三維地質(zhì)模型工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)方向思考

張賀飛, 趙文超, 劉　揚(yáng)

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津　300222)

0　引言

目前,地質(zhì)建模與可視化已經(jīng)成為國內(nèi)地質(zhì)勘察領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn),隨著工程地質(zhì)學(xué)與信息技術(shù)的發(fā)展,在工程地質(zhì)勘察信息化方面已逐漸形成了初步的理論與方法體系,并對工程勘察提出了一體化的需求,其主要目的是建立三維地質(zhì)實(shí)體,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種三維分析。而地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)為地質(zhì)模型建立的基礎(chǔ),建立結(jié)構(gòu)規(guī)范統(tǒng)一的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫,有效地存儲、管理、交流，進(jìn)而充分利用日益增多的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù),此離不開功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng);即在以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)載體的基礎(chǔ)上,還須建立一個(gè)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以保證入庫數(shù)據(jù)的有效性、一致性。

本文結(jié)合基于bengly平臺做的關(guān)于地質(zhì)建模的軟件Geostation,從地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理的現(xiàn)狀出發(fā),論述工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)及管理系統(tǒng)建立過程中需要考慮的問題及未來發(fā)展方向[1]。

1　工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫框架

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)是各類建筑物規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提,也是建立地質(zhì)三維模型的依據(jù)。要全面高效地存儲和管理工程地質(zhì)勘察過程中的各種勘察數(shù)據(jù),必須將工程地質(zhì)的各種對象統(tǒng)一抽象到計(jì)算機(jī)層面,在數(shù)據(jù)庫中建立對應(yīng)關(guān)系。因此工程地質(zhì)數(shù)據(jù)一般按存儲形式分兩種方式管理(表1)。

由于地質(zhì)勘察基礎(chǔ)資料不管在種類上還是數(shù)量上都很多,因此考慮以工作空間來分類管理工程資料數(shù)據(jù)。工作空間是資源管理器中的一組目錄的集合,目錄的組織結(jié)構(gòu)是分項(xiàng)目、勘察階段、工程區(qū)逐級展開并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲,以方便檢索及管理,組織方式如圖1所示。

表1　地質(zhì)數(shù)據(jù)分類

圖1　數(shù)據(jù)庫工作空間分布

2　工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

2.1　數(shù)據(jù)庫平臺選擇

數(shù)據(jù)庫是工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)最重要的組成部分之一,任務(wù)是對工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效的存儲和管理,并為規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)等專業(yè)應(yīng)用提供支持。因此合理選擇數(shù)據(jù)庫平臺對于系統(tǒng)的高效運(yùn)行尤其重要,對于數(shù)據(jù)庫的選擇主要考慮以下幾點(diǎn)[2]:

(1)需要提供地質(zhì)、物探、設(shè)計(jì)多專業(yè)人員網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作環(huán)境,用戶能夠在低帶寬網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)內(nèi)基于中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成各模塊的應(yīng)用。

(2)勘察數(shù)據(jù)是以點(diǎn)源方式記錄的,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層級較多,為了提高數(shù)據(jù)的存取效率,允許數(shù)據(jù)有一定的冗余,但是高層級的數(shù)據(jù)修改會帶來底層級數(shù)據(jù)的大量變動。

(3)地質(zhì)專業(yè)通常在工地現(xiàn)場較長時(shí)間開展工作,人員辦公地點(diǎn)不集中,且辦公環(huán)境較差,幾乎所有用戶都是使用筆記本電腦,經(jīng)常需要在工地臨時(shí)搭建備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,因此盡量選擇對電腦硬件要求不高的數(shù)據(jù)庫。

(4)水電工程勘察沒有可用的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫包,需要進(jìn)行全面設(shè)計(jì)和開發(fā),并且在地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制過程中逐步升級完善。

2.2　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

受工程場地條件、勘察工作流程、專業(yè)工作方法等限制,工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)必須考慮如下幾個(gè)方面的問題:

2.2.1數(shù)據(jù)庫安全

數(shù)據(jù)庫需由專門的管理員負(fù)責(zé)管理,除日常做好數(shù)據(jù)備份之外,還要維護(hù)數(shù)據(jù)的安全。管理員保證數(shù)據(jù)庫安全的手段至少有兩種:一是給數(shù)據(jù)庫設(shè)置訪問權(quán)限,不定期修改數(shù)據(jù)庫登錄密碼,并以密鑰文件方式分發(fā)給項(xiàng)目用戶。二是設(shè)置項(xiàng)目成員對具體數(shù)據(jù)的操作權(quán)限,用戶憑密鑰文件登錄數(shù)據(jù)庫后,根據(jù)權(quán)限瀏覽、添加、修改和刪除數(shù)據(jù)。

