延安市城市地質信息平臺設計與實現

李春波 任磊 王曉勇 于蒙 焦尚斌

收稿日期：2023-08-07；修回日期：2023-12-30

基金項目：中國地質調查局“延安革命老區綜合地質調查”項目（DD20189270）資助

第一作者簡介：李春波（1991- ），男，本科，工程師，從事城市地質調查研究工作。E-mail：lichunbo55@163.com

引用格式：李春波，任磊，王曉勇，于蒙，焦尚斌，2024.延安市城市地質信息平臺設計與實現［J］.城市地質，19（2）：259-266

摘 要：依托延安市政務網支撐平臺——“華為云”平臺，基于SOA（Service-Oriented Architecture）架構，采用B/S（Browser/Server）模式，自下而上搭建包括云平臺基礎層、空間信息感知層、信息資源層、服務層、應用層，綜合運用三維數據存儲管理、網絡傳輸、可視化等關鍵技術，開發了延安市自然資源與地質環境信息平臺。該平臺由服務器、前端界面、運維管理系統和數據發布工具集4部分組成，根據延安城市發展面臨的地質問題，開發了三維場景瀏覽、基礎測繪、革命舊址工程病害監測、城市防災減災、地下空間開發利用、城市規劃等應用功能模塊，實現了對自然資源和地質環境數據的三維可視化管理，可在自然資源管理、城市規劃建設、地下空間開發利用、防災減災等方面為政府相關部門提供服務。

關鍵詞：城市地質；信息系統；三維可視化；延安市

Design and implementation of Yan'an city geological information platform

LI Chunbo1， REN Lei1， WANG Xiaoyong2， YU Meng1， JIAO Shangbin1

（1.519 Team of North China Geological Exploration Bureau（Hebei Jiuhua Surveying and Mapping Co.， Ltd.）， Baoding 071051， Hebei， China；2.Xian Center of China Geology Survey， Xian 710054， Shaanxi， China）

Abstract： Natural Resources and Geological Environment Information Platform of Yan 'an City is built on Yan 'an Municipal Government Network- Huawei Cloud Platform， adopting SOA architecture and using B/S mode. From bottom to top， this Platform consists of the cloud platform basic layer， spatial information perception layer， information resource layer， service layer and application layer. Key technologies are used such as 3D data storage management， network transmission and visualization. The Platform has four parts： server， front-end interface， operation and maintenance management system and data release tool set. Considering the geological problems faced by Yan 'an in its urban development， 3D scene browsing， basic surveying and mapping， disease monitoring of revolutionary site engineering， urban disaster prevention and mitigation， underground space development and utilization， urban planning and other application function modules are developed. The 3D visualization management of natural resources and geological environment data are realized， which provides services to relevant government departments in natural resources management， urban planning and construction， underground space development and utilization， disaster prevention and mitigation.

Keywords： urban geological; information system; 3D visualization; Yanan

隨著城市的快速發展，人類活動對地質環境影響的加劇，造成了許多城市地質問題，諸如水土污染、地質災害、資源短缺等問題嚴重制約著城市的可持續發展（王慧軍等，2019；洪增林，2019；蔣煒等，2023）。為查明城市面臨的地質問題，許多城市開展了城市地質調查工作，作為城市地質調查工作中一項重要內容，城市地質平臺集成了城市地質調查的各類成果數據，在城市規劃、地質信息服務、決策支持等方面發揮了重要作用（江齊英等，2021；傅俊鶴等，2011；黃妲，2020；賈佳佳等，2017；徐秋曉等，2018；于軍等，2016）。

