城市级地质空间大数据分析系统的研究与实现

文｜南宁地理信息勘察测绘地理信息院有限公司 王威 汪晓龙/通讯作者：南宁地理信息勘察测绘地理信息院有限公司 冯健

1 引言

地质学是一门体量庞大、数据密集型的学科，其包含了岩石学、工程地质、环境地质、水文地质、灾害地质、地球物理、地球化学等众多分支。在地质工作中，通过钻探、物探、化探、遥感、野外地质调查等工作手段获得的数据可称之为地质科学大数据。地质数据已具备大数据典型的4V特征，可以说是“大数据”的重要组成部分，同时，与其他类数据相比，具有混合性、抽样性、多源性、时空性等多种特点。随着大数据时代的到来，如何将地质学与大数据融合并促进发展与应用成为地质行业研究的热点方向。

大数据已渗透到社会经济生活的方方面面，包括医疗、交通、公共安全、城市建设等领域，促进城市科学管理与发展。随着城市向地下空间的开发扩张，城市建设所产生的城市地质大数据也在海量增长，这些科学数据资料都是社会的财富。开展城市地质大数据利用研究工作，可为工程建设、灾害防治、城市规划等提供可靠的数据依据，将数据财富转化为社会财富，对城市发展产生重大的经济效益。

地质空间大数据分析系统的开发着眼于地质学与大数据相结合，将地质大数据利用最大化。通过将南宁市分散无序、长期闲置的地质数据资料进行整合与标准化，建立地质数据库进行数据集中管理，进而在此基础上，利用GIS技术、三维可视化技术等进行三维地质建模与专业评价分析等，利用计算机网络技术将数据资料发布于互联网，与地质相关工作者共享数据成果，为城市管理部门提供科学可靠的数据建议，服务于城市安全、重大工程建设、地质灾害防治等。

2 国内外现状

在地球科学大数据研究方向上，以西方发达国家为首的欧美各国较早开始研究工作，并开发建设大数据共享平台，积极推动地质大数据的发展。如美国的NOAA环境科学数据库、加拿大的GeoConnection、澳大利亚的GeoMiner等。在大数据热潮的驱动下，我国北京、上海、广州等城市先后开展地质数据收集及智慧化治理平台的建设工作，并取得阶段性成效。如上海地质资料信息共享平台、郑州城市地质大数据云平台，中国地质调查局主持研发的国家地质大数据共享服务平台——“地质云”等，平台对地质资料数据进行挖掘、采集、分析等，实现从数据获取、数据管理到数据共享的信息化、科学化管理。

随着城市建设的不断实施，长期的城市地质勘察工作积累了大量的地质数据，加之城市向地下空间开发，工程建设与日俱增，数据量急剧增长。由于不同单位的数据存储形式不一，共享方式有限等因素的影响，南宁市的地质资料无法进行规范管理，不能被更好地利用研究。为了以后的南宁市城市建设管理、决策工作更加高效与科学，开展可实时共享的城市地下空间的大数据库建设，建立一个可对南宁市地理、地质分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析的地质空间大数据分析系统，提供一个统一管理平台是具有现实意义的。

3 系统总体架构与功能实现

图1 系统总体框架

以南宁市相关工作开展为例，“城市级地质空间大数据分析系统”是基于城市地质工作的实际需要而开发，以数据库技术、编码技术制定城市地质数据标准规范，建设城市地质综合数据库为基础，以GIS技术、三维可视化技术、计算机网络技术为主要技术手段，以开发集合城市基础地理、基础地质、遥感、水文地质、工程地质、环境地质、地质灾害、地球物理、地球化学等多专业的数据为目标，建设集地质环境信息输入、空间数据管理、实时监测可视化、专业分析评价、三维可视化、共享与服务等功能于一体的城市地下空间利用规划信息系统，为城市地质大数据统一管理提供一个标准化、规范化、综合化的智能服务平台，为南宁城市建设、灾害预防等提供可靠的基础地质数据和决策依据。

系统建设主要工作任务包括：南宁城市地质综合数据库建设、地质数据录入与管理子系统建设、地质专业分析评价子系统建设、三维地质建模与可视化子系统建设、地质数据共享与服务子系统建设。

3.1 城市地质综合数据库与数据规范化处理

城市地质综合数据库建设的主要目的是将多源、异构、海量的地质专业数据进行集成管理，建立有效的数据更新维护机制，为地质专业制图、专业分析评价和三维建模提供数据支撑。地质数据库建库以实际应用为导向，包含了项目信息、地层信息、钻孔数据、试验数据等基本数据，建立数据中心，由这些基本数据可构成剖面数据、等值线、三维可视化模型等多种地质专业种类的功能应用，有助于各界方便地了解和掌握已有地质工作程度信息，为城市地上、地下空间规划和部署提供参考。

