城市地質(zhì)調(diào)查三維地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)國土資源信息系統(tǒng)所2010.11.02城市三維地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)吳沖龍?jiān)谑姓畽C(jī)構(gòu)中的礦管局、規(guī)劃局、建設(shè)局、地震局、農(nóng)業(yè)局和水利局等，都全部或部分地與城市地質(zhì)信息的采集、管理、處理和應(yīng)用有關(guān)。在當(dāng)前的數(shù)字城市工程中，一個(gè)重要的方面是城市地質(zhì)信息系統(tǒng)的建設(shè)；而建設(shè)城市地質(zhì)信息系統(tǒng)正是數(shù)字國土工程的重要任務(wù)之一。因此，將數(shù)字國土工程與數(shù)字城市建設(shè)結(jié)合起來，進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃、統(tǒng)一的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建設(shè)，是十分必要而又是十分有利的。1.系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀、對(duì)策和目標(biāo)1.1建設(shè)現(xiàn)狀為了有效地管理、處理和利用地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息、地下空間信息、水資源信息和礦產(chǎn)資源信息，需要在利用現(xiàn)代化信息技術(shù)建造地上數(shù)字城市的同時(shí)，建造一個(gè)地下數(shù)字城市。解放以來，我國各城市都開展過大量的城建工程、地下工程、地下水資源和礦產(chǎn)資源勘查，積累了海量的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)與資源數(shù)據(jù)。近十幾年來，一些城市的政府部門也分別根據(jù)各自的工作需要建立了數(shù)據(jù)庫，但未做統(tǒng)一的系統(tǒng)分析，也缺乏整體規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)化，所建立的數(shù)據(jù)庫只適應(yīng)于某一特定服務(wù)項(xiàng)目。發(fā)展下去，這些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將會(huì)成為一系列“信息孤島”，信息既不完整又有冗余，許多數(shù)據(jù)資料被重復(fù)存貯、重復(fù)加工，無法實(shí)現(xiàn)交叉訪問，也不能支持未來的再開發(fā)、再提高，難以滿足迅速增長的信息處理要求，更難以被納入到城域網(wǎng)絡(luò)中去。可能的出路是將實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)數(shù)字化、信息化納入“數(shù)字城市”工程的統(tǒng)一規(guī)劃中去，研發(fā)并建造主題式的“城市地質(zhì)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)”，并且實(shí)現(xiàn)從野外數(shù)據(jù)采集到室內(nèi)數(shù)據(jù)管理，再到數(shù)據(jù)綜合整理、圖件編繪、資源評(píng)價(jià)和預(yù)測、決策的全程計(jì)算機(jī)輔助化。1.2建設(shè)對(duì)策在此平臺(tái)上，可以進(jìn)一步建立“城市地礦資源綜合管理”、“城市工程地質(zhì)管理”、“城市地基管理”

、“城市水資源管理”、“城市地下空間利用管理”、“地礦資源開發(fā)利用管理”、“地震災(zāi)害精細(xì)區(qū)劃管理”等決策支持系統(tǒng)和服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。另一方面，可以運(yùn)用“多S”

