城市地質資源環境承載力監測預警平臺建設思路及關鍵技術

李勇 韓征 李敏

摘 ?要：本文闡述了城市地質資源環境承載力監測預警平臺的建設思路，總體上將平臺劃分為野外監測物聯網和云端信息平臺兩大部分，其中監測物聯網負責地質資源環境承載力監測數據的感知、采集和傳輸，信息平臺負責監測數據的匯聚、分析和預警預報。在總體架構方面，平臺可以進一步劃分為空間信息感知層、云平臺基礎層、數據資源層、服務層、應用層和用戶層，每個層位對其上層均起到了支撐作用，對其下層均起到了匯聚作用?；诖祟惣軜嫹绞?，平臺未來可以為政府機關和地質單位的管理人員、專業技術人員提供數據共享、統計分析、空間分析、資料查詢、模型計算等服務，為促進區域地質資源環境的可持續開發利用奠定基礎。

關鍵詞：多源異構;監測預警;物聯網;智慧地質

Abstract： This article describes the construction ideas of the urban geological resource environment carrying capacity monitoring and forecast platform. The platform is generally divided into two parts： the field monitoring Internet of Things and the cloud information platform. The monitoring Internet of Things is responsible for the perception and collection of geological monitoring data. The information platform is responsible for data aggregation， analysis and early warning forecast. In terms of overall architecture， the platform can be further divided into a space awareness layer， a cloud platform foundation layer， a data resource layer， a service layer， an application layer， and a user layer. Each layer plays a supporting role for its upper layer and plays a converging role for its lower layer. Based on such an architectural approach， the platform can provide data sharing， statistical analysis， spatial analysis， data query， model calculation and other services for the management personnel and professional technicians of government agencies and geological sectors in the future， in order to promote the sustainable development of regional geological resources and environment.

Keywords： Multi-source heterogeneous; Monitoring and early warning; Internet of Things; Smart Geology

0 引言

為了更為準確、全面、完整的獲得地質體的信息，很多的地質工作者都利用數學模型來模擬真實的地質演化過程，并使用地質信息技術來表現模擬的過程和結果（李朝奎等，2015）。同時，對各種地球物理和地球化學勘探異常的正反演理論方法（趙鵬大，2012;陰江寧等，2013）以及地球動力學理論方法（李四光，1973;於崇文等，1993）的提出和完善，都不同程度上提升了城市地質的信息化水平。

目前，大數據、區塊鏈等新一代信息技術已逐步應用于各類傳統行業，大數據隱藏價值的深入挖掘、分析、應用已成為各領域的研究焦點，其理念已在智慧政府、智慧城市的建設中發揮出了巨大潛能（陳建平等，2015;張建勛等，2010）。在即將到來的“十四五”規劃期間，這股大數據浪潮必將顛覆現有的傳統信息化架構體系，因此城市地質領域如何與時俱進引入全新的平臺構建理念，并將思想和行動付諸實踐，將成為地質勘查行業未來信息化建設的焦點。

城市地質行業在“十三五”期間借助于傳統的信息化手段建立了很多服務于專業領域的信息系統，初步研發了首都地質資源環境承載力監測預警信息平臺（衛萬順等，2016），也形成了服務于城市地質資源環境承載力評價要素監測體系（鄭桂森等，2020）。以北京為例，為了實現突發地質災害、地面沉降、地下水環境、土壤環境等監測預警數據的采集、發送、集成、分析和應用，分別建立了對應的信息系統以滿足各自的信息化需求，同時還建立了e地質應用系統以實現地質成果的社會化服務（張詩檬等，2020）。但是這種依賴于傳統方式建立的信息系統一般都存在標準不統一、數據交互難、專業壁壘強、復用組件少等問題，較大程度上影響到了城市地質信息化的可持續發展。具體而言，所建設的每個信息系統僅能滿足于自身的業務需要，無法與其他系統進行數據共享和信息交換，從而必然形成一系列的信息孤島（張瑛等，2007）。更為重要的是，由于缺乏地質數據的標準化處理方法和集成方法，即便是將這些信息孤島打通也無法實現真正的數據融合，更無法達到預警和預報的要求，從而不能為政府在規劃建設領域提供決策支撐。

