廣東城市地質信息管理服務平臺設計與實現

江齊英，黃睦謹，樂 輝

（廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075）

城市地質調查是城市規劃、建設和管理及解決城市地質問題等方面的重要基礎性工作，2000年以來我國城市地質工作先后經歷3個大的發展階段（金江軍等，2007；姜杉鈺等，2021），第一階段，2003年中國地質調查局在上海、北京、杭州、天津、南京、廣州等6個城市啟動城市地質調查試點，標志著我國進入多要素城市綜合地質調查階段；第二階段，2010年前后在以京津冀、長三角、成渝等為代表的城市群，福州、廈門、蘇州等幾十個中心城市相繼開展地質調查。這些優先開展城市地質工作的城市先后建設了相關信息系統，基本解決了城市地質成果數字化、三維可視化和服務網絡化等問題（吳沖龍等，2003；屈紅剛等，2007；何育楓等，2018），特別是上海的地質資料信息社會化服務工作尤其成功，形成了“上海模式”（楊麗君等，2020；陳勇等，2010），值得學習與借鑒。第三階段，2017年以來，黨中央、國務院對城市地質工作高度重視，習近平總書記指出向地球深部進軍是必須解決的戰略科技問題，李克強總理明確統籌城市地上地下建設，加強城市地質調查，原國土資源部印發的《關于加強城市地質工作的指導意見》明確提出要建設城市地質大數據共享平臺，推進地下空間資源信息與基礎地理、土地、礦產、規劃管理等信息資源整合和共享，并與國土資源管理主流程有機融合，自此我國城市地質工作正式進入3.0時代，該階段城市地質工作的明顯特征是多要素綜合調查、全過程支撐服務及多層級協調推進（李倩楠等，2019）。

目前，全國已經建成或正在建設一批以管理單個城市或區域范圍內城市地質調查成果和共享服務的地理信息系統（傅俊鶴等，2011；于軍等，2016；賈佳佳等，2017；徐曉秋等，2018；黃妲，2020），主要功能集中于C/S架構模式的數據管理、分析評價、三維建模等方面，以及B/S架構模式的信息對外開放等，受地方政策及管理需求的影響，數據標準、系統功能往往只在本區域內適用，難以在跨區域或者全省范圍內實現城市地質信息的統一管理和不同政府部門間成果交互共享，以及缺少基于web端的二三維分析功能輔助決策。隨著城市地質工作向多要素、三維調查的方向發展，以及地質成果服務城市規劃、建設和管理等需求，在廣東省“數字政府”改革建設背景下，在大數據、云計算等技術（宋越等，2020）的支撐下，建設匯聚管理全省地質成果的三維城市地質信息管理服務平臺，是實現全省多源異構、多專業地質數據的統一標準化集成管理、分析評價、輔助決策等的有效途徑，并可基于省級平臺資源為地市開展城市地質工作提供全過程信息化支撐服務，避免地市重復建設。

1 平臺設計

1.1 平臺建設目標

從目前地質行業仍然存在的“標準各異、數據分散、應用不足”等問題出發，設定平臺建設的總體目標是“定標準、搭平臺、建系統、促應用”：一是通過制定城市地質數據相關標準規范促進全省城市地質調查成果的統一管理，制定平臺相關標準規范推進平臺規范化建設和安全運行；二是搭建平臺及開發應用系統，實現對全省城市地質調查成果的匯聚管理、分析處理、共享服務、決策模擬，有效管理成果、高效挖掘價值，為數據應用打好堅實基礎；三是以管理需求、解決地質問題、業務應用為導向，開發示范應用功能模塊，推進地質成果在城市規劃、建設、管理、安全等方面發揮作用，為政府管理部門、地質專業人員、社會公眾等提供不同地質信息服務。

1.2 總體架構設計

平臺總體架構如圖1所示，自下而上依次為基礎設施層、數據存儲層、微服務層、負載均衡層、終端應用層和用戶層，平臺建設前規范先行，制定廣東省城市地質調查數據庫、數據匯交、服務共享接口等標準，以及平臺建設管理、安全保障等規范，為全省城市地質調查成果規范化匯聚管理、平臺安全建設、穩定運行提供依據。

圖1 平臺總體架構圖Fig. 1 Overall architecture of the platform

（1）基礎設施層。根據廣東省“數字政府”建設要求，政務信息化系統平臺全部部署在政務云上，政務云提供平臺所需的計算資源、存儲資源及網絡資源，按照云服務模式和云架構建立共享資源池，形成可按需動態擴展的高性能計算環境、大容量存儲環境，滿足海量數據存儲、高并發用戶信息共享查詢，以及地市版城市地質平臺應用云資源的需要。