集成技術(shù)、聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、三維可視化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將已有的和新建的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫、圖形庫、知識(shí)庫、方法庫、模型庫與管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及用戶接口等集成在一起。6從2003年開始，中國基礎(chǔ)性、公益性的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作轉(zhuǎn)入以城市為主體的發(fā)展階段。城市地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容，除了以往常有的普通地質(zhì)和礦產(chǎn)地質(zhì)之外，還增加了工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地震地質(zhì)、旅游地質(zhì)，等等。為此，中國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)立城市地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)項(xiàng)目，以北京、天津、南京、上海、杭州和廣州等城市為試點(diǎn)城市，明確要求建立三維地質(zhì)信息系統(tǒng)。由于城市地下空間利用也已經(jīng)提到了我國政府的議事日程上，國土資源部又設(shè)立了兼顧城市地下空間利用的城市地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)項(xiàng)目，同樣要求建立三維地質(zhì)信息系統(tǒng)。下一步將在全國各大中城市進(jìn)行三維地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)。1.3建設(shè)措施7從實(shí)際需求出發(fā)，開發(fā)出三維可視化的城市地質(zhì)調(diào)查信息系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)數(shù)據(jù)的整合、建庫與三維數(shù)字化管理、表達(dá)及應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)信息資源的共享，為城市規(guī)劃、建設(shè)及管理服務(wù)。1.4建設(shè)目標(biāo)從某種意義上說，一個(gè)完善的城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，就是一個(gè)“地下數(shù)字城市”。8完善城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及建庫規(guī)范；建立城市地質(zhì)調(diào)查主題式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；建立城市地質(zhì)圖件的計(jì)算機(jī)輔助編繪系統(tǒng)；建立城市三維數(shù)字地質(zhì)體和地下空間；建立城市地質(zhì)的三維可視化空間分析系統(tǒng)；建立地質(zhì)三維可視化空間決策支持系統(tǒng)；建立城市的三維可視化礦產(chǎn)資源管理系統(tǒng)；建立城市的三維可視化水資源管理系統(tǒng)；建立基于地質(zhì)信息的城市規(guī)劃用地評(píng)定系統(tǒng)；建立城市地質(zhì)信息發(fā)布與公眾服務(wù)系統(tǒng)。1.5建設(shè)內(nèi)容對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查圖文數(shù)字資料礦產(chǎn)地質(zhì)勘探圖文數(shù)字資料工程地質(zhì)勘探圖文數(shù)字資料水文地質(zhì)勘探圖文數(shù)字資料地下工程礦山圖文數(shù)字資料物探、化探圖文數(shù)字資料(多媒體技術(shù)、矢量化技術(shù)、鍵盤、數(shù)字化儀、掃描儀)多方式輸入礦產(chǎn)地質(zhì)勘探對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫工程地質(zhì)勘察對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫遙感地質(zhì)解釋對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫水文地質(zhì)勘探對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫地震地質(zhì)勘察對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)(OLAP)數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)(DBMS)數(shù)據(jù)庫管理維護(hù)、隨機(jī)查詢檢索、空間查詢檢索、專題數(shù)據(jù)組織寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)集市、空間分析、三維可視化分析城市地質(zhì)信息查詢檢索礦產(chǎn)資源開發(fā)利用與管理水資源利用動(dòng)態(tài)管理地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與管理地震災(zāi)害區(qū)劃與管理地下工程設(shè)計(jì)與管理城市規(guī)劃、國土資源規(guī)劃、國土資源綜合管理、市政建設(shè)地下工程建設(shè)、礦山建設(shè)、防震救災(zāi)及其決策支持RS數(shù)據(jù)及解釋圖文資料2.城市三維地質(zhì)信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)××××××××××城市××系統(tǒng)總體框架三層架構(gòu)應(yīng)用層業(yè)務(wù)邏輯層數(shù)據(jù)訪問層面向城市地質(zhì)及數(shù)據(jù)的實(shí)際情況面向城市規(guī)劃、建設(shè)與管理應(yīng)用面向地質(zhì)行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)組成數(shù)字城市××QuantyView3DQuantyView2D12城市地質(zhì)數(shù)據(jù)涉及到基礎(chǔ)地理、基巖地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地震地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)資源、環(huán)境地質(zhì)等，具有顯著的多源、多類、多維、多尺度、多時(shí)態(tài)、多主題特征。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)各不相同，具有顯著的異構(gòu)特征，而且獲取的時(shí)間跨度大，出自不同行業(yè)部門，存在著數(shù)據(jù)采集手段、采集水平、數(shù)據(jù)質(zhì)量上的差異。因此，城市地質(zhì)調(diào)查信息系統(tǒng)建設(shè)的首要任務(wù)，就是要制定并且采用城市地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合與集成。3.數(shù)據(jù)整合與建庫3.水文地質(zhì)圖件3.11:20萬綜合水文地質(zhì)圖3.21:5萬都市發(fā)展區(qū)綜合水文地質(zhì)圖4.地震地質(zhì)圖件4.11:10萬地震設(shè)防烈度分區(qū)圖4.21:10萬地質(zhì)構(gòu)造與歷史地震分布圖5.地質(zhì)資源分布圖5.11:5萬地質(zhì)資源分布圖系6.地質(zhì)災(zāi)害分布圖6.11:5萬地質(zhì)災(zāi)害分布圖系6.21:5萬地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖7.環(huán)境地質(zhì)圖系7.11:5萬露采礦山分布圖7.21:5萬垃圾處置場地分布圖7.31:25萬土壤重金屬污染程度分級(jí)圖系7.41:25萬地球化學(xué)污染分區(qū)圖7.51:10萬天然放射性分布分級(jí)圖7.61:1萬主要垃圾填埋場水土污染現(xiàn)狀圖7.7特殊廢棄物處理場分布圖8.地貌圖8.11:5萬地貌圖(滿足用地評(píng)定)9.用地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)9.11:5萬用地現(xiàn)狀圖圍繞城市規(guī)劃用地評(píng)定工作開展的地質(zhì)編圖1.基礎(chǔ)地質(zhì)圖件1.1