图2 数据建库流程

图3 地质调查点数据查询

图4 钻孔剖面图的生成

由于地质数据具有多样性，不符合数据标准的需求，以建立数据存储信息化、查询方便化、获取实时化及数据共享普遍化的数据库为目的，入库前应先对收集的数据进行规范化处理。将原始勘察资料如钻探、物探、现场原位测试、室内试验等，通过扫描、矢量化、编辑、录入等方式进行数字化，按照国家标准、行业标准、地方标准或系统建设标准，借助如MapGIS、ArcGIS或其他工具软件，对数字化后的地质资料分类进行数据的编辑整理、格式化、转换、概括等处理，将地理坐标进行统一，信息分类与编码标准化，数据格式标准化，建立数据全面、信息完整、符合专业要求的地质综合数据库，为城市地质资料三维建模等提供数据基础。

3.2 地质数据录入与管理子系统

地质数据录入与管理子系统主要是对地质数据进行入库与管理，是其他功能模块的中心环节，也是系统数据安全和稳定运行的保障。系统采用先进的控制表映射技术和界面自动生成等技术，利用关系型数据库，提供全面的图文数据管理方案，实现对空间数据和非空间数据的一体化组织，从而对多源、海量、异构的城市地质大数据进行规范化的统一管理。子系统为技术人员提供对数据、图件、文档等各类地质资料进行管理维护等基本操作，以及数据入库、数据格式转换、数据导出、数据检查、文档资料管理、权限管理和日志管理等功能。

3.3 地质专业分析评价子系统

地质专业分析评价子系统基于MapGIS数据中心，实现多专题地质调查数据一体化展示，提供多样化数据查询工具以及地质专业分析评价工具，包括工程地质、水文地质、区域地质、地面沉降变形等专业分析应用。系统根据不同的专业应用分析目的，结合数据库数据和相应的参数设置，构建对应的专业分析模型，经模型计算，生成统计图表、成果图等，为开展城市地质相关分析评价提供信息技术支撑。该子系统主要功能包括地质数据展示与查询、钻孔柱状图和剖面图的生成与编辑、等值线图和平面图的生成与编辑、地质数据统计分析、地下水质量评价、地下空间开发适宜性评价等。

图5 三维地质建模

图6 共享平台地质数据查询

3.4 三维地质建模与可视化子系统

三维地质建模与可视化子系统以空间数据库为数据来源，与外部导入的obj、3ds等格式数据，利用GIS三维可视化技术，采用自动、半自动的方式建立各专业的三维地质模型，可根据业务需要，对构建的地质体三维模型进行任意切割、可视化模拟与数据分析，可进行地形三维建模、地面景观建模、地下复杂空间结构关系精细化展示等。系统提供丰富的三维模型制作工具、方便的信息查询工具、专业的三维GIS分析工具、详细的三维场景控制手段，及多种成果展示方式。该子系统可实现地形三维建模、钻孔全自动建模、多方法的三维地质建模功能、属性建模、三维地质模型分析等功能。

图7 南宁城区某年雨季水位等值线图

图8 南宁市某区污水处理厂查询渗、漏水点分布图

3.5 地质数据共享与服务子系统

地质数据共享与服务子系统主要基于B/S模式为政府管理部门、企事业单位和社会公众提供地质调查成果数据浏览和查询等服务。结合社会各方对城市地质信息共享的业务需求，在面向Internet的多维动态地质环境信息展现与分析技术突破的基础之上，结合数据库技术、WebGIS、WebService和GIS相关技术，建立城市地质数据信息共享与发布子系统，将本地数据和成果发布于网上，向接入广域网的政府管理部门、企事业单位及社会公众开放，提供城市三维地质信息与相关数据的共享和增值信息服务，以及其他成果数据的浏览和查询服务。该子系统主要功能包括地质数据共享与服务、三维模型展示与分析、元数据查询、地质专业资料检索和后台管理。

4 工程应用

截止目前，系统已在多个项目中参与实际应用，如：南宁某国际旅游项目利用地质大数据库查询项目地块内数据资料，调查地质数据情况；城区工勘孔地下水位查询，运用分析系统进行等值线绘制；南宁市某污水处理厂运用地质数据分析平台查询勘察报告，查询分析工点管井渗、漏水原因，分析寻找渗漏点。分析系统为各项目提供地质资料查询支持，辅助工程建设，并取得良好成效。

5 结语

以南宁市为研究范例，针对城市地质信息数据三维可视化的业务需求，利用GIS技术、三维可视化技术等，结合地质综合数据库研发了地质空间大数据分析系统，包含了地质信息管理、专业分析评价、三维地质建模与可视化、地质数据共享与服务等功能，该系统的建成可为南宁市城市安全、建设布局和功能区划、重大工程建设、地质灾害防治、地下空间开发利用等提供数据参考，为决策工作提供科学依据，大大提高了工作效率。