2.2.2數(shù)據(jù)庫合并

地質(zhì)項(xiàng)目一般具有多勘察階段和多工程區(qū)等特點(diǎn),項(xiàng)目人員可能分散在遠(yuǎn)離的辦公場地進(jìn)行工作,導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫內(nèi)容不能同步更新。在這種情況下要求數(shù)據(jù)庫能夠合并處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同但數(shù)據(jù)記錄不完全相同的數(shù)據(jù)庫包,且能處理同一條記錄但數(shù)據(jù)不同的問題。一般通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入或者 SQLServer 的復(fù)制組件完成。

2.2.3數(shù)據(jù)庫更新

隨著工程勘察階段的推進(jìn),數(shù)據(jù)不斷增加的同時(shí),以往的數(shù)據(jù)也會被優(yōu)化或刪除。根據(jù)點(diǎn)源數(shù)據(jù)的特點(diǎn),需要將對象基本表與多個(gè)屬性表關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)多個(gè)表之間的級聯(lián)更新刪除,甚至編寫事件觸發(fā)程序來實(shí)現(xiàn)。

2.2.4訪問效率

工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)具有多源、多類、多時(shí)態(tài)等特性,在勘察數(shù)據(jù)總量不大的情況下,可以考慮允許數(shù)據(jù)冗余,提高數(shù)據(jù)訪問效率和利用的方便性。例如,鉆孔揭露地層表,需要描述項(xiàng)目編號、勘察階段、工程區(qū)、鉆孔編號、層序。這樣做的好處是,在進(jìn)行數(shù)據(jù)的單表查詢時(shí),能夠清晰獲知數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和來源。

2.2.5數(shù)據(jù)分類及功能

工程地質(zhì)勘察過程會采集各種地質(zhì)實(shí)體對象的多種格式數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)利用的不同目的,需要按照不同的原則來處理。①直接服務(wù)于地質(zhì)建模、二維出圖等功能的數(shù)據(jù),要盡可能地使數(shù)據(jù)描述更加詳細(xì)準(zhǔn)確。②勘察過程中采集的工程影像、工程照片等大容量資料數(shù)據(jù),不建議保存到數(shù)據(jù)庫里面,這樣不僅影響數(shù)據(jù)庫管理的效率,而且單機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫必然消耗大量硬盤空間,可以考慮將這些數(shù)據(jù)直接保存在服務(wù)器的項(xiàng)目工作空間路徑下,客戶端用戶需要時(shí)可在線或下載瀏覽。③系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)還會產(chǎn)生很多中間或最終成果數(shù)據(jù),如分析模型、工程圖件、查詢統(tǒng)計(jì)表等,這些數(shù)據(jù)的存儲需求要看其是否可以再次由系統(tǒng)完整輸出而不需要用戶后期干預(yù)。

2.2.6操作記錄

基于操作記錄,系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)用戶在某個(gè)時(shí)段內(nèi)完成的具體工作內(nèi)容,方便項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)對工程項(xiàng)目的進(jìn)度實(shí)施有效管理。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常情況時(shí),以便管理員據(jù)此可以追溯何人在何時(shí)對某條記錄進(jìn)行了何種操作,盡量減少誤刪情況的發(fā)生。

2.2.7版本升級

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立是一個(gè)不斷完善的過程,數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)會隨需求動態(tài)調(diào)整,系統(tǒng)功能也需同步提高,因此數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具有擴(kuò)展性。

2.3　跨行業(yè)應(yīng)用管理

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)資料幾乎可以應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的各行各業(yè),因此能夠滿足多種行業(yè)的地質(zhì)數(shù)據(jù)管理要求是工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)需要考慮的重要因素。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,對于同一個(gè)對象的試驗(yàn)就有中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DL規(guī)范)、中國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SL規(guī)范)、中國水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SD規(guī)范)等不同的規(guī)范,因此要在工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮多種規(guī)范,而在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)應(yīng)該考慮根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)來決定啟用哪種規(guī)范來存儲數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上對多行業(yè)地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理。

2.4　分布式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和資源共享,同時(shí)保證協(xié)同環(huán)境下數(shù)據(jù)的一致性,是數(shù)據(jù)庫建設(shè)考慮的重要因素。應(yīng)該實(shí)現(xiàn)在多個(gè)客戶端通過網(wǎng)絡(luò)訪問統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和多用戶同步訪問。