1:5萬區(qū)域地質(zhì)圖1.2

1:5萬基巖地質(zhì)圖(基巖地質(zhì)、構(gòu)造、基巖面埋深等值線或松散層厚度等值線)1.3

1:10萬構(gòu)造綱要圖1.4

1:5萬航磁等值線圖1.5

1:5萬重力等值線圖1.6

1:5萬第四紀(jì)地質(zhì)圖1.7

1:1萬秦淮河古河道分布圖2.工程地質(zhì)圖件2.11:5工程地質(zhì)圖2.21:5填土分布圖(厚度等值線)2.3

1:5不同深度軟土分布圖(厚度等值線)2.4

1:5不同深度砂土分布圖(厚度等值線)2.5

1:5下蜀黃土分布圖(厚度等值線)2.61:2.5萬工程地質(zhì)圖2.71:2.5填土分布圖(厚度等值線)2.81:2.5不同深度軟土分布圖(厚度等值線)2.91:2.5不同深度砂土分布圖(厚度等值線)2.101:2.5下蜀黃土分布圖(厚度等值線)9類33種城鄉(xiāng)用地評(píng)價(jià)涉及的地質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)容1．區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)包括區(qū)域地質(zhì)圖、構(gòu)造綱要圖、基巖地質(zhì)圖、基巖面埋深等值線圖、松散層厚度等值線圖等數(shù)據(jù)。(比例尺1：5萬，描述規(guī)劃區(qū)及鄰近地段的主要構(gòu)造形態(tài)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的行跡和特點(diǎn)(斷裂活動(dòng)性)，軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)與特點(diǎn)，巖土接觸面及軟弱夾層的特性等)2．地震地質(zhì)數(shù)據(jù)包括地震設(shè)防烈度分區(qū)圖、地質(zhì)構(gòu)造與活動(dòng)斷裂分布圖等數(shù)據(jù)(比例尺1：5萬，描述區(qū)域地震烈度、地震活動(dòng)、地震活動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系)3．工程地質(zhì)數(shù)據(jù)包括工程地質(zhì)圖、軟土分布圖、砂土分布圖、人工填土分布圖、下蜀土分布圖等數(shù)據(jù)(比例尺1：2.5萬，描述工程地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)、成因、埋藏條件、空間分布、巖性和巖土的力學(xué)性質(zhì)，特殊巖土的類型、分布、工程地質(zhì)特性)4．第四紀(jì)地質(zhì)數(shù)據(jù)包括第四紀(jì)地質(zhì)圖、古河道分布圖等數(shù)據(jù)(比例尺1：5萬和1：2.5萬，描述第四系或松散層的地層結(jié)構(gòu)、成因、年代、埋藏條件、空間分布，特殊巖土的類型、分布、工程地質(zhì)特性，古閩江的分布范圍、河床沉積物特征與空間展布以及地下水運(yùn)動(dòng)特征)5．水文地質(zhì)數(shù)據(jù)包括綜合水文地質(zhì)圖、淺層地下水水文地質(zhì)圖(比例尺1：5萬，描述水文地質(zhì)(含水層與隔水層)地層結(jié)構(gòu)、埋藏條件、空間分布、力學(xué)性質(zhì)，地下水的類型、埋藏、補(bǔ)給，地下水的動(dòng)態(tài)變化、地下水的化學(xué)特性，水環(huán)境對(duì)建筑物的作用)6．地質(zhì)資源數(shù)據(jù)包括地下水資源、地?zé)豳Y源、旅游地質(zhì)資源、礦產(chǎn)資源分布等地質(zhì)資源分布圖數(shù)據(jù)(比例尺1：5萬。描述地下水資源、地?zé)豳Y源、旅游地質(zhì)資源、礦產(chǎn)資源等的類型、分布、規(guī)模，以及利用現(xiàn)狀)7．地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)包括滑坡、崩塌、采空塌陷、巖溶塌陷、地裂縫、地面沉降、江岸侵蝕淤積等分布圖等地質(zhì)資源分布圖數(shù)據(jù)(比例尺1：5萬、1：2.5萬和1：1萬。描述地質(zhì)災(zāi)害類型、分布范圍、影響程度、發(fā)災(zāi)機(jī)理)8．環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)包括露采礦山分布圖、垃圾填理場分布圖、主要垃圾填埋場水土污染現(xiàn)狀圖、土壤地球化學(xué)圖、天然放射性分布分級(jí)圖等環(huán)境地質(zhì)圖數(shù)據(jù)(比例尺1：5萬。描述露采礦山類型、分布、利用現(xiàn)狀，垃圾填埋場的空間分布、垃圾填埋場對(duì)水土污染狀況，土壤地球化學(xué)特征、空間分布，天然放射性等級(jí)和分布)9．地形地貌數(shù)據(jù)包括DLG、DOM、DEM等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(比例尺1：500、1：1000、1：1萬、1：5萬，表達(dá)流域水系、行洪區(qū)、蓄洪區(qū)、圩垸區(qū)等水文與防洪工程，利用多比例尺地形數(shù)據(jù)(等高線、高程點(diǎn)、河湖堤防、道路等，以及已有的DEM)產(chǎn)生劇由特征線參與構(gòu)建的DEM，利用DEM產(chǎn)生地面坡度坡向、地形破碎度，進(jìn)行地貌區(qū)劃(沖溝的發(fā)育)、洪水為害等級(jí)劃分、江河湖岸線的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。15原始庫\基礎(chǔ)庫\成果庫的關(guān)系存儲(chǔ)城市地質(zhì)調(diào)查中通過儀器、實(shí)驗(yàn)室分析或野外觀察直接獲取或收集的原始記錄數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的勘查(察)報(bào)告、圖件，電子數(shù)據(jù)等。存儲(chǔ)對(duì)原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范整理后的各類數(shù)據(jù)，以及由成果數(shù)據(jù)經(jīng)過專家評(píng)審或管理部門認(rèn)定后轉(zhuǎn)化而來的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)由原始數(shù)據(jù)庫或基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過轉(zhuǎn)換、分析、處理形成的各類數(shù)據(jù)，主要是空間屬性一體化的成果圖件。成果數(shù)據(jù)經(jīng)過專家評(píng)審或管理部門認(rèn)定后可以轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。16各類數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)整合過程