革命圣地延安地處陜北黃土高原腹地，受地形地貌、地質條件、人類工程活動影響，城市發展面臨著建設用地短缺、建筑密度大、交通擁堵、市政設施分布不均衡、側向山體地質災害發育等問題，嚴重制約著延安城市的功能布局與發展（段旭等，2017；張茂省等，2019；程秀娟等，2021）。為查明延安市地質環境條件和自然資源狀況，2017自然資源部中國地質調查局部署啟動了延安革命老區綜合地質調查項目，按照中國地質調查局《關于加強城市地質工作的指導意見》及《城市地質調查總體方案》，開始建設延安城市地質信息平臺。本文采用SOA架構、B/S模式，搭建形成了延安市自然資源與地質環境信息平臺的基礎框架；基于三維傾斜攝影測量成果建立了延安市主城區地表及建筑模型，通過搜集的工程地質鉆孔數據建立了延安市主城區三維地質結構模型和屬性模型；針對不同類型地質數據制定了數據格式轉換標準，采用三維數據存儲管理、網絡傳輸、可視化等關鍵技術實現了各類數據的存儲、傳輸及三維可視化；開發了平臺前端界面、運維管理系統和數據發布工具集以及應用功能模塊，實現了對延安市自然資源和地質環境數據的三維可視化展示、管理、分析，探索了為政府有關部門提供服務的具體模式。

1? 平臺總體設計

1.1? 總體架構設計

依托延安市政務網支撐平臺——“華為云”平臺，基于已有地質環境監測預警網，通過規范其體系結構，實現形變、溫度、降雨量以及其他空間信息、監測數據的匯聚，并通過物聯網或其他方式匯聚至平臺的信息資源層，按照數據類型分別存儲于關系型和非關系型數據庫中，由平臺的運維管理系統統一進行資源管理；采用SOA（Service-Oriented Architecture）架構，將應用服務、模型服務、地質數據服務、地質軟件服務等相關功能進行有效封裝，以網絡服務的方式進行發布和應用，實現資源的共享和個性化的定制服務，結合不同用戶需求，開發應用功能模塊，實現專業監測類、決策支撐類、展示服務類和基礎支撐類四大主題應用，針對性、差別性地服務政府職能部門決策、社會公眾的科普教育以及專業技術人員的基礎研究。

1.2? 基本功能設計

延安市自然資源與地質環境信息平臺采用B/S（Browser/Server）模式，基于SOA架構設計，按照實用性、規范性、現勢性、安全性和開放性的原則，采用多層次、強解耦性的體系架構，保證平臺具有良好的擴展性和靈活性的同時具有良好的規范性和安全性。平臺基本功能設計思路包括三維模型數據標準、數據集成管理、三維數據發布與更新、三維可視化專業應用等幾大方面，同時兼顧平臺的安全設計以及性能設計。

1.3? 應用功能設計

平臺除上述基本功能之外，還設計了革命舊址工程病害保護、城市防災減災、地下空間開發利用等應用服務功能，提高平臺的應用與服務能力，以便更好地為城市規劃、建設、管理提供服務。

1.4? 安全及性能設計

平臺的開發按照國家有關電子政務安全策略、法規、標準和管理要求進行，以風險評估和需求分析為基礎，堅持適度安全、技術與管理并重、分級與多層保護和動態發展等原則，保證了網絡安全和數據安全，提高了服務的安全性和穩定性。

安全設計主要包括系統安全設計、數據安全設計、權限安全設計，性能設計主要包括可用性、擴展性、響應性、管理性。

2? 平臺開發與實現

2.1? 平臺技術架構

延安市自然資源與地質環境信息平臺在開發時堅持數據存儲與管理、數據服務與應用相分離的架構原則，實現了數據的管理、共享、融合、交換及與應用系統的集成。平臺的技術架構由下至上分為云平臺基礎層、空間信息感知層、信息資源層、服務層、應用層，通過建立標準數據體系聯系各層（圖1）。

2.2? 數據庫設計

在數據庫設計之初即考慮到了平臺將集成海量的多源異構數據，包括遙感影像、傾斜模型、三維地質模型、各類地質調查成果數據。在多源異構數據處理方面，將根據數據類型，采用不同的ETL（Extract-Transform-Load）工具將多源異構數據抽取到數據層，進行數據格式轉換后存儲于分布式文件系統中，實現海量數據的快速處理和分析。

