。该子系统提供方便灵活的多要素地质专题图生成与编辑工具和可扩展多专业的评价分析工具实现钻孔柱状图和剖面图、各类地层等值线生成和钻孔辅助分层等地质分析功能，以及工程地质、水文地质、地球化学等专业分析与评价应用功能。针对地质调查评价工作的内容，该子系统提供可定义、可扩展的多专业评价模型定义、管理工具，如地下空间适宜性评价模型，能够辅助地质调查专业人员将调查评价的成果以直观、形象的图形图像方式和多模式的三维模型可视化呈现。在建立评价模型时，结合空间分析，子系统可以根据相应的评价模型和评价方法，自动生成如评价分区图等评价结果[12]。该子系统还提供聚类分析、相关分析、趋势面分析、回归分析、因子分析等数理统计分析功能，实现对文本数据或数据库中数据的数理统计分析。

图5 评价模型管理Fig.5 Evaluation model management

4.4 三维建模子系统

三维建模子系统实现三维模型树目录管理功能、三维地质结构建模和三维地质参数模拟功能。用户在项目实施过程中可以根据不同专业数据情况选择相应的三维建模功能，建立有关专业的三维地质模型和属性模型，模拟地下地质体三维空间形态及其组合关系。如基于地理数据、遥感影像数据、地形等高线DEM数据进行地表地形建模，实现通过指定高程值或者高程面与其他数据在三维场景中一体化显示。根据地质调查过程中产生的地质钻孔、地质剖面、高程点、基岩埋深等值线、基岩出露区、基岩出露区等高线等多源地质数据实际情况以及建模精度要求，选择钻孔全自动建模、基于地层分区图建模、复杂地质体半自动交互建模[13]等方式进行工程地质、水文地质、第四系地质等模型构建，各建模方式都有优缺点(表3)，以实现对地下空间复杂结构与关系的分析，虚拟再现地质活动过程。如在城市地质地下三维构建中，漳州市采用基于地层分区的地质图建模方式，平潭、宁德采用基于剖面的复杂地质体半自动交互建模方式。

4.5 三维展示子系统

该子系统基于MapGIS TDE平台基础开发，包括三维场景设置、交互，三维模型通用拾取、切割、爆炸显示以及三维曲面模型动态演示等功能(图6)，实现对建模成果包括地形、地上人工构建筑物、三维地质模型、断层及地下空间分布等在球面或平面模式的三维场景中的综合展示。该子系统满足城市全维度空间表达的需求，同时还提供了查询分析处理功能，便于用户直观方便地在三维场景中操作三维模型，对三维模型进行分析应用。

表3 4种建模方式所需数据及优缺点比较

图6 三维模型剖切效果Fig.6 Cutting effect of 3D model

4.6 辅助决策子系统

辅助决策子系统基于Web的城市地质信息共享与服务内容、模式和信息存储、管理、发布、查询、后台维护实现技术，实现多样化地图服务，丰富了数据查询和决策咨询、三维地质模型展示与分析(图7)、地质资料的汇交与查询等功能模块。通过B/S模式利用政府专网为各级政府管理机构提供地质数据支撑和决策咨询[14]。

图7 三维地质模型展示与分析Fig.7 3D geological model display and analysis

4.7 社会化服务平台

社会化服务平台采用B/S 架构模式，基于Web Service搭建地质信息服务网站作为统一的门户(图8)，为各级政府、企事业单位和社会公众提供各类城市地质信息、资料、成果发布，专题地质数据查询分析、地质资料检索服务，以满足各行业和社会公众对地质数据信息不断增长的需求。

图8 子系统界面Fig.8 Subsystem interface

5 系统关键技术

5.1 地质专业图表生成与编辑技术

5.1.1 基于模板定制的工程地质、水文地质钻孔柱状图自动生成

采用模板定制技术，系统预先配置工程地质、水文地质钻孔柱状图模板，或由用户编辑制作某一类柱状图的样式并保存下来作为模板。批量生成柱状图时，系统根据数据库中的钻孔数据和所选择的模板自动生成柱状图，解决将柱状图样式固化在程序内无法由用户自由定制的问题[11]。

5.1.2 基于规则库的工程地质、水文地质钻孔钻孔剖面图自动生成

由地质专业人员融入个人的知识经验，量化得到剖面图绘制过程中所有地层连接所需要用到的地层对应、地层尖灭、夹层、透镜体等连接规则，形成规则库；然后再结合数据库中的钻孔分层信息实现剖面图自动绘制的技术方法[12],形成一套实用化的剖面图自动绘制方案。地层连接规则库具备灵活扩展性。

5.2 多源数据三维地质建模技术

5.2.1 多源数据三维地质结构建模技术

基于地表高程数据、平面地质图、地层分区图、断裂分布图、地层等值线、多级标准分层的海量工程地质、水文地质钻孔数据、地质剖面等多源地质数据[13]，自动、半自动建立三维地质体、岩土体结构模型。

5.2.2 三维地质属性建模技术

在已建立三维地质结构模型的基础上建立反映地层内物化属性变化的三维地质属性模型。主要采用四面体三线性插值方法、带约束条件的距离反比加权方法、地质统计学的Kring插值建模等三维空间插值技术。

5.3 二三维一体化管理技术

数据中心的二三维一体化的管理策略是将二三维数据在数据模型、数据管理、数据可视化和数据集成等层面进行统一管理与展示，真正实现二三维空间数据在深层次上的应用。

6 结语

通用系统作为福建城市地质信息化思路“1+N” 模式中的“1”承担着以点带面的作用。在各地市的地质信息化程度相对不够成熟的情况下，通过福建城市地质三维信息通用系统的建设，统一数据建库平台、地质数据分析平台、地质数据三维建模可视化表达平台以及信息共享发布平台，建成了福建省城市地质信息化主流程。目前平潭、宁德、漳州、南平等4地已经在通用系统基础上，紧扣地方实际需求，快速完成定制服务。如平潭城市地下空间开发利用适宜性评价、漳州主城区土壤环境质量综合评价和城市规划区地质资源潜力评价、延平新城工程建设适宜性评价等，为各地的城市规划建设和管理提供强有力地质数据支撑。龙岩、三明也正基于通用系统开展城市地质信息化定制工作。这种“1+N”的开发模式节约大量资金，缩短开发时间，推进福建省城市地质信息化建设的进程，在全国城市地质调查信息平台的建设中具有借鉴作用和推广意义。