（2）數據存儲層。數據是上層應用的基礎，平臺數據中心基于MapGIS DataStore建設，MapGIS DataStore即面向大數據存儲的分布式存儲引擎，能夠實現各種類型和各種規模的全空間數據的存儲管理。在此基礎上部署PostgreSQL、MongoDB、ElasticSearch及Hadoop數據庫，分別存儲空間矢量數據、切片數據、監測數據及非結構化數據，全方面管理城市地質調查產生的多源異構數據成果。采用大數據采集技術和存儲技術從數據源經抽取、轉換、加載到目的端，如各地市在線匯交城市地質調查成果，平臺利用ETL等技術形成目的數據；為支撐上層微服務層中數據中臺和地質業務中臺的搭建，應用大數據處理技術如spark、storm等進行高效率傳輸、查詢、共享數據信息等操作。

（3）微服務層。平臺建設采用主流微服務技術架構思想，自動化編排和動態調度資源，提供高效、彈性、穩定的服務。基于中臺搭建地質信息化的技術中臺、數據中臺和業務中臺，技術中臺是基礎技術支撐，提供服務注冊、服務發現、負載均衡、彈性伸縮以及認證授權等方面的技術能力，可按需擴展服務，從而保證整個技術架構更開放；數據中臺以數據匯聚和數據融合為抓手，基于數據治理統籌建設，建設基于“地上+地表+地下”的全空間數據體系，通過數據API實現“數據+能力”共享開放；業務中臺按照“共建、共用、互聯、共享”原則，統一包裝和抽象可復用的組件資源和服務資源，實現應用快速云上構建，避免重復投資和復雜的日常運維，滿足地質業務的快速變化和增長需求。

（4）負載均衡層。基于Web靜態資源服務、反向代理等實現資源的彈性擴容、高效容災，保障平臺穩定運行，為用戶提供高效、安全的應用服務。

（5）終端應用層。根據平臺建設目標，以用戶需求為導向，以“生產-管理-應用”為主線開發不同主題的應用系統，為不同用戶人群提供高貼合度的地質信息服務，遵循“數字政府”信息化建設要求，以“廣東省政務大數據中心”為橋梁，以數據服務、應用服務、接口服務等方式實現政府部門、專業部門間成果共享。

（6）用戶層。應用層用戶主要為政府部門、專業技術人員和社會公眾等，政府部門用戶主要以瀏覽查詢地質成果數據服務，以及使用示范應用專題服務為主，輔助其在城市規劃、管理等方面提供決策參考信息；為專業技術人員主要提供野外調查、工程施工與試驗、地質環境監測等數據信息，以及專業工具軟件，如地質數據管理與建庫、三維地質建模、地質專業分析評價等，輔助其進行地質成果生產；針對社會公眾開發城市地質公眾服務子系統，為社會公眾提供城市地質基礎信息、科普地質專業知識，提供地質特色服務等。

1.3 平臺功能設計

1.3.1 專業數據管理與分析系統

以輔助地質專業人員成果生產為目的，開發集數據管理與維護、三維地質建模、地質專業分析評價功能的應用系統，采用C/S架構，部署于云服務器，通過平臺門戶提供下載使用，主體功能如圖2所示。

圖2 專業數據管理與分析系統功能設計Fig. 2 Function design of professional data management and analysis system

（1）數據管理與維護子系統。具備數據庫初始化、數據入庫與更新、數據瀏覽與分析、數據轉換、數據抽取、數據上報與接入、數據輸出等功能，負責數據建庫與管理全方面工作內容。

（2）三維建模子系統。具備地上景觀白模快速構建、精細模型及傾斜攝影模型導入應用，地表地形三維模型快速構建，地下耦合層狀地質體快速建模、復雜地質體半自動交互建模及基于地質結構模型構建屬性三維模型等功能，負責地上地表地下三維模型構建或接入。

（3）地質專業分析評價子系統。具備地質專業圖件制作、地質數據統計、通用綜合評價、工程地質專業分析評價、地下三維空間開發利用評價等功能，負責城市地質調查成果二次加工，深度挖掘有價值的信息，為成果應用提供支撐。

1.3.2 成果信息管理與發布系統

以匯聚管理全省城市地質調查成果并提供服務為目的，開發集地上地下二三維數據一體化管理與分析、地質信息綜合展示、服務發布與資源運維管理、安全防護、公眾服務等功能的應用系統，采用B/S架構，部署在政務外網上，其中城市地質公眾服務可通過反向代理技術為互聯網用戶提供地質信息服務，主體功能如圖3所示。

圖3 成果信息管理與發布系統功能設計Fig. 3 Function design of achievement information management and release system