2.3? 關鍵技術

平臺開發綜合評估了當前基于網絡的三維GIS（Geographic Information System）國內外技術現狀和發展趨勢，在技術路線上采用當前地理信息行業主流技術，以降低資源成本、使用成本，增強平臺穩定性，提升運行與響應效率（表1）。

1）平臺結構體系

SOA架構是一種粗粒度、松耦合的面向服務的架構模型，可將平臺各項應用功能定義為不同服務，并通過定義服務的接口和協議將全部服務聯系在一起，實現應用與服務分離，這樣既保證了產品的可移植性和可擴展性，又實現了服務共享和多端兼容（陳凱等，2021；徐剛等，2023）。

B/S模式是當前地理信息平臺常用的一種網絡結構模式，在該模式下，平臺的可擴展性強，同時用戶使用也比較方便，貼合平臺面向專業技術人員、政府管理部門、社會公眾等不同使用群體的需求。

2）三維數據存儲管理技術

瓦片金字塔技術是地理信息系統中常用的一種技術，實質上是一種多分辨率層次模型（王履華等，2010）。以遙感影像為例（圖2），在數據處理過程中，將影像按照一定尺寸和格式，以一定的縮放級別或比例尺，切割成若干行和列的正方形柵格圖片，并編譯發布海量小文件集，以Linux的文件系統格式進行存儲。采用該技術，平臺的運行成本較低，小文件、大目錄樹和低CPU功耗等綜合效率要高于Windows文件系統。

城市級三維數據具有多維、多源、多尺度、海量和屬性豐富的特點（羅嬌等，2020）。延安綜合地質調查工作取得的數據成果類型包括矢量數據、遙感影像數據、DEM（Digital Elevation Model）數據、POI（Point of Interest）數據和多媒體數據等，不同數據的精度、比例尺、時間跨度均不相同。在平臺開發過程中，為提高平臺響應速度，以文件系統的方式對三維數據進行壓縮和存儲。其中遙感影像數據和DEM數據采用瓦片金字塔技術進行數據組織和壓縮存儲，屬性數據存儲于數據庫中，空間數據采用GeoDabase＋ArcSDE或OracleSpatial等二維GIS空間數據引擎進行存儲（圖3）。不同數據之間通過關鍵詞進行關聯，以達到功能、管理的相對獨立性。

3）三維數據網絡傳輸技術

基于網絡的三維場影模型繪制系統往往由于大量的幾何數據需要經由網絡傳輸到客戶端，網絡帶寬常常成為系統的瓶頸，延安市自然資源與地質環境信息平臺對多種三維數據傳輸技術進行了優化。采用與ActiveX插件有機結合的B/S體系結構，將三維數據集中存放在服務器端，服務器負責實現GIS空間分析以及網絡服務的功能，通過Internet將結果傳送至客戶端；采用漸進傳輸技術，實現“邊下載，邊顯示”效果（楊必勝等，2009）；對影像和紋理數據采用JPEG壓縮格式，提高紋理貼圖的重復使用率，最大限度減少數據量，同時采用自動平衡下載技術將更多的網絡帶寬分配給影像和紋理資源，采用多級緩存技術提高服務端對服務請求的響應能力，提高運行速度與效率。

4）三維數據可視化技術

平臺在開發過程中對傳統的三維數據可視化技術進行了流程和算法優化（圖4）。采用實時遮擋裁剪算法的數據裁剪技術，大大提高了三維景觀的實時處理效率（馮麗婕等，2020）；采用基于數據分層、分塊以及數據頁動態更新的數據動態裝載技術，實現多層次、大范圍的城市場景實時描繪；基于四叉樹結構的多分辨率LOD技術，依據視點的位置和方向合理地選擇多分辨率的地圖表示，達到LOD不同細節層級渲染的效果，有效簡化、控制場景的數據復雜度（張俊峰等，2013）；基于先進的GIS內核技術，將二維和三維統一到真實的地理空間（球面空間）中，實現了二、三維的有機結合，將所有的二維和三維數據都轉換為真實的地理空間坐標進行發布集成，采用一體化的空間分析和算法引擎，實現了各類三維數據在地理空間上的一體化。

