城市地質空間信息系統研究與建設

摘 要：通過對城市地質數據與功能的需求分析，確定了城市地質數據倉庫及其信息系統的建設內容，進行了系統框架設計；基于GIS技術、數據倉庫技術、三維可視化技術以及決策支持技術，進行了多源數據整合、模型集成、城市地下空間規劃輔助決策等主要功能模塊的研究。

關鍵詞： 城市地質信息； 數據倉庫； 空間決策支持； 地理信息系統

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0132—03

隨著城市環境的惡化與生態城市建設的需要，處理好城市規劃、資源利用、建設及環境保護中的地質問題， 已成為制約城市發展的當務之急。當前，城市科學規劃[1]、城市土地開發利用、礦業城市的礦產資源開發、城市的廢物處理， 尤其是城市地質災害的防治[2]等有關地質問題日益突出， 直接影響和決定著城市的發展甚至存亡。為此，我國各城市長期以來開展了廣泛的城市地質調查工作，并積累了大量區域地質、地震、水文地質、工程地質、地球化學、地質災害、礦山地質環境等多種類型數據和資料，但由于相關數據不系統、不完善，缺乏有效的管理、分析和利用，難以直接滿足生產和科學研究的需要。針對數據管理混亂、管理程序煩瑣、查詢使用困難、利用效率低等方面的數據使用現狀，通過城市地質數據倉庫及城市地質信息系統的建設可有效解決這些問題，以滿足城市規劃、建設等部門對城市地質信息管理標準化、系統化、可視化及多樣化的需求。為此，本文就城市地質信息系統建設中所需的城市地質數據倉庫、系統總體設計、關鍵技術及主要系統功能進行了研究與原型實驗，可為城市地質信息系統的建設提供一定的方案支持和技術支持。

1 系統總體設計

1.1 系統框架

城市地質信息系統建設的總體目標是從城市地質工作的實際需求出發，一方面利用數據庫技術、編碼技術制定城市地質數據標準和編碼規范，建設城市地質綜合數據庫；另一方面，利用GIS技術[3]、三維可視化技術、虛擬現實技術、數據倉庫技術及計算機網絡技術開發集城市基礎地理、區域基礎地質、工程地質、水文地質、環境地質、地質災害、地震地質及地質資源等多專業、多參數地質數據輸入、管理、可視化、分析評價及其輔助決策為一體的城市地質信息系統。

為使系統具有良好的可擴展性、可維護性，系統采用三層體系架構，分為數據層、業務邏輯層、用戶界面層，相應負責數據訪問、業務邏輯、用戶操作等功能。系統框架如圖1所示。

此外，為用于局域網和廣域網兩種網絡環境，采用C/S結構與B/S結構并存的混合軟件體系結構。其中，政府相關職能部門用戶借助其內部局域網，以C/S方式使用系統；下屬單位及相關專業機構借助VPN網絡，以C/S方式使用系統；公眾通過廣域網以B/S方式訪問城市地質信息資源和成果。

1.2 系統組成

系統架構從縱向進行系統邏輯的三層劃分，而橫向是基于系統功能將整個系統分為五個子系統，即基礎數據管理子系統、城市三維景觀子系統、城市地質業務應用子系統、公眾服務網站及系統管理子系統。其中，城市地質業務應用又可進一步劃分為城市基礎地質管理、城市工程地質管理、城市水文地質管理、城市地質災害管理、城市地震地質管理、城市地質環境管理及城市地質資源管理等多個子系統應用專題。

1.3 數據倉庫設計

數據倉庫是一個面向主題的、集成的、相對穩定的、反映歷史變化的數據集合，能有效支持管理決策。基于城市地質信息的特點與需求，本研究進行了如下城市地質數據倉庫設計：從主題上，城市地質數據可劃分為基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、地震地質、地質資源、地質環境、地質災害及元數據庫等多個主題數據子庫，如圖2所示；從數據類型上，可分為空間數據庫、屬性數據庫、多媒體數據庫，其中屬性數據與空間數據、屬性數據與多媒體數據可基于統一編碼動態創建或撤銷關聯；從數據時態性質上，城市地質數據庫又可分為歷史庫、現勢庫及臨時庫，現勢數據經數據處理、系統操作應用的成果地圖或數據，可存入歷史庫，供用戶查詢使用，特別是在公眾網站發布供公眾用戶查詢使用。

圖2 城市地質業務數據庫組成

1.4 系統環境設計

（1）系統網絡體系結構設計

綜合考慮系統建設目標，所依托的軟、硬件條件及系統需求（主要在政府職能機構及其下屬單位內部使用，同時一些專業相關部門和社會公眾也會使用該系統獲取有關地質信息服務），并考慮系統數據采集成本高、來源廣、類型多、數據量大且需要進行復雜的二維、三維圖形處理和操作的特點，系統網絡體系結構的設計如圖3所示。