（1）地上地下二三維一體化管理分析子系統。具備二、三維數據管理、融合展示、分析、統計匯總、地質信息綜合展示等功能，是平臺展示城市地質成果的核心系統，負責矢量類成果的展示瀏覽、屬性信息查詢、二三維分析及結果統計等工作。地上地下二三維一體化展示技術是該應用系統的關鍵，包括二維和地上三維數據的融合、二維和地下三維數據的融合，以及二維和地上地下三維三者的融合，難點在于多源三維模型的一體化融合管理，通過統一時空基準、統一數據格式等方式實現，利用平臺工具軟件三維建模子系統及三維地質模型數據交換格式Geo3DML，實現地上傾斜攝影模型、精細模型、BIM模型、地表地形三維模型與地質三維模型的融合，同時疊加二維矢量數據，實現二維和三維數據的融合。

（2）城市地質公眾服務子系統。具備首頁導航、發布地質新聞、查看專題地圖服務內容、瀏覽圖件資料、科普地質知識及地質勘查項目進度快報等功能，負責為互聯網的社會公眾提供綜合地質信息服務。

（3）服務發布與運維管理、安全防護子系統。具備發布數據服務、應用服務、對接監測設備數據接口服務，統籌管理平臺各項資源并監控其狀態，提供對授權認證、日志分析、應用訪問、數據使用等過程的全方位安全監控等功能。其中服務發布與運維管理子系統基于MapGIS Cloud Manager開發建設，采用云計算技術可有效提升數據服務、應用服務、平臺資源的調度效率，促進資料合理利用。

1.3.3 示范應用系統

以深化城市地質成果服務業務應用為目的，開發示范應用系統，采用B/S架構，部署在政務外網，充分利用平臺中城市地質調查成果，以及通過共享服務獲取其他部門數據服務，為城市規劃、建設、管理等業務提供綜合地質服務，主體功能如圖4所示。

圖4 示范應用系統功能設計Fig. 4 Function design of demonstration application system

示范應用系統是在數據管理、展示瀏覽及基礎分析的基礎上，為進一步深化數據應用而開發的一系列示范性應用功能，包括提供服務資源清單及調用示例，地質“一張圖”瀏覽、查詢、分析、統計等，地質信息綜合查詢，針對地下空間開發利用、工程選址、規劃方案優選等業務提供全流程服務，以及對接地質災害及地下水監測信息并融入監管流程服務應用。

示范應用系統功能主要服務于實際應用，對web端的服務響應要求快速，因此后臺需要應用云計算技術支持前端的要求快速響應，比如地質信息綜合查詢功能，針對用戶需要了解感興趣區域所有相關地質資料的要求，采用云計算技術分析查詢數據庫中所有跟該區域有關的二維矢量數據、三維模型、調查表格、文檔資料及成果圖件等信息，并支持所有查詢結果的定位、展示和屬性信息查看等功能。同時云計算技術在地下空間開發利用適宜性評價、輔助工程選址、規劃方案對比等涉及空間計算、空間分析、空間索引、空間判斷的應用中可有效提高計算性能。

2 關鍵技術

（1）云計算與大數據技術。“數字政府”政務云提供動態擴展的虛擬化資源，支持對多專題、多尺度、多維、異構、海量的城市地質數據的存儲管理、分析計算，使用戶能夠得到高效精準的應用服務；大數據技術是快速提取有價值信息的技術，經過數據篩選、分析預測，形成分析結果，提供輔助決策信息。主要應用于城市地質數據成果的獲取、傳輸、存儲、分析評價、共享應用等方面。

（2）多源異構數據高效集成管理。基于GIS中間件和Web Service技術實現多源異構數據集成，GIS中間件集成多種數據源驅動，以注冊的方式嵌入到客戶軟件中，通過動態加載客戶需求數據驅動，完成不同GIS軟件對多源空間數據訪問，從而避免頻繁的數據格式轉換及數據重構時的數據丟失；Web Service通過對外提供服務接口的方式，讓每一個節點同時成為服務提供者與消費者，完成異構系統交互式服務，從而達到在復雜網絡情況下數據多源性的互操作及服務實現。

（3）海量三維數據動態快速渲染。針對大范圍大數據量的地上、地表、地下三維模型成果展示采用動態快速渲染技術優化瀏覽效率，通過數據過濾、數據輸入輸出、數據緩存、數據索引等技術實現數據庫數據高效讀取；通過數據化簡、坐標轉換、數據裁剪等技術進行數據處理；利用并行渲染、地圖緩存、硬件加速等技術提高渲染效率。

（4）高性能空間分析引擎。高性能空間分析特別是三維分析功能是支撐應用的關鍵技術，利用基礎支撐云管理平臺上服務集群管理的技術，將耗時計算量大的空間分析任務進行細粒度的劃分，并行地在多個IGServer節點上執行空間分析子任務，待所有任務執行完成，最終將各個子任務的結果進行合并匯總，生成空間分析的結果返回給用戶，大大提高了空間分析速率。

