濟(jì)南泉域四維環(huán)境可視化平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)研究

馬瑜宏

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014)

1 研究背景

建設(shè)和諧宜居、富有活力、各具特色的現(xiàn)代化城市，迫切需要加強(qiáng)城市地質(zhì)工作。多維度城市地質(zhì)信息系統(tǒng)的建設(shè)，可以為實(shí)現(xiàn)城市有序建設(shè)、適度開發(fā)提供有效的解決方案。

針對(duì)濟(jì)南市亟待研究解決的城市地下空間有效利用與保泉供水、地質(zhì)災(zāi)害防治之間的矛盾，山東省地質(zhì)調(diào)查院于2009年開始實(shí)施“濟(jì)南城市地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目，建立了濟(jì)南市三維可視化城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和服務(wù)系統(tǒng)，但其三維建模區(qū)未完全覆蓋軌道交通規(guī)劃范圍，且自2013年后該系統(tǒng)未繼續(xù)更新相關(guān)數(shù)據(jù)，因此該三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)已不能完全對(duì)接當(dāng)前的軌道交通管理平臺(tái)。

為打造精準(zhǔn)對(duì)接軌道交通建設(shè)相關(guān)問題的地質(zhì)環(huán)境數(shù)字化平臺(tái)，2018年，山東省地質(zhì)調(diào)查院與濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司合作，決定建立濟(jì)南泉域四維環(huán)境可視化平臺(tái)。該平臺(tái)在原有三維平臺(tái)基礎(chǔ)上納入更多專業(yè)數(shù)據(jù)，通過建模技術(shù)革新和在監(jiān)測(cè)平臺(tái)增加時(shí)間維度等，可以為城市地下空間開發(fā)利用提供更全面的信息化技術(shù)支持。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]，其建設(shè)情況是決定平臺(tái)建設(shè)成功與否的關(guān)鍵所在[2-3]。因此，針對(duì)廣泛、多樣、海量的城市地質(zhì)數(shù)據(jù)，如何對(duì)其梳理、標(biāo)準(zhǔn)化并規(guī)范入庫(kù)，是平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵，也是平臺(tái)后續(xù)維護(hù)、更新的保障。

2 數(shù)據(jù)源分析與處理

該次建庫(kù)所用數(shù)據(jù)要求相關(guān)基礎(chǔ)資料必須完整、齊全。入庫(kù)數(shù)據(jù)包括鉆孔、地下水位統(tǒng)測(cè)、水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)、抽水試驗(yàn)、泉點(diǎn)、地理信息測(cè)繪、地下管線、地下水監(jiān)測(cè)、BIM模型等數(shù)據(jù)。

2.1 統(tǒng)一坐標(biāo)系與高程基準(zhǔn)

開展數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)之前，需要確定統(tǒng)一的坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)，所有入庫(kù)的數(shù)據(jù)都必須統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系和對(duì)應(yīng)的高程基準(zhǔn)。該次數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)統(tǒng)一采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.2 劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)層次

系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)來源廣、類型多、數(shù)據(jù)量大、關(guān)系復(fù)雜，要想有效地存儲(chǔ)、管理和使用這些數(shù)據(jù)，就必須按一定方式進(jìn)行分類。根據(jù)數(shù)據(jù)專業(yè)類型的不同，在橫向上把這些數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球化學(xué)等專題數(shù)據(jù)庫(kù)；按照使用方式和作用不同，在縱向上將這些數(shù)據(jù)劃分為原始數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)各層次數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)各層次關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)流程與方法

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)行以濟(jì)南泉域四維環(huán)境可視化信息系統(tǒng)為平臺(tái)，該平臺(tái)系以MapGIS 10為基礎(chǔ)研究開發(fā)。MapGIS 10是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代面向服務(wù)的地質(zhì)專業(yè)信息應(yīng)用平臺(tái)，能夠滿足主流IT技術(shù)的無縫連接和嵌入，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、集成與分析評(píng)價(jià)的能力，在國(guó)內(nèi)的三維建模中應(yīng)用廣泛。數(shù)據(jù)管理主要用到MapGIS 10的數(shù)據(jù)中心和大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle 10g。