圖3 系統網絡運行結構

（2）軟件環境設計

按照實現較高的運行效率、性能價格比及良好系統兼容性的設計原則，城市地質信息系統軟件選型如下：

2 關鍵技術研究

（1）多源數據整合與集成技術

在城市地質調查中，涉及區域地質、地震、水文地質、工程地質、地球化學、地質災害、礦山地質環境等多種類型數據，其存儲介質可能是紙質或磁盤（磁帶、光盤等）形式；其表現形式可能是文字（文字報告）、表格（Excel、文本文件格式等）、數據庫文件（Access、FoxPro、SQL Server、Oracle、DB2等）、圖形圖像等。數據類型繁多、離散性大[4]、歷史跨度大、來自不同行業部門，且存在著數據采集技術手段、水平上的差異，這些因素必然會造成城市地質數據的異構現象，形成諸多信息“孤島”，為數據的信息化管理、合理使用、信息提取以及分發共享都帶來一定難度。因此，需要按照國家及行業標準對這些異構數據源進行標準化處理，使其成為標準、統一和可靠的數據源，能夠通過一個有機的數據庫系統來管理和使用。

基于多源數據整合與集成技術對這些多源異構數據進行處理和管理，成為能否實現對城市地質進行動態監測、模擬的一項關鍵技術。按照數據的特點，數據轉換與整合可分為屬性數據的轉換與整合及空間數據的轉換與整合。屬性數據的轉換與整合可以利用CA公司的相關產品——數據組織轉換工具Transformer，利用它實現接口定義和數據抽取；空間數據的轉換主要利用ArcGIS 9攜帶的基于FME數據轉換引擎的數據轉換模塊，空間數據的整合則要依靠相應的異構數據交換與共享系統。

（2）基于鉆孔數據的三維數據生成與可視化技術

城市地質調查采集的眾多鉆孔資料以及城市地下三維地質建模的應用需求決定了基于鉆孔資料進行城市地下地質三維建模的必要性與可行性。經過資料收集與分析，系統選用如下技術路線進行城市地下地質三維建模：首先，對城市地質鉆孔資料進行分類整理，對能夠用于地質三維建模的資料進行抽取，并選取其中能夠用于層序地層分析、建立層序標準體系的鉆孔。局部場地可基于巖性進行分層，對于城市區域和更大的范圍則必須考慮采用層序分層的方法，建立標準層序體系、對鉆孔進行層序分層、建立時間與巖性等綜合的地層界面才能建立空間上具有等時意義的三維地質構造模型。對鉆孔數據進行層序分層后，采用不規則三角網形成地層界面，并基于線性插值、克里金插值等插值算法對生成地層曲面進行平滑，再用這些層面數據生成地質體，建立三維地質構造模型。利用該模型實現沿地面某一跡線生成二維地層剖面，與其他探測剖面數據進行比較分析[5]。

（3）模型集成與模型庫管理技術

城市地質信息系統建設的最終目的是為城市規劃、建設及環境保護起到決策支持的作用，而單純依靠簡單數據處理和基于GIS的一定空間分布是遠遠不夠的，必須能夠有效實現資源評價、環境評價以及規劃等專題模型的集成、存儲與應用，才能有效提高系統的決策支持能力。為此，設計實現了基于模型元數據的模型集成方案。其主要工作原理是當模型集成時，①依據模型定義規范進行模型的功能、接口及相關參數定義，形成模型元數據。②將模型與其元數據分別存放于模型庫和元數據庫中。當系統應用模型時，先解析其元數據，根據元數據中的接口定義組織相關參數；然后進行模型調用，獲得相關返回值，從而完成模型應用過程。③模型庫管理系統還支持較強的可視化模型建造能力，具有一套靈活、方便、快速的模型檢索、調用與運行方式，能夠隨時集成新模型，不斷提高系統的輔助決策水平。

（4）城市地下空間規劃輔助決策技術 

地下空間既是構筑城市立體交通網絡的物質基礎，又是擴大人口密集地區公共活動場所的必要補充，是物資儲備、戰略需要等的理想場所。地下空間能否得到合理開發利用標志著一個都市是否充分利用資源潛能，從而做到物盡其用的最好反映；也是城市立體化發展、節約土地資源、實施可持續發展的重要保證。為實現城市地下空間規劃輔助決策，系統開發中可采用基于GIS的專題圖生成、疊加分析、DEM生成、規劃模型運用以及基于城市地下地質三維建模的可視化、三維空間量測等多種手段，為城市地下空間規劃提供一定的決策支持。