因此，城市地質行業應結合新時期物聯網、云計算、人工智能、數字模型等前沿技術（韓征等，2016），對現行的信息化戰略方向、架構體系、軟硬件環境和應用領域進行調整升級，同時將全新的技術手段與傳統的地質理論體系相結合，實現城市地質資源環境承載力監測預警平臺建設。平臺建成后將形成集監測數據采集、集成、分析、評價、預警、預報、共享和發布于一體的監測預警體系，對外將提供決策支持、分析評價、預警預報等功能，為地質資源環境的可持續開發利用提供支撐，也為政府的規劃管理提供決策依據。

1 平臺建設的總體思路

城市地質資源環境承載力監測預警平臺是以保證城市運行地質安全為核心，以區域地質資源環境承載能力為監測依據，通過建立地質資源和地質環境的監測網絡，實現對各項地質要素的監測、分析、評價和預警。平臺建成后，可以分析人類活動對地質資源環境的影響，推演地質資源環境演化趨勢，同時可以進行地質環境風險預警，為決策部門提供可靠數據，為公眾提供地學信息。

平臺在其總體架構上主要由野外監測網絡和云端信息平臺兩大部分組成。其中部署于野外的傳感網絡如同觸手，負責感知地質資源和地質環境的動態變化，并通過4G/北斗等傳輸網絡將感知信息傳送至云端;信息平臺是通過基于多源異構的數據集成方法來實現資源的整合;最后這些珍貴的監測數據將被納入預警預報和深度學習模型中進行地質環境的預警和預報，從而實現對地質資源環境承載力的決策支撐（圖1）。

平臺按照傳統的信息系統建構模式可以劃分出多組模塊和多個層次，每一層對其上面一層都起到了支撐作用，對其下面一層都起到了匯聚作用，因此每個層次都有其不可或缺的功能，其總體架構圖如圖2所示。

（1）空間信息感知層

主要包括部署于野外的各類物聯網傳感器，如雨量計、溫度計、自動水位計、裂縫伸縮儀等，常會出現同一種傳感器被用于多個監測對象的情況，如自動水位計被廣泛的應用于地面沉降、地下水環境、礦山環境、地熱能等領域，這也為后期的資源整合及物聯網集約化建設帶來了可能。

（2）云平臺基礎層

主要是對分散、閑置的硬件服務器通過虛擬化設備來進行資源整合，這不但可以使平臺的運行不受物理主機的性能限制，同時還可以充分的利用閑置的硬件資源。

（3）數據資源層

主要包括關系型和非關系型數據庫，可以對城市地質中一系列的結構化、空間和非結構化數據進行存儲。在實現關系型和非關系型數據庫協同工作的過程中，將使用基于多源異構的城市地質數據集成技術，該技術可以實現對多種不同來源、不同格式、不同標準、不同專業的結構化、空間和非結構化數據進行有效的存儲和管理。

（4）平臺服務層

該層是平臺中最為關鍵的部分，是整個平臺從上至下的樞紐，其對于應用層而言封裝了復雜的數據存儲過程，僅提供數據訪問的接口，簡化了應用層對于數據訪問的復雜程度。服務層將對結構化數據、空間數據、非結構化數據進行有效的封裝，并以服務的方式向應用層和用戶層進行展示;同時服務層中的模型服務，是將各類數值模型、人工神經網絡模型、巖石礦物標本識別深度學習模型納入其中，是實現平臺人工智能應用的關鍵組件。

（5）應用層和用戶層

這兩個層位是平臺的最終使用端，在功能上將提供數據共享、數據統計分析、資料查詢、預警預報、綜合分析、應急處置和專業應用等功能，從而可為政府機關、事業單位、專業技術人員等不同用戶提供有針對性的服務。

