山地城市地質信息集成管理平臺研究與應用

明鏡,向澤君(1．重慶市勘測院,重慶 400020; 2．重慶市巖土工程技術研究中心,重慶 400020; 3．重慶數字城市科技有限公司,重慶 400020)

山地城市地質信息集成管理平臺研究與應用

明鏡1,2,3?,向澤君1,2
(1．重慶市勘測院,重慶 400020; 2．重慶市巖土工程技術研究中心,重慶 400020; 3．重慶數字城市科技有限公司,重慶 400020)

摘 要:為解決當前城市地質信息化建設中存在的標準缺乏、信息分散、共享困難的難題,針對重慶山地城市地質特點,從統一數據標準、三維地質建模框架、多源異構地質數據庫建設、海量三維地質數據自適應可視化、插件式行業集成應用等方面進行關鍵技術研究,研發了山地城市地質信息集成管理平臺。基于該平臺快速搭建的龍洲灣公租房工程地質信息集成管理系統,成功應用到了場區地質信息展現及三維可視化分析決策中,提升了山地城市地質信息服務水平。

關鍵詞:地質信息；集成管理；山地城市；三維地質建模框架；可視化分析

1　引 言

近年來,我國經濟發展和城市化進程越來越快,城市人口劇增、工程建設頻繁、地質災害頻發、地下水資源緊缺等問題日益突出,對城市地質環境造成了巨大壓力,各種城市地質問題已成為影響城市安全、制約城市可持續發展的主要因素之一[1,2]。采用信息化手段,加強城市地質信息的管理與服務,減少城市地質災害,已成為國內外城市發展的迫切需求[3,4]。

然而,當前城市地質信息化建設中,仍然存在諸多問題[3～5]。首先,由于歷史原因,且缺乏資料匯集匯交的制度和平臺,城市地質信息廣泛分散在國土、建委、規劃、人防等部門,無法進行統一管理,更無法實現城市地質信息的跨部門共享;其二,由于缺乏有效的地質信息匯集及共享,造成了地質信息獲取的重復投資,帶來了巨大的資源浪費;其三,在地質信息相對缺失的情況下,難免導致施工過程中的人為誘發滑坡、地面沉降及塌陷等地質災害,造成了巨大的財產損失;其四,地質信息在本質上是三維的,需要借助三維地質建模和可視化,才可能更加直觀地分析并解決真實地質問題;其五,重慶是典型的特大山地城市,具有地形起伏大、地層褶皺發育、地質條件復雜等特點,其地質信息管理需考慮山地城市的特殊性。總之,目前我國城市地質信息化建設相對滯后,對山地城市特點考慮較少,在地質信息管理的系統性、現勢性、針對性和表現性方面尚存較大改進空間,嚴重制約了重慶山地城市地質信息的集成管理、共享、服務與廣泛應用。

因此,針對重慶特大山地城市特點,進行山地城市地質信息集成管理平臺研究,構建一個基于地理信息技術、三維地質建模技術及三維可視化技術的軟件平臺,對山地城市地質信息進行有效的采集、建模、存貯、管理、可視化及網絡化服務,已成為當前“智慧城市”建設的必然要求[6,7]。山地城市地質信息集成管理平臺的建立,不僅可以推動地質信息服務的集群化和產業化,而且能夠切實為城市規劃、建設和管理服務,輔助進行科學決策和風險規避,保障山地城市的可持續發展,具有重要的現實意義。

2　總體框架

充分借鑒國內外優秀三維平臺和可視化引擎的技術架構和思路,結合實際需求,在山地城市地質數據統一標準、基于多源數據和多方法集成的統一建模流程/框架、多源異構地質數據庫、海量三維地質數據自適應可視化、插件式行業集成應用等方面進行技術攻關,并形成相應的管理工具和軟件平臺,為山地城市地質信息采集、建模、建庫、管理、發布、應用各環節提供解決方案。其總體技術框架如圖1所示:

3　關鍵技術

3．1山地城市地質數據統一標準

山地城市地質數據涉及范圍廣泛,主要包含鉆孔、剖面、地質圖、地質災害、巖土測試等地質信息與地理信息,數據內容要素包括三維空間位置、基本屬性信息和地質屬性信息。各類數據跨越多個專業領域、涉及單位眾多、建設總量大,而且資料來源各異。為保障平臺數據的規范性和一致性,確保平臺數據的統一質量,支持平臺數據庫建設及后期應用服務,方便相關系統和工程的有機整合,需要建立城市地質數據統一標準,從數據采集、數據制作、信息分類和數據入庫等各環節著手,規范地質數據采集的流程、處理步驟和技術要求。為指導城市地質數據建設,從空間參考系、地質編錄、區域地層劃分、區域地質綜合柱狀圖、數據庫設計、地質圖例、三維建模等方面進行規范,形成山地城市地質數據統一標準體系。

圖1　平臺總體框架圖

3．2基于多源數據和多方法集成的統一建模框架

城市地質數據來源廣泛、類型眾多、載體各異、時間跨度大。研究并建立基于多源數據和多方法集成的統一建模流程/框架,對收集整理的多源地質數據進行整合、編碼及規范,然后根據數據的特點選取適當的建模方法進行三維地質模型構建[8]。如果地質數據以鉆孔為主,則宜選取鉆孔建模方法;如果地質數據以剖面為主,則宜選擇剖面建模方法,進一步還需要根據剖面的空間展布情況,選擇采用平行剖面建模、交叉折剖面建模和網狀剖面建模等方法;如果原始地質數據類型多樣或者地質情況復雜,則宜選取多源數據統一建模方法。框架提供了可擴展的三維地質建模接口,以支持適應新數據特點的地質建模方法的加入。

框架中集成的三維地質建模方法均為業界及相關研究領域中較為先進實用的方法,保持了與國內外建模方法研究成果的同步性。重慶作為典型的特大山地城市,具有地形起伏大、地層褶皺發育、地質情況復雜等特點,框架中的部分方法,如鉆孔成套建模方法[9,10],特別針對山地城市地質特點進行設計及完善,形成了創新性的山地城市三維地質建模方法研究成果。對于各種方法創建的三維地質模型,框架實現了多模型之間的融合方法,以布爾操作為基礎,解決模型之間可能出現的數據不一致。基于多源數據和多方法集成的統一建模流程/框架如圖2所示:

圖2　統一建模流程/框架

3．3多源異構地質數據庫

研究多源異構地質數據組織、管理及建庫方法,將多源異構地質數據庫劃分為元數據庫、三維空間數據庫和非空間數據庫,為三維場景組織、地質數據共享、地質信息服務提供支持。采用基于開源關系數據庫Firebird的三維空間數據組織和管理方式,根據管理、應用場景需求,分別設計關系數據庫下各種數據類型的組織方案(如表1所示),不僅支持非空間數據的高效存取,更實現了地質空間數據的二三維一體化及地上地下一體化。

多源異構城市地質數據庫組織 表1

3．4海量三維地質數據自適應可視化

地質信息的三維可視化集成管理涉及三維地理信息、三維地質模型、三維地形模型等眾多三維空間數據。海量三維地質空間數據為可視化引擎帶來了巨大的負載,為保障可視化的流暢及專業應用的順利進行,研究海量三維地質數據自適應可視化方法[11]。對海量三維地質數據進行合理組織,建立多層次細節模型和高效的三維空間索引,研究開放場景組織、處理與渲染策略,結合多級緩存技術,在三維場景中實現了海量地質數據的自適應動態調度及實時交互。

3．5插件式行業集成應用

傳統方式建立的地質信息平臺,系統捆綁了固化的業務流程,數據更新不及時、缺乏共享,而系統和平臺也限制了的應用擴展,新的應用開發,往往需要從頭構建。這些平臺無論是基于C/ S架構還是B/ S架構,大多存在開放性不足的問題。本文采用插件式行業集成應用的方式,設計高度靈活的平臺架構,支持客戶端軟件的界面配置,并在此基礎上支持插件式的功能快速擴展。基于公共基礎平臺API,面向行業應用開發專業工具集,并通過配置方式快速集成到客戶端軟件上。通過規劃設計、地質調查、巖土勘察、地質環境評估、檢測監測及協同管理工具集,本文研發的山地城市地質信息集成管理平臺實現了多專業應用,為跨部門地質信息協同管理、分析及決策提供了良好的基礎。