3? 平臺組成與應用

3.1? 平臺組成

平臺由服務器、前端界面、運維管理系統和數據發布工具集4部分組成。服務器采用“華為云”服務器；在用戶界面設計上充分考慮了在線和離線的應用模式，打造了一種基于Web的、二維GIS與三維GIS聯動的、具有可折疊式標題和功能條的人機交互風格的前端界面；獨立的運維管理系統從邏輯上與其他各層（如應用支撐層等）進行分離，從而實現了數據管理和運行維護的設備無關性和位置無關性；數據發布工具集是平臺的重要組成部分，是完全按照主線產品的功能需求而設計開發的輔助工具，為平臺在數據發布方面提供了有力的支持。

3.2? 數據集成

平臺集成了延安革命老區綜合地質調查項目的多類成果數據，包括主城區三維傾斜攝影測量成果（DEM、DOM和單體化建筑模型）、主城區三維地質模型、地下空間、地質災害、水文水資源調查、革命舊址、地質遺跡、植被覆蓋遙感監測、延安新區歷史地形影像等海量多源異構數據，實現了數據的瀏覽、查詢、統計、分析等基本功能。

3.3? 平臺應用

1）服務城市規劃建設

平臺不僅實現了在城市規劃中常用的基礎測繪、通視分析、視域分析、陰影分析、天際線分析等功能，還可以進行剖切分析、地形分析、坡度分析、匯水分析等（圖5），在服務城市規劃建設方面，可以為政府有關部門在城市總體規劃、重大工程選址、工程建設適宜性評價等方面提供輔助決策支持。

2）服務城市防災減災

近年來，城市安全日益成為政府和人民群眾最關切的問題之一，做好城市防災減災工作對保障人民群眾生命財產安全、維護城市有序發展運行至關重要。延安作為黃土丘陵溝壑區的典型代表，地質災害十分發育，僅主城區就發育滑坡、崩塌、泥石流、不穩定斜坡等地質災害隱患點千余處，對人民群眾生命財產安全造成嚴重威脅。平臺在設計過程中，綜合地質災害隱患點、受威脅對象、地形、道路交通、避難場所等數據，開發了應急避險模塊，模擬地質災害發生時受威脅對象的最佳撤離路線（圖6）。此外，還結合延安市主城區地質環境特點，針對性開發了滑坡分析、淹沒分析等防災減災功能模塊。

3）服務城市地下空間開發利用

延安市主城區是典型的線狀城市，在空間上呈現“三山夾兩川”的Y字形，地表空間嚴重短缺，加大對地下空間的開發利用是解決土地資源短缺的方法之一。為更好地解決延安市在地下空間開發利用中的問題，結合三維地質模型開發了隧道模擬、地下BIM（Building Information Modeling）模型漫游等功能模塊，結合城市三維地質模型（圖7），可以輔助地下工程的選址和建設、為城市地下空間開發利用提供參考。

4? 結論

延安市自然資源與地質環境信息平臺基于“華為云”平臺，采用B/S模式、SOA架構，集三維數據存儲管理、數據網絡傳輸、數據可視化等關鍵技術于一體，開發了前端界面、運維管理系統和數據發布工具集，集成了延安市主城區地表三維傾斜攝影模型、地下三維地質模型以及延安市綜合地質調查成果，實現了對延安市自然資源與地質環境數據的三維可視化展示與管理。

基于延安市自然資源與地質環境信息平臺集成的延安市綜合地質調查成果，針對延安市在革命舊址工程病害保護、城市防災減災、地下空間開發利用等方面面臨的突出問題，開發了相應的應用功能模塊，可為政府有關部門提供專業地質服務。

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