3.2 建庫(kù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

建庫(kù)主要參考標(biāo)準(zhǔn)有《城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)指南》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2006年)《地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫(kù)工作指南2.0》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)《城市環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)與成果三維可視化信息系統(tǒng)建設(shè)要求(征求意見稿)》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2006年)《DD2015-04城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)規(guī)范》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)《重要經(jīng)濟(jì)區(qū)和城市群地質(zhì)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)指南》《地質(zhì)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與評(píng)價(jià)》。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)流程

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)主要在研究城市地質(zhì)調(diào)查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)收集或調(diào)查得到的地質(zhì)資料進(jìn)行數(shù)字化和規(guī)范化處理，然后借助地學(xué)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)平臺(tái)的建庫(kù)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)，最終形成濟(jì)南泉域四維地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)建庫(kù)流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)建庫(kù)流程圖

3.4 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

規(guī)范化之前需要將搜集到的紙質(zhì)原始資料數(shù)字化，對(duì)于已經(jīng)數(shù)字化的資料視情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分類整理，以便于后續(xù)的規(guī)范化處理和入庫(kù)工作。這一層次的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)最原始資料保存，除非存在明確的錯(cuò)誤，一般不允許更改。

參與建庫(kù)的資料來源廣泛且格式多樣，不易于整合應(yīng)用。而通過規(guī)范化后再入庫(kù)的數(shù)據(jù)，具有格式統(tǒng)一、完整同步性等特性，是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的最佳選擇[4-6]。規(guī)范化內(nèi)容主要包括鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、地理坐標(biāo)的統(tǒng)一、信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化等。規(guī)范化工作需要借助MapGIS,Excel,Section等工具軟件并結(jié)合建庫(kù)人員專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)完成。數(shù)據(jù)規(guī)范化必須按照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)數(shù)字化后的資料進(jìn)行編輯處理。

鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)據(jù)規(guī)范化處理的主要內(nèi)容。針對(duì)不同的工作精度、不同的建設(shè)用途、不同建模深度、不同范圍、不同地質(zhì)時(shí)代，按照統(tǒng)一的分類命名規(guī)則和鉆孔概化規(guī)則對(duì)全部鉆孔進(jìn)行概化處理[7]，建立標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle進(jìn)行存儲(chǔ)。地層標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，需專業(yè)人員整理鉆孔原始分層數(shù)據(jù)、研究其他資料、地質(zhì)專業(yè)知識(shí)，制作標(biāo)準(zhǔn)地層分層表(表1)，并根據(jù)工作目的合并概化部分地層，減少曲面交互建模的工作量[8]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地層分級(jí)(部分)

3.5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入庫(kù)

3.5.1 屬性數(shù)據(jù)入庫(kù)

紙質(zhì)資料數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)直接錄入或Excel表錄入后再在系統(tǒng)里導(dǎo)入；電子數(shù)據(jù)如Access，SQL server，Oracle，Excel等格式的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能入庫(kù)；其他軟件格式的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能入庫(kù)。

3.5.2 空間數(shù)據(jù)入庫(kù)

空間數(shù)據(jù)按類型可以劃分為柵格數(shù)據(jù)(如遙感影像)和矢量數(shù)據(jù)(如地理底圖)，電子化后的圖件數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能或格式轉(zhuǎn)換工具導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.6 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

三維地質(zhì)建模是一門運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論來研究地層及其環(huán)境的信息處理、數(shù)據(jù)組織、空間建模與數(shù)字表達(dá)，并運(yùn)用科學(xué)可視化來對(duì)地層及其環(huán)境進(jìn)行真三維再現(xiàn)和可視化交互的科學(xué)與技術(shù)[9]。建立高精度城市三維地質(zhì)模型，可直觀清晰地展現(xiàn)城市地下地質(zhì)對(duì)象的空間特征與關(guān)聯(lián)關(guān)系、從而減少對(duì)地質(zhì)問題認(rèn)識(shí)的盲目性及城市規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)，為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理提供重要支撐[10-14]。