4　應用案例

基于本文研發的山地城市地質信息集成管理平臺,快速定制面向公租房建設應用的工具集,建立了龍洲灣公租房工程地質信息集成管理系統。

4．1項目概況

為加快城市發展,解決民生問題,重慶市城投公租房建設有限公司擬修建巴南區龍洲灣公共租賃房項目,該項目位于重慶市巴南區魚洞鎮新華村,總占地面積約0．9 km2。該項目規模大,工期緊張,場區內工程地質條件復雜。為快速準確反映工程地質信息,輔助公租房的勘察、設計與施工,業主單位希望快速建立龍洲灣公租房工程地質信息集成管理系統。鑒于本文研發的山地城市地質信息集成管理平臺在系統擴展性和應用開放性的特有優勢,龍洲灣公租房工程地質信息集成管理系統以此基礎平臺為核心進行構建。系統展示并集成了場區不斷更新的地質信息,支持地上地下一體化的空間信息三維可視化及分析決策,為工程順利推進提供了有力支撐。

4．2系統結構

如圖3所示,系統建設基于已有的重慶市城市地質信息數據庫,提取項目場地及周邊范圍內的城市地質信息及基礎地理信息,集成龍洲灣公租房項目的工程地質信息和行業相關信息,形成該項目的基本數據庫。系統數據的維護和查詢、統計、分析等分別采用不同的用戶界面。維護界面實現相關信息的錄入、修改,查詢界面實現系統的查詢、瀏覽、統計、分析等功能。這樣便于數據的集中統一管理,有效地保持數據的一致性,同時系統又能保持軟件的易用和實用性。

圖3　系統結構

4．3主要功能

(1)地圖操作。實現二維地圖的放大、縮小、自由縮放、漫游、鷹眼、全圖顯示、設定比例尺、刷新等功能。

(2)場景漫游。實現三維場景的放大、縮小、鏡頭微調、斜視、俯視、平視、鏡頭精確定位等場景漫游功能。

(3)數據存儲與管理。數據內容包括:工程項目基本信息、工程項目審查信息、鉆孔空間數據、鉆孔鉆探及原位測試數據、剖面線、勘察報告文本、巖土試驗數據、不良地質基本信息。

(4)鉆孔管理。包括增加原始鉆孔、移出鉆孔管理、瀏覽原始工程鉆孔信息、鉆孔統一圖層管理、鉆孔三維可視化等。

(5)查詢定位。查詢方式包括圖上點擊查詢、圖上區域查詢、工程條件查詢和不良地質條件查詢,即通過點選、框選、字段篩選等單一查詢或組合查詢,從數據庫中查找符合條件的地質信息,并在二維地圖或三維場景中快速定位。

(6)統計圖表。對工程項目基本信息、巖土物理力學指標、不良地質現象等地質信息進行統計,生成統計報表或專題圖(分布圖、熱力圖、柱狀圖等),統計結果可在地圖上顯示和生成報表。

(7)三維地質建模。實現了多種三維地質建模方法,根據原始地質數據進行三維模型的構建,包括:鉆孔建模、平行剖面建模、網狀剖面建模、多源數據統一建模。

(8)三維空間分析。包含有多種方式,如:剖切分析,對三維地質模型進行剖面切割,分析地質構造;基坑開挖,按照建筑基坑邊線進行地質模型的基坑開挖,分析基坑內部及周邊地質構造及相關地下空間信息;虛擬鉆探,對三維地質模型進行虛擬鉆探,分析地質構造及地層分布;漫游分析,在三維場景中進行虛擬漫游,以綜合瀏覽分析工程相關的地質信息;方量分析,按照巖性分別統計各個地質體的體積。

(9)打印輸出。系統將查詢、統計、專題分析制圖的結果打印輸出,其中,結果的地圖展示可打印輸出或單獨輸出為圖片保存,結果的報表內容可直接打印或保存為Excel文件。

(10)數據維護。包含數據的導入、導出、備份、恢復等多項功能,以保障數據的安全性。

4．4應用效果

系統能夠實現對鉆孔、剖面、三維地形、地上三維建筑、三維矢量等地質信息與地理信息的集成管理及三維可視化分析,如圖4所示。

圖4　多源數據三維疊加顯示及分析

系統實現了多種三維地質建模方法,包括:鉆孔建模、平行剖面建模、網狀剖面建模、多源數據統一建模等。其中,基于鉆孔的三維地質建模效果如圖5所示。

圖5　基于鉆孔的三維地質建模效果

系統支持多種地質數據及地理信息數據的地上一體化展示,如圖6、圖7所示。

圖6　鉆孔數據與三維地形圖耦合顯示

圖7　三維地質、地形、地面公租房耦合顯示

可在三維地質模型的基礎上,開展剖面切割、虛擬基坑開挖等三維分析,有效輔助實際地質問題的直觀交流及科學決策,其效果如圖8～圖10所示:

圖8　地質剖切效果與勘察鉆孔、建筑物平面輪廓線耦合分析

圖9　地質模型與建筑地下室空間關系分析

圖10　地下室基坑虛擬開挖分析

綜上,龍洲灣公租房工程地質信息集成管理系統在公租房的地質信息管理及三維可視化分析中得到了良好應用。系統集成了鉆孔、剖面、地質圖、三維地質體、三維地形、地上三維仿真模型等各類工程地質相關信息,隨著巖土工程勘察的開展深入,能夠不斷補充最新的地質勘察信息。系統提供的工程地質信息豐富、準確,支持地上地下一體化的空間信息三維可視化,實現了建筑規劃設計模型與工程地質信息的耦合顯示及可視化分析,有效地輔助了各類地質問題的科學決策,保障了工程建設的順利進行。

5　總結與展望

5．1總結

本文山地城市地質信息集成管理平臺的研究與應用為智慧城市地質應用提供了從數據生產、管理、服務發布到應用的全方位解決方案,開辟了基于三維GIS的城市地質信息可視化集成管理的新途徑,在應用方面體現出多樣化、網絡化、社會化等特征。平臺主要從山地城市地質數據統一標準、基于多源數據和多方法集成的統一建模流程/框架、多源異構地質數據庫、海量三維地質數據自適應可視化、插件式行業集成應用等方面進行了深入研究,在地質三維模型生產制作、地質信息數據庫建設、行業領域知識快速集成、多專業協同管理分析等關鍵技術方面取得了重要進展。研究成果在重慶市的地質信息集成管理、工程地質應急搶險、地下空間規劃設計等多個領域得到了深入應用。

5．2展望

平臺研發方面,未來將提高海量三維數據的多用戶并發訪問的響應效率和吞吐量,進一步提升三維可視化效率與效果,支持基于動態時間軸的場景演進功能,并且不斷更新和完善更多的行業專業領域知識插件。

平臺未來的應用推廣方面,一是要對現有地質信息與地下空間數據進一步整合和挖掘,形成重慶市域三維地下空間數據庫,支撐跨區跨部門的政府決策和統籌管理;二是要促進開放式地下空間集成管理模式建設,建立城市地質勘察、地下管網及地下空間普查數據的匯交和共享機制;三是要繼續深入行業應用,打造更加完善的跨部門多專業地質及地下空間信息化協同管理平臺。

山地城市地質信息集成管理平臺的研究與應用,有力地支撐了城市發展建設,提高了現代化山地城市地質信息集成管理水平,推動了重慶市三維數字城市建設向智慧重慶的演進進程,將為全國山地城市地質信息集成管理及智慧應用起到示范作用。

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Research and Application on the Integrated Management Platform of Geological Information for Mountainous City

Ming Jing1,2,3,Xiang Zejun1,2
(1．Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China; 2．Chongqing Engineering Research Center of Geotechnical Engineering,Chongqing 400020,China; 3．Chongqing Cybercity Sci-tech Co．,Ltd．,Chongqing 400020,China)

Abstract:To solve current problems in the construction of urban geological information such as the lack of standards, the scattering of information,and the difficulty of data sharing,special attention is paid to geological features in the mountainous city of Chongqing．Key technologies are researched,such as the unified data standard,three-dimensional geological modeling framework,heterogeneous multi-source geological database,adaptive visualization of massive geological data,and plug-in application integration．The integrated management platform of geological information for mountainous city is developed as well．Based on this platform,an integrated system of engineering geology information management for the Longzhouwan public rental house is quickly built．It has been successfully applied to the display of geological information and three -dimensional visual analysis,which enhances the geological information services in mountainous city．

Key words:geological information;integrated management;mountainous city;three-dimensional geological modeling framework;visual analysis

文章編號:1672-8262(2015)05-147-07中圖分類號:P628+．4,P208．2

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—07—15

作者簡介:明鏡(1982—),男,博士,正高職高級工程師,主要研究方向為三維GIS、三維地質建模。

基金項目:住房和城鄉建設部2014年科學技術項目(2014-K8-009);重慶市基礎與前沿研究計劃(cstc2014jcyjA90026);重慶市應用開發計劃(cstc2014yykfB40004)