在有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的情況下,分散的用戶通過數(shù)據(jù)管理客戶端登錄訪問位于服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫，在無網(wǎng)絡(luò)的情況下,數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)保存到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。比如地質(zhì)專業(yè)的工作人員來說,由于一部分工作是在野外無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行的,無法實(shí)時(shí)與服務(wù)器連接,所以需要在客戶端建立本地?cái)?shù)據(jù)庫,并在能夠連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫或下載服務(wù)器上的新數(shù)據(jù)。

3　工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的思路

3.1　數(shù)據(jù)入庫流程管理

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料。水利水電工程一般都是工期較長,且分為多個(gè)勘察階段,加上很多項(xiàng)目的原始資料都是很多地質(zhì)人員多年辛苦努力工作的積累,所以數(shù)據(jù)入庫工作極其重要,要保證入庫數(shù)據(jù)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)入庫之前對數(shù)據(jù)規(guī)范性判斷是數(shù)據(jù)庫建設(shè)及管理必不可少的工作,應(yīng)該由用戶錄入數(shù)據(jù)后首先通過客戶端按照地質(zhì)作業(yè)規(guī)范來判斷數(shù)據(jù)是否滿足規(guī)范。只將滿足規(guī)范的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和有效。

3.2　系統(tǒng)架構(gòu)的方向

通過對一些地質(zhì)三維數(shù)據(jù)庫的了解,客戶端計(jì)算一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息需從數(shù)據(jù)庫獲取大量的數(shù)據(jù)到客戶端,然后計(jì)算獲得統(tǒng)計(jì)信息后再將獲取來的數(shù)據(jù)丟棄。因?yàn)榈刭|(zhì)數(shù)據(jù)量一般較大,這樣的功能需求對于客戶端來說也許只是獲取一個(gè)值,但卻占用了大量的網(wǎng)絡(luò)資源。

借鑒Geostation系統(tǒng)架構(gòu)的經(jīng)驗(yàn),基于服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該是在服務(wù)器端增加一個(gè)服務(wù)用于響應(yīng)客戶端的請求,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫和處理,將統(tǒng)計(jì)值的計(jì)算交給服務(wù)器端處理,只將計(jì)算結(jié)果傳送給客戶端,極大地減少了通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。就是說地質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)該包括服務(wù)器端和客戶端兩大部分,數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)和資料傳輸服務(wù)可以運(yùn)行在同一臺或不同的服務(wù)器上,數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)一般與數(shù)據(jù)庫配置在同一臺服務(wù)器上,減少數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸(圖2)。

圖2　基于服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)

3.3　用戶權(quán)限管理

為提高數(shù)據(jù)的安全性,在數(shù)據(jù)庫建設(shè)過程中需要對不同的用戶根據(jù)角色設(shè)定不同的權(quán)限,以往很多地質(zhì)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的系統(tǒng)只分為管理員和一般用戶兩個(gè)角色,對數(shù)據(jù)安全的控制較弱。本文考慮將用戶分為系統(tǒng)管理員、項(xiàng)目管理員、項(xiàng)目成員、系統(tǒng)只讀等角色,其權(quán)限分別描述如下。

3.3.1系統(tǒng)管理員

一般應(yīng)由負(fù)責(zé)企業(yè)信息化的人員擔(dān)任,需要對計(jì)算機(jī)知識有較多了解。系統(tǒng)管理員能夠看到數(shù)據(jù)庫中的所有項(xiàng)目,并且只創(chuàng)建項(xiàng)目和管理項(xiàng)目的用戶;因?yàn)橄到y(tǒng)管理員一般由非地質(zhì)專業(yè)人員承擔(dān),為加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性,系統(tǒng)管理員無維護(hù)數(shù)據(jù)的權(quán)限。

3.3.2項(xiàng)目管理員

一般由地質(zhì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人擔(dān)任,負(fù)責(zé)參與本項(xiàng)目的人員任務(wù)的安排。項(xiàng)目管理員只能看到自己所在的項(xiàng)目,允許創(chuàng)建勘察階段、工程區(qū)及其他數(shù)據(jù)。

3.3.3項(xiàng)目可寫

一般由參與項(xiàng)目的地質(zhì)人員組成,負(fù)責(zé)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)錄入。項(xiàng)目成員只能看到自己所在的項(xiàng)目,及編輯數(shù)據(jù)等。