（5）大范圍場景的動態調度

大范圍場景中包含地物模型、地形模型、影像圖、屬性數據等多種信息， 一般都會達到幾百兆甚至幾個吉的大小。以目前的硬件水平，無法將所有數據全部一次性載入內存。因此在現有條件下， 根據用戶實際需要， 適時地對多種數據進行動態調度便成為真三維系統中一個需要解決的關鍵問題。具體可采用空間索引機制、緩存和層次細節模型（LOD）相結合的策略實現場景的動態調度。在場景瀏覽時，根據視點位置、觀察方向及視角大小計算出視見體范圍，然后根據視見體范圍確定可見的場景分塊和實體對象。對建筑物，可判斷其包圍盒與視見體的位置關系:如果包圍盒全部包含在視見體內，則整個建筑物可見;如果包圍盒部分包含在視見體內，則建筑物部分可見。這兩種情況下都應將該建筑物作為調度的候選建筑物。確定了候選建筑物后，即可根據當前視點參數計算候選建筑物的可能可見面，并計算出可見面與視點的距離，從而決定模型的LOD 層次。最后將其裝載到內存并創建相應的可見面集合。對地形數據，可采用類似的方法確定候選地形數據塊，然后將候選地形數據塊的數據裝載到內存并創建相應的可見地形數據塊集合。

3 主要系統功能

（1）基礎數據管理

該模塊主要是對城市地質調查采集的基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、環境地質、地質災害、地球物理、地球化學、遙感等數據進行標準化和規范化管理、查詢統計與打印。該模塊可進一步分為MIS和GIS兩部分。其中，MIS負責屬性數據的管理，GIS負責空間數據的管理。

（2）元數據管理

該模塊作為基礎數據管理的一個子模塊，類似于一個典型的管理信息系統，只不過管理的對象是元數據。該模塊主要包括元數據管理、元數據自動獲取、元數據導入/導出元、元數據模板管理、元數據界面生成等幾個子模塊。其中，元數據管理模塊主要提供元數據的錄入、刪除、編輯、瀏覽、打印等元數據管理功能；元數據自動獲取模塊主要用于元數據的自動獲取，其實現方法主要是通過數據集存儲格式分析，從中提取出用于描述文件格式信息、邊界信息或其他信息的數據，可直接作為該數據集的元數據使用；元數據模板管理模塊主要用于實現元數據標準模板或自定義標準的導入、導出、添加、刪除及維護管理，以滿足元數據標準多，且經常進行維護或擴展的需要。

（3）城市地質業務應用

本模塊主要是一個地理信息系統，為城市基礎地質管理、城市工程地質管理、城市水文地質管理、城市地質災害管理、城市地震地質管理、城市地質環境管理及城市地質資源管理等多個專題應用提供分布圖生成、雙向查詢、空間統計、空間分析、專題地圖及制圖輸出功能。此外，為提高系統的地學可視化能力，還實現了鉆孔、剖面、場地工程地質實驗等的可視化，如圖4所示。該模塊的詳細功能如圖5所示。

圖4 地質鉆孔與剖面

圖5 系統主要功能框圖

（4）地質體可視化

可視化研究技術通過對城市地質體在地下空間的相對位置、形態、物化特征等三維構模處理，使這些城市賴以存在的地質基礎條件可為非專業的決策層所理解，并在城市發展的規劃中體現這些大自然所賦予人類的地下空間資源的價值[6]。基于城市地質信息較高的可視化應用需求，特別是三維地表景觀與城市地下空間可視化的應用需求，實現地質體的多維可視化對于利用城市地質信息幫助提高城市規劃、建設及環境保護水平具有重要意義。圖6是基于VTK開發工具進行的地質體體視化原型實驗。

（5）城市地質信息公眾服務

公眾服務系統的內容主要是各類成果圖件、模型的瀏覽、屬性查詢、數據下載及地圖服務等功能，掛接在政府服務網站下供公眾查詢使用。其中地圖服務可提供豐富的常用地圖操作功能，包括地圖放大、縮小、漫游、地址查詢、添加標注點、距離量算、快速定位、SQL 查詢、地圖影像和地圖數據的下載、圖層管理、地圖切換、元數據瀏覽、鷹眼、地圖打印等功能。

（6）系統管理

本模塊主要用于系統用戶角色權限管理、數據庫配置管理、數據備份、日志管理等功能，以提高系統的安全性和靈活性。

4 結束語

城市地質信息系統及城市地質數據倉庫作為“數字城市”建設的核心內容之一[7]，在城市規劃、建設、資源利用及環境保護等諸多方面具有重要的經濟效益和社會價值。通過對城市地質數據倉庫建設內容的分析、系統總體結構的設計、關鍵技術的研究及主要功能的原型實驗，對城市地質信息系統的開發以及“數字城市”的建設起到一定的借鑒和技術支持作用。

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