3 平臺實現

廣東省自然資源廳城市地質信息管理服務平臺整體部署在政務外網，以“一平臺N應用系統”模式提供各項服務，目前平臺主要實現了數據匯聚管理、輔助成果生產、三維展示分析、提供地市平臺應用等功能，正在推進示范應用及共享服務建設。

3.1 數據匯聚管理

城市地質調查成果按照工作階段分為野外地質調查、工程施工與試驗、地質環境監測及地質成果要素類；按照地質專業又可分為基礎地質、工程地質、水文地質等；數據格式多樣，有數據表、圖件及資料、矢量數據等，在平臺“數據目錄”可查詢所有表格類、非結構化類成果，如野外調查表、鉆孔表、監測數據等，在地上地下二三維一體化管理分析子系統中集中展示二維矢量、三維模型數據服務（圖5）。

圖5 廣東省自然資源廳城市地質信息管理服務平臺數據匯聚Fig. 5 Data aggregation of Urban Geological Information Management and Service Platform of Guangdong Province

3.2 輔助成果生產

針對地市成果生產需求，集中開發了數據管理與維護子系統、三維建模子系統以及專業分析評價子系統，分別為地質專業人員在進行調查成果生產時提供不同軟件功能，有效提交工作效率，保障成果質量。通過平臺“專業系統”在線申請下載使用，為各地市城市地質調查成果生產工作提供信息化技術支撐，避免地市重復建設。

3.3 二三維展示分析

平臺以地上地下、二維三維一體化展示為基礎，可綜合展示二維數據，地上、地表、地下三維模型（圖6、圖7），特別是對地下多源異構三維模型綜合展示效果較好，如地質結構模型、屬性三維模型、三維鉆孔模型、地下建構筑物三維模型等。在綜合展示基礎上提供三維分析功能，如切割分析、基坑開挖、隧道模擬、虛擬鉆孔等，輔助用戶了解地質體內部結構并進行統計分析（圖7），從而為重大工程選線選址、規劃方案對比等業務應用提供基礎。

圖6 二維與地上地下三維模型展示Fig. 6 Display of 2D data and 3D model of ground and underground

圖7 地上地下三維模型展示與分析Fig. 7 Display and analysis of 3D model of ground and underground

3.4 提供地市平臺

在省平臺基礎上搭建地市版城市地質平臺（圖8），部署在省級平臺政務云中，共享省平臺政務云資源，地市用戶通過統一身份認證登錄，成果在線匯交經質檢后匯聚于省級城市地質數據庫中，實現對全省城市地質調查成果的統一管理。平臺提供專業工具軟件下載，包括數據管理與維護子系統、三維建模子系統、城市地質專業分析評價子系統，輔助地質專業人員進行成果生產；提供地上地下二三維一體化管理分析子系統及示范應用系統，實現數據管理、成果展示與分析、示范應用服務等功能，并通過權限控制實現不同用戶的數據訪問權限，保護數據隱私。各地市根據實際需求可進行功能拓展，平臺首頁提供桌面工具開發、網頁應用開發和大數據與云平臺等二次開發服務，有效支撐地市信息化工作，避免重復建設。

圖8 地市版城市地質平臺及功能應用Fig. 8 Urban Geological Platform of city and function application

4 結語

廣東省自然資源廳城市地質信息管理服務平臺立足于“數字政府”政務云資源，采用具有靈活搭建、避免重復開發優點的“中臺+微服務”技術架構，基于大數據管理、服務集群管理、應用集成管理等云平臺搭建而成，提供全省城市地質調查成果匯聚管理、專業評價、三維地質建模、展示分析、輔助決策等功能。城市地質數據庫依據平臺建設的標準規范搭建而成，可滿足不同格式、不同內容的地質數據的存儲管理，對接廣東省自然資源廳一體化數據庫，為其補充地下空間地質信息，同時從一體化數據庫中獲取地上空間信息數據服務，為開展應用提供全面豐富的數據基礎。

目前，廣東城市地質調查試點城市廣州、佛山、河源、惠州、中山，江門新會、清遠清城正在開展調查工作，省平臺的建設為試點城市提供了標準規范，可有效指導開展調查以及成果生產；基于省平臺開發建設的地市版城市地質平臺，具有省平臺主體功能，可為地市提供數據管理、成果生產、專業分析、展示瀏覽、成果共享等服務，針對特色需求可進行功能拓展，有效節約地市信息化工作的資金和時間投入；廣東省城市地質信息管理服務平臺的開發建設還可為其他省份開展相關工作提供參考，特別是基于目前流行的云環境、大數據等技術開展的信息化建設，具有借鑒作用和推廣意義。