2 需要解決的關鍵技術

2.1 監測網絡的優化設計

平臺建設首先面臨的問題就是如何進行監測網絡的優化設計。因為各類監測網絡未來將是平臺的數據來源，如果監測網絡的體系架構沒有部署完善，那么未來基于監測網數據進行的預警預報便無法實現。舉例來說，對于突發地質災害監測預警系統，如果用于監測泥石流、滑坡、采空塌陷的傳感器沒有安裝到合適、恰當的位置，當地質災害來臨時便不會監測到任何的地質異常，而這將引發災難性的后果。因此，平臺建設的第一步就是根據每個監測預警網絡的不同特點和關聯關系，按照統一性、綜合性、可行性和合理性的原則，對網絡進行部署。

（1）統一性原則

以北京為例，其地面沉降、地裂縫、重大線性工程、地下空間監測網中均建設了多組用于地表形變監測的水準監測點、GNSS監測點，還部署了用于監測地層形變的基巖/分層標、SAA監測點，這些監測點均對應于不同的監測對象。而統一部署的原則就是要打破原有的專業壁壘，通過整合多家基層單位不同專業的監測網絡，實現對地表形變、地層形變、地應力等監測設施的統一部署、統一建設、統一運行維護，這樣不但會減少因各自建設而造成的重復投資，而且將會使得每一組監測設施可以在不同的監測網之間進行數據共享，大大的增加數據的使用效率。

同時，在進行地質資源環境承載力監測網絡優化部署的過程中，需要以全新的“地質要素”為標準，對每個獨立的監測網所取得的成果進行整合和優化。以北京市平原區為例，應該根據原有的地面沉降、突發地質災害、土壤環境等監測預警網絡的各自特征，按照統一的標準對監測網絡分別進行優化和建設。而對于監測信息的集成匯總和分析應用，可以將這些專業監測網絡的監測數據按照“地質要素”進行分類組合，從而將基于“專業領域”的監測成果轉換為基于“地質要素”的監測成果，從而實現了站點一網多用、數據全網共享（殷志強等，2018）。

例如對于線性工程、隱伏構造、地面沉降和地下空間4個專業領域的監測網絡而言，包含了基巖標、分層標、光纖連續監測、深層土體水平位移、深層土體垂直位移、應力應變等監測手段，且都是用于監測“地層形變”地質要素的（圖3）。因此，應打破現有監測網絡的劃分標準，統一以“地層形變”為數據集成目標，將各個專業領域監測網絡中基巖標、分層標、光纖連續監測等監測設施取得的成果進行集成，從而打破了獨立建設、專網專用的現有格局。

（2）綜合性原則

綜合性原則就是在監測站點部署的過程中，不但要考慮到區域地質環境的影響，還要考慮到地表實施、地下管線的綜合影響;不但要考慮到平面上的監測部署密度的問題，也要考慮到垂向上立體分層監測的問題;不但要考慮到平面布設規劃重點的問題，還要考慮到不同的地質單元具備不同地質特征的問題;不但要考慮到監測點位具有代表性，還要考慮到施工條件需要具有可行性;不但要考慮到充分利舊的原則，還要考慮到經濟節約的原則。

如對于重大線性工程監測網絡部署而言，在監測對象上既考慮重大線性工程本身的結構體，又兼顧承載重大線性工程所在的地質體;監測內容上不僅考慮地面沉降、地裂縫、活動斷裂等災害引起的地質體與結構體的形變問題，而且需要考慮災害的主要誘發因素;在監測層位上需要考慮淺中深全覆蓋，如對“地面層+工程層（淺層）+區域形變層（深層）”全面監測，還需要考慮對重點災害地質體的監測。

