城市級地質空間大數據分析系統的研究與實現

文｜南寧地理信息勘察測繪地理信息院有限公司 王威 汪曉龍/通訊作者：南寧地理信息勘察測繪地理信息院有限公司 馮健

1 引言

地質學是一門體量龐大、數據密集型的學科，其包含了巖石學、工程地質、環境地質、水文地質、災害地質、地球物理、地球化學等眾多分支。在地質工作中，通過鉆探、物探、化探、遙感、野外地質調查等工作手段獲得的數據可稱之為地質科學大數據。地質數據已具備大數據典型的4V特征，可以說是“大數據”的重要組成部分，同時，與其他類數據相比，具有混合性、抽樣性、多源性、時空性等多種特點。隨著大數據時代的到來，如何將地質學與大數據融合并促進發展與應用成為地質行業研究的熱點方向。

大數據已滲透到社會經濟生活的方方面面，包括醫療、交通、公共安全、城市建設等領域，促進城市科學管理與發展。隨著城市向地下空間的開發擴張，城市建設所產生的城市地質大數據也在海量增長，這些科學數據資料都是社會的財富。開展城市地質大數據利用研究工作，可為工程建設、災害防治、城市規劃等提供可靠的數據依據，將數據財富轉化為社會財富，對城市發展產生重大的經濟效益。

地質空間大數據分析系統的開發著眼于地質學與大數據相結合，將地質大數據利用最大化。通過將南寧市分散無序、長期閑置的地質數據資料進行整合與標準化，建立地質數據庫進行數據集中管理，進而在此基礎上，利用GIS技術、三維可視化技術等進行三維地質建模與專業評價分析等，利用計算機網絡技術將數據資料發布于互聯網，與地質相關工作者共享數據成果，為城市管理部門提供科學可靠的數據建議，服務于城市安全、重大工程建設、地質災害防治等。

2 國內外現狀

在地球科學大數據研究方向上，以西方發達國家為首的歐美各國較早開始研究工作，并開發建設大數據共享平臺，積極推動地質大數據的發展。如美國的NOAA環境科學數據庫、加拿大的GeoConnection、澳大利亞的GeoMiner等。在大數據熱潮的驅動下，我國北京、上海、廣州等城市先后開展地質數據收集及智慧化治理平臺的建設工作，并取得階段性成效。如上海地質資料信息共享平臺、鄭州城市地質大數據云平臺，中國地質調查局主持研發的國家地質大數據共享服務平臺——“地質云”等，平臺對地質資料數據進行挖掘、采集、分析等，實現從數據獲取、數據管理到數據共享的信息化、科學化管理。

隨著城市建設的不斷實施，長期的城市地質勘察工作積累了大量的地質數據，加之城市向地下空間開發，工程建設與日俱增，數據量急劇增長。由于不同單位的數據存儲形式不一，共享方式有限等因素的影響，南寧市的地質資料無法進行規范管理，不能被更好地利用研究。為了以后的南寧市城市建設管理、決策工作更加高效與科學，開展可實時共享的城市地下空間的大數據庫建設，建立一個可對南寧市地理、地質分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析的地質空間大數據分析系統，提供一個統一管理平臺是具有現實意義的。

3 系統總體架構與功能實現

圖1 系統總體框架

以南寧市相關工作開展為例，“城市級地質空間大數據分析系統”是基于城市地質工作的實際需要而開發，以數據庫技術、編碼技術制定城市地質數據標準規范，建設城市地質綜合數據庫為基礎，以GIS技術、三維可視化技術、計算機網絡技術為主要技術手段，以開發集合城市基礎地理、基礎地質、遙感、水文地質、工程地質、環境地質、地質災害、地球物理、地球化學等多專業的數據為目標，建設集地質環境信息輸入、空間數據管理、實時監測可視化、專業分析評價、三維可視化、共享與服務等功能于一體的城市地下空間利用規劃信息系統，為城市地質大數據統一管理提供一個標準化、規范化、綜合化的智能服務平臺，為南寧城市建設、災害預防等提供可靠的基礎地質數據和決策依據。

系統建設主要工作任務包括：南寧城市地質綜合數據庫建設、地質數據錄入與管理子系統建設、地質專業分析評價子系統建設、三維地質建模與可視化子系統建設、地質數據共享與服務子系統建設。

3.1 城市地質綜合數據庫與數據規范化處理

城市地質綜合數據庫建設的主要目的是將多源、異構、海量的地質專業數據進行集成管理，建立有效的數據更新維護機制，為地質專業制圖、專業分析評價和三維建模提供數據支撐。地質數據庫建庫以實際應用為導向，包含了項目信息、地層信息、鉆孔數據、試驗數據等基本數據，建立數據中心，由這些基本數據可構成剖面數據、等值線、三維可視化模型等多種地質專業種類的功能應用，有助于各界方便地了解和掌握已有地質工作程度信息，為城市地上、地下空間規劃和部署提供參考。