數(shù)據(jù)整理與入庫流程204.系統(tǒng)主要功能數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)查詢圖件制作鉆孔柱狀圖地質(zhì)剖面圖三維建模與空間分析成果發(fā)布數(shù)據(jù)入庫屬性數(shù)據(jù)入庫空間數(shù)據(jù)入庫數(shù)據(jù)維護(hù)元數(shù)據(jù)維護(hù)數(shù)據(jù)管理權(quán)限設(shè)置與訪問控制4.1數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)入庫數(shù)據(jù)資源的動(dòng)態(tài)組織與管理數(shù)據(jù)資源的權(quán)限管理查詢統(tǒng)計(jì)通用屬性查詢空間查詢專題查詢鉆孔關(guān)聯(lián)查詢定制查詢緩沖區(qū)查詢4.2數(shù)據(jù)查詢查詢統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)查詢294.3圖件制作鉆孔柱狀圖地質(zhì)剖面圖4.4三維建模與空間分析地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程都不同程度地存在著結(jié)構(gòu)信息不完全、關(guān)系信息不完全、參數(shù)信息不完全和演化信息不完全的情況，需采用三維可視化技術(shù)有效地提高對(duì)這種不良結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化問題的感知力、洞察力和分析力。地質(zhì)勘查工作的基本任務(wù)是為資源的開發(fā)、利用、管理和保護(hù)，以及地質(zhì)災(zāi)害的防治提供決策支持。對(duì)其空間決策支持認(rèn)知過程可視化的研究，主要集中于地下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分和過程的體三維建模、表達(dá)、分析和動(dòng)態(tài)模擬。這種可視化技術(shù)不僅要求有信息和知識(shí)的交流傳遞作用，還要求有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)、交互特性，用戶可按需自行定制待瀏覽對(duì)象、可視方法、顯示形式，并可對(duì)整個(gè)過程修改編輯，多角度地觀察復(fù)雜空間對(duì)象及其空間關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)面向城市地下工程規(guī)劃、用地評(píng)價(jià)和相關(guān)地質(zhì)分析的三維交互式可視化分析目標(biāo)，需實(shí)現(xiàn)分別基于鉆孔、剖面、平面、平洞、槽探數(shù)據(jù)，或者上述各種數(shù)據(jù)的混合進(jìn)行三維數(shù)字地質(zhì)體構(gòu)建。合理的建模方式是采用表面模型與體元模型混合建模方式，以表面不規(guī)則三角網(wǎng)格和四面體作為建模基本單元，通過對(duì)城市地下地質(zhì)體進(jìn)行空間離散以及空間拓?fù)潢P(guān)系的構(gòu)建，形成三維數(shù)字地質(zhì)體。三維數(shù)字地質(zhì)體構(gòu)建3435截面分析開挖分析地形分析虛擬