（3）合理性原則

在建立監測網的過程中，應充分了解、掌握區域地質條件以及周邊區域的交通、安全、環境以及規劃情況，選擇條件適宜的區域建立監測點位，增強監測系統的實際可操作性。在規劃部署監測點位時，需要滿足城市總體規劃方案，選址應盡力避開低洼及易積水的地段，避開大型廠礦和大型抽水站以及繁忙的交通干線，避開大型工礦、交通干線、大型輸變電設備，并充分考慮當地的規劃要求。同時，在監測點建設中，還需充分了解所在區域、所屬單位或個人的產權歸屬問題，避免造成監測設施的歸屬不明。

（4）全面部署、重點突出的原則

應實現各專題區域監測網絡的全面部署，并在重點區域進行加密觀測，這樣便可以形成區域范圍的基準監測網和重點區域的加密監測網。如對于淺層地熱能專題，應依據地熱能開發利用現狀情況、地質單元的劃分情況、地熱田及斷裂構造的分布情況，同時結合重大工程、重點功能區和各區域規劃發展情況，建設服務于地熱資源開采、回灌的基礎監測網絡，實現區域的全覆蓋;同時，還需要針對地熱異常區、開發利用集中區建立重點監測網絡，以兼顧對重點區域的監測。

因此，各個監測預警網絡都需要根據自身的專業特點進行統一的優化設計，以實現監測點位的合理、恰當、有效，為后期的地質環境綜合分析和預警預報奠定基礎。

2.2 基于多源異構的數據集成方法

平臺未來將要接入包括地面沉降、礦山環境、隱伏構造等監測預警系統，所涉及的傳感器包括GPS、水準點、水位監測儀、雨量計、攝像頭等多達數十種，其數據類型具有Shp、Mxd、WT、WL、WP、CSV、CAD、txt、Excel、遙感影像等多種格式，其中大部分都不是結構化數據，不能簡單的將這些數據存儲于普通的關系型數據庫中。另外，平臺還將納入各類數值模型、力學模型、演化模型、三維模型、深度學習模型，這些模型一般具有廣泛的數據格式和難以轉換的數據成果，很難直接被錄入到數據庫進行管理。因此，如果想要對上述廣泛的數據類型和數據格式進行有效管理，便需要基于多源異構的數據集成方法。

基于多源異構的城市地質數據集成方法，主要是通過建立邏輯統一的多源異構數據庫管理體系，實現對結構化數據、空間數據和非結構化數據進行統一的分類、標準化處理、集成和管理（付博等，2020）。涉及到的技術方法包括多源異構數據分類方法、數據處理規則、數據庫建設方法和信息資源管理系統建設方法，如圖4所示。

其中數據分類方法是根據數據的不同來源和用途，按照數據類型、所屬地質要素和專業領域對原始數據進行三重分類，從而將其切割成若干相對獨立且緊密相關的數據集合，為建立結構化數據的庫表結構和空間數據的存儲模式奠定基礎。

數據處理規則就是將分類后、切割好的“數據集合”按照水文地質、工程地質、環境地質等規范的要求進行規范化處理所需的技術規范。由于城市地質領域的數據規范眾多，因此應根據平臺內多源數據的具體來源和實際用途，建立統一的城市地質數據標準化規則，從而滿足標準化處理的需求。

多源異構數據庫建設方法是使用Oracle、SQL Server、Trip等關系型/非關系型數據庫，對分類、標準化處理好的城市地質數據進行存儲的技術方法。對于結構化數據而言，應結合專業領域和監測要素，完成庫表結構的設計，建立基于“監測對象”的、邏輯統一的結構化數據庫，并編制基于空間的元數據信息;對于空間數據而言，應明確不同格式、不同類型、不同來源數據的空間數據引擎和存儲方式，并針對每個圖層編制基于空間的元數據信息;針對非結構化數據，應根據其文檔的格式確定其存儲方式并編制文檔的著錄信息。