圖2 數據建庫流程

圖3 地質調查點數據查詢

圖4 鉆孔剖面圖的生成

由于地質數據具有多樣性，不符合數據標準的需求，以建立數據存儲信息化、查詢方便化、獲取實時化及數據共享普遍化的數據庫為目的，入庫前應先對收集的數據進行規范化處理。將原始勘察資料如鉆探、物探、現場原位測試、室內試驗等，通過掃描、矢量化、編輯、錄入等方式進行數字化，按照國家標準、行業標準、地方標準或系統建設標準，借助如MapGIS、ArcGIS或其他工具軟件，對數字化后的地質資料分類進行數據的編輯整理、格式化、轉換、概括等處理，將地理坐標進行統一，信息分類與編碼標準化，數據格式標準化，建立數據全面、信息完整、符合專業要求的地質綜合數據庫，為城市地質資料三維建模等提供數據基礎。

3.2 地質數據錄入與管理子系統

地質數據錄入與管理子系統主要是對地質數據進行入庫與管理，是其他功能模塊的中心環節，也是系統數據安全和穩定運行的保障。系統采用先進的控制表映射技術和界面自動生成等技術，利用關系型數據庫，提供全面的圖文數據管理方案，實現對空間數據和非空間數據的一體化組織，從而對多源、海量、異構的城市地質大數據進行規范化的統一管理。子系統為技術人員提供對數據、圖件、文檔等各類地質資料進行管理維護等基本操作，以及數據入庫、數據格式轉換、數據導出、數據檢查、文檔資料管理、權限管理和日志管理等功能。

3.3 地質專業分析評價子系統

地質專業分析評價子系統基于MapGIS數據中心，實現多專題地質調查數據一體化展示，提供多樣化數據查詢工具以及地質專業分析評價工具，包括工程地質、水文地質、區域地質、地面沉降變形等專業分析應用。系統根據不同的專業應用分析目的，結合數據庫數據和相應的參數設置，構建對應的專業分析模型，經模型計算，生成統計圖表、成果圖等，為開展城市地質相關分析評價提供信息技術支撐。該子系統主要功能包括地質數據展示與查詢、鉆孔柱狀圖和剖面圖的生成與編輯、等值線圖和平面圖的生成與編輯、地質數據統計分析、地下水質量評價、地下空間開發適宜性評價等。

圖5 三維地質建模

圖6 共享平臺地質數據查詢

3.4 三維地質建模與可視化子系統

三維地質建模與可視化子系統以空間數據庫為數據來源，與外部導入的obj、3ds等格式數據，利用GIS三維可視化技術，采用自動、半自動的方式建立各專業的三維地質模型，可根據業務需要，對構建的地質體三維模型進行任意切割、可視化模擬與數據分析，可進行地形三維建模、地面景觀建模、地下復雜空間結構關系精細化展示等。系統提供豐富的三維模型制作工具、方便的信息查詢工具、專業的三維GIS分析工具、詳細的三維場景控制手段，及多種成果展示方式。該子系統可實現地形三維建模、鉆孔全自動建模、多方法的三維地質建模功能、屬性建模、三維地質模型分析等功能。

圖7 南寧城區某年雨季水位等值線圖

圖8 南寧市某區污水處理廠查詢滲、漏水點分布圖

3.5 地質數據共享與服務子系統

地質數據共享與服務子系統主要基于B/S模式為政府管理部門、企事業單位和社會公眾提供地質調查成果數據瀏覽和查詢等服務。結合社會各方對城市地質信息共享的業務需求，在面向Internet的多維動態地質環境信息展現與分析技術突破的基礎之上，結合數據庫技術、WebGIS、WebService和GIS相關技術，建立城市地質數據信息共享與發布子系統，將本地數據和成果發布于網上，向接入廣域網的政府管理部門、企事業單位及社會公眾開放，提供城市三維地質信息與相關數據的共享和增值信息服務，以及其他成果數據的瀏覽和查詢服務。該子系統主要功能包括地質數據共享與服務、三維模型展示與分析、元數據查詢、地質專業資料檢索和后臺管理。

4 工程應用

截止目前，系統已在多個項目中參與實際應用，如：南寧某國際旅游項目利用地質大數據庫查詢項目地塊內數據資料，調查地質數據情況；城區工勘孔地下水位查詢，運用分析系統進行等值線繪制；南寧市某污水處理廠運用地質數據分析平臺查詢勘察報告，查詢分析工點管井滲、漏水原因，分析尋找滲漏點。分析系統為各項目提供地質資料查詢支持，輔助工程建設，并取得良好成效。

5 結語

以南寧市為研究范例，針對城市地質信息數據三維可視化的業務需求，利用GIS技術、三維可視化技術等，結合地質綜合數據庫研發了地質空間大數據分析系統，包含了地質信息管理、專業分析評價、三維地質建模與可視化、地質數據共享與服務等功能，該系統的建成可為南寧市城市安全、建設布局和功能區劃、重大工程建設、地質災害防治、地下空間開發利用等提供數據參考，為決策工作提供科學依據，大大提高了工作效率。