3.3.4項(xiàng)目只讀

一般為需要查詢數(shù)據(jù)但不參與具體地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)工作的人組成,比如項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)等。項(xiàng)目只讀用戶可以看到自己所在項(xiàng)目的數(shù)據(jù),但只能瀏覽,不能編輯。

3.3.5系統(tǒng)只讀

允許查看所有項(xiàng)目的數(shù)據(jù),但只能瀏覽,不能編輯;此用戶一般為設(shè)計(jì)人員使用,將設(shè)計(jì)人員和地質(zhì)人員區(qū)分開,因?yàn)榈刭|(zhì)三維設(shè)計(jì)需要連接數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行繪圖但并不需要回寫數(shù)據(jù)庫,因此極大地提高了數(shù)據(jù)的安全性。

4　工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與地質(zhì)三維模型拓?fù)潢P(guān)系

地質(zhì)三維建模是一個(gè)很復(fù)雜的過程,建模的內(nèi)容包括地形、地層、巖性、構(gòu)造、地下水、溶洞、相對隔水層、透鏡體、風(fēng)化、卸荷、巖體質(zhì)量、地質(zhì)分區(qū)等。工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為地質(zhì)三維建模提供數(shù)據(jù)支持,而地質(zhì)建模不但需要數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)支持,并且地質(zhì)三維建模過程中,還需頻繁修改,采用二維圖設(shè)計(jì)時(shí),修改一般只影響局部。三維設(shè)計(jì)中,局部修改會要求相關(guān)模型也要重建,三維建模過程中修改帶來的模型重建工作極大地影響了建模效率和質(zhì)量。基于Geostation等地質(zhì)三維建模軟件的測試,筆者認(rèn)為工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與地質(zhì)三維模型建立的拓?fù)潢P(guān)系對地質(zhì)建模至關(guān)重要。

以下就如何建立地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)模型的拓?fù)潢P(guān)系提出幾點(diǎn)看法:

(1)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是隨著工程的進(jìn)展，數(shù)據(jù)一直處于動態(tài)變化中,因此地質(zhì)三維模型和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生拓?fù)潢P(guān)系的部分應(yīng)該能自動更新。

(2)地質(zhì)三維模型有很多工作是在模型中直接編輯的,這就要求數(shù)據(jù)庫有回寫功能,即當(dāng)?shù)刭|(zhì)模型的編輯模型時(shí),模型中的編輯信息能自動存儲到工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中。例如,模型中布置一條勘探線,保存后,就能在數(shù)據(jù)庫中查到這條勘探線的位置、拐點(diǎn)坐標(biāo)等基礎(chǔ)信息。

(3)由于地質(zhì)專業(yè)的特殊性,工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)和三維模型的關(guān)系也應(yīng)區(qū)別對待。對基礎(chǔ)數(shù)據(jù),比如鉆孔數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)等在模型編輯過程中變化了,數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也不應(yīng)更新變化。

總之,地質(zhì)三維建模過程中存在經(jīng)驗(yàn)因素,結(jié)果合理性難以保證。地質(zhì)建模過程復(fù)雜,當(dāng)自動更新執(zhí)行時(shí),系統(tǒng)無法智能識別操作步驟中的經(jīng)驗(yàn)性參數(shù),會導(dǎo)致建模結(jié)果不正確。因此,如何優(yōu)化數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)模型的拓?fù)潢P(guān)系、動態(tài)更新方法,使其減少更新復(fù)雜操作的更新時(shí)間,同時(shí)能夠識別建模過程中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是一個(gè)很復(fù)雜的難題,應(yīng)更深入的研究和逐步完善。

5　結(jié)語

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫就是從野外數(shù)據(jù)采集到成果表達(dá)上實(shí)現(xiàn)了全程數(shù)字化。對提高工程地質(zhì)三維設(shè)計(jì)的效率和成果的表現(xiàn)形式提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。項(xiàng)目人員可從計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用中體會到新技術(shù)帶來的好處,同時(shí)又能形成新的工作模式。本文根據(jù)對Geostation等地質(zhì)三維軟件的應(yīng)用,提出一些對工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的思考和發(fā)展方向,以及目前地質(zhì)三維軟件中的問題和不足,希望能拋磚引玉,找到好的解決辦法,逐步完善地質(zhì)三維勘察系統(tǒng)。并且隨著地質(zhì)三維軟件的逐漸成熟和完善,工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)必定會給地質(zhì)勘察行業(yè)帶來越來越多的效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永兵，陳旭瑞，等.基于GIS的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17(3)：532-533.

[2]王國光，杜明亮.GeoEngine需求分析報(bào)告[R].杭州：中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，2008.