地質信息資源管理系統就是對這些不同格式、不同來源、不同存儲方式的城市地質數據進行統一、有效的管理，以確保數據的安全和準確。對于純粹的結構化數據而言，應通過其基于“監測對象”的庫表結構、基于空間的元數據信息和結構化數據索引實現自身數據的集成，同時借助于結構化數據庫表結構中的空間信息實現與空間數據的集成;對于空間數據而言，應該通過其空間數據引擎、圖層索引和基于空間的元數據信息實現自身數據的集成，同時借助于空間和索引信息實現與結構化數據的集成;對于非結構化數據而言，將通過其文檔著錄信息實現與結構化和空間數據的集成。

2.3 物聯網傳輸規約技術

監測預警平臺的建設將涉及多個監測預警物聯網，監測的地質要素多達數十種，每個物聯網所采用的傳感器設備千差萬別，由于涉及的廠家眾多，因此事先建立統一的數據結構和通訊協議便顯得尤為重要，這樣不但可以實現絕大多數設備的統一管理，還可以防止因設備廠商的自身問題引發全部設備工作異常。

在物聯網通訊規約的建設過程中，首先應根據傳感器的監測方式、通訊方式、監測對象、數據結構將其劃分為統一規約類、非標準化規約類和人工獲取類（圖5）。統一規約類是通過建立全平臺統一的通訊協議來實現對多種設備的運維管理，這將包含絕大多數的地質環境監測類設備。如對于重大線性工程監測預警系統，其包含的流速儀、次聲儀、孔隙水壓力計、拉力監測儀都可以按照統一的通訊協議實現監測點與服務器之間的通訊，而對于地面沉降監測預警系統，其分層標、基巖標、地下水位監測儀也可以按照統一的方式將數據及時、準確的傳送到監測站。非標準化規約類是比較特殊的一類監測設備，這些設備由于監測對象的特殊性，其通訊協議和解算程序無法與其他設備一致，只能單獨進行接收和管理，如微震儀、GPS監測、視頻流媒體等設備。人工獲取類就是通過人工的方式獲取的監測數據，然后通過人工錄入的方式納入到系統中，如地下水環境和土壤地質環境監測數據。

因此，平臺需要參照相關領域的物聯網通訊技術要求，建立滿足于多個監測預警物聯網傳輸的通訊規約，涉及的內容包含不限于鏈路傳輸規約、報文幀結構框架、報文正文結構、數據傳輸的考核等條款。其中鏈路傳輸規約中應包含鏈路傳輸模式及應用的規定、鏈路傳輸基本規則和遙測站基本規則;報文幀結構框架應包括幀基本單元、報文幀控制字符定義、報文幀結構等規定;報文正文結構應包括報文正文基本格式、鏈路維持報、遙測站定時報、遙測站加報、遙測站復位、上報自檢數據、遙測站恢復出廠設置、初始化固態存儲數據等規定;數據傳輸的考核是對數據傳輸月平均暢通率和控制處理作業完成率的規定。

2.4 專業領域預警、預報模型

平臺未來建設過程中將集成一系列的數值模型、統計學模型、人工神經網絡模型、三維模型和地質體演化模型，通過這些模型對調查監測數據的運算，可以實現對區域地質資源和地質環境承載力的定量分析，這樣有助于提高地質資源環境的評價、預警、預報精度，從而為城市規劃建設提供決策依據。

以北京為例，在已建和將建的幾大監測預警系統中，都面臨專業領域預警、預報模型的研究和建設問題。如地下水環境監測預警系統需要建立區域地下水水質的演化模型，地面沉降監測預警系統需要建立區域地下水水位預測模型和地裂縫演化模型，每個預警、預報模型技術的突破，都會推動相應領域業務工作取得重大進展。在上述領域中，預警預報模型工作開展時間最早、應用最為廣泛的就是突發地質災害領域，其在近30年中建立了一系列的泥石流判別模型（韋京蓮等，1994;文科軍等，1998;吳正華，2001），在泥石流地質災害的群測群防、災害預警工作中起到了一定的作用。

在突發地質災害領域的諸多預警預報模型中，基于泥石流監測網的監測預警閾值模型是應用效果較好的一類。其基于已經建立的山區突發地質災害監測預警網絡，構建出用于中短期預報和短臨預警的監測預警預報體系，可以按照不同的預警等級對泥石流隱患點進行預警。模型的閾值體系中選取了24小時降雨量、源地土體土壤含水率、溝道泥位、次聲聲壓值4個參數作為預警的指標，結合泥石流隱患點易發程度、威脅對象情況、物源信息和前期雨量等參數，構建泥石流隱患點的預警閾值體系，參考實際監測值與上述4個參數閾值對比結果，實現不同級別的預警預報。例如隱患點24小時降水量超過泥石流發生概率80%的預警閾值，或泥水位達到臨界值，聲壓達到0.3Pa且維持30s以上，便可以發布紅色預警，從而實現對隱患點的分級預警預報。

3 結論

本文通過對城市地質資源環境承載力監測預警平臺建設思路的探討，明確了平臺架構體系中空間信息感知層、云平臺基礎層、數據資源層等架構層位的劃分依據和功能作用，并為多源異構數據集成等關鍵技術問題提供了初步的解決方案。但未來在平臺的建設過程中，依然存在很多的技術問題有待研究，如地質大數據技術和地質云服務技術，這些問題能否解決將直接影響到平臺未來的“智能化”程度。另外，由于新一代信息技術飛速發展，平臺未來的架構方式和功能應用也應與時俱進，通過將優選出的新技術、新方法不斷的引入到平臺中，使之可以更好的進行地質風險預警，更好的為決策部門提供可靠的地質信息。

參考文獻：

陳建平，李婧，崔寧，等，2015. 大數據背景下地質云的構建與應用[J]. 地質通報， 34（7）： 1260-1265.

付博，王文文，張詩檬，等，2020. 基于多源異構的城市地質數據集成關鍵技術研究[J]. 城市地質，15（1）：103-109.

韓征，郭萌，秦俊生，等，2017. 首都地質資源環境承載能力監測預警信息平臺建設思路[J]. 城市地質，12（2）：1-6.

李四光，1973.地質力學概論[M].北京：科學出版社.

李朝奎，嚴雯英，肖克炎，等，2015. 地質大數據分析與應用模式研究[J]. 地質學刊， 39（3）： 352-357.

韋京蓮，趙波，董桂芝，1994. 北京山區泥石流降雨特征分析及降雨預報初探[J]. 中國地質災害與防治學報（S1）：45-52.

文科軍，王禮先，謝寶元，等，1998. 暴雨泥石流實時預報的研究[J]. 北京林業大學學報，20（6）：60-64.

吳正華，2001. 北京泥石流災害及其降水觸發條件[J]. 水土保持研究，8（1）：67-72.

衛萬順，鄭桂森，于春林，等，2016. 未來五年我國城市地質工作戰略思考[J]. 城市地質，11（2）：1-5.

於崇文，岑況，鮑征宇，1993.熱液成礦動力學[M]. 武漢：中國地質大學出版社.

陰江寧，肖克炎，汪新慶，2013. 中國稀土礦產資源定量分析與預測[J].地質學刊，37（3）：378-381.

殷志強，李瑞敏，李小磊，等，2018. 地質資源環境承載能力研究進展與發展方向[J]. 中國地質，45（6）：1103-1115.

鄭桂森，衛萬順，劉宗明，等，2020. 城市地質資源環境承載力要素監測體系建設實踐[J]. 城市地質，15（2）：117-124.

張瑛，夏克儉，張法明，等，2007. 分布式異構數據庫數據同步系統的研究與實現[J]. 小型微型計算機系統，10（28）：1803-1806.

張建勛，古志民，鄭超，2010. 云計算研究進展綜述[J]. 計算機應用研究，27（2）：429-433.

張詩檬，王文文，付博，等，2020. 基于云服務的e地質應用系統研究[J]. 城市地質，15（2）：217-223.

趙鵬大，2012.數字地質與礦產資源評價[J]. 地質學刊，36（3）：225-228.