該項(xiàng)目三維地質(zhì)模型采用基于交叉剖面數(shù)據(jù)構(gòu)建。工作區(qū)共生成55條剖面，建模區(qū)域內(nèi)的多條交叉剖面把空間分割為許多個(gè)單元格，項(xiàng)目人員建模的最小區(qū)域就是一個(gè)個(gè)單元格。將每個(gè)單元格內(nèi)的一系列閉合輪廓線建立曲面片，從而確定該單元格內(nèi)地質(zhì)體的空間分布形態(tài)，在完成一個(gè)個(gè)單元格地質(zhì)塊的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)單元格的地質(zhì)塊進(jìn)行合并，最終形成完整的地質(zhì)體模型。地表以下地質(zhì)體的走勢(shì)應(yīng)參照地質(zhì)圖的實(shí)際產(chǎn)狀，并考慮地層的正確疊覆關(guān)系及斷層關(guān)系構(gòu)建[15-19]。三維地質(zhì)模型建設(shè)過程中，按一定的流程開展。

3.6.1 標(biāo)準(zhǔn)剖面的繪制

地質(zhì)剖面圖控制三維地質(zhì)模型中主要地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造在垂向上的空間分布形態(tài)，因此標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面圖是構(gòu)建三維地質(zhì)模型工作的重要環(huán)節(jié)。其繪制過程為：先用MapGIS提供的剖面圖繪制功能，自動(dòng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的鉆孔和濟(jì)南地質(zhì)圖繪制出地質(zhì)剖面，然后由人工依據(jù)地質(zhì)專業(yè)知識(shí)手動(dòng)修正剖面。

為保證地質(zhì)剖面圖的準(zhǔn)確性、合理性，在繪制時(shí)需考慮各種地質(zhì)條件對(duì)剖面的約束(表2)。

在剖面成區(qū)掛屬性過程中，有以下幾點(diǎn)需要特別注意:

(1)成區(qū)線需導(dǎo)入ArcGIS進(jìn)行概化和增密處理，方便后期單元格處理。

(2)生成剖面的時(shí)候左右兩邊的邊界區(qū)一定要保留，建體前的平差工作需要用到。

(3)線拓?fù)湓靺^(qū)后應(yīng)進(jìn)行拓?fù)洳殄e(cuò)，刪除因偽節(jié)點(diǎn)造成的重復(fù)點(diǎn)。

表2 地質(zhì)條件對(duì)剖面的約束

(4)屬性檢查，如地層編碼項(xiàng)有空值，用格式刷或復(fù)制label點(diǎn)的方式將屬性補(bǔ)充完整。

(5)不是交叉鉆孔但是利用了分層信息的鉆孔，可以將這些鉆孔的地層區(qū)保留，最后和交叉鉆孔的地層區(qū)一起提取label點(diǎn)再進(jìn)行歸并，這種屬性掛接方式更快捷，也避免屬性空值的產(chǎn)生。

剖面造區(qū)、屬性檢查無誤后，將所有剖面導(dǎo)入進(jìn)行交叉剖面檢查，主要進(jìn)行屬性、層厚和層界一致性檢查，出現(xiàn)問題一般是兩條剖面在交叉鉆孔線的地層厚度不一致引起，可將錯(cuò)誤修改完后再進(jìn)行檢查，確認(rèn)完全沒有錯(cuò)誤后方可生成單元格，剖面圖成果如圖3所示。

圖3 剖面圖成果示意圖

3.6.2 單元格建模

通過繪制剖面，將整個(gè)工作區(qū)分割成383個(gè)單元格，完成單元格建模，然后將所有單元格的地質(zhì)塊進(jìn)行合并，最后形成完整的地質(zhì)體模型。這種先分區(qū)再拼接的建模方式不僅方便觀察，也利于分工合作構(gòu)建完成大數(shù)據(jù)量的復(fù)雜模型。

成體的時(shí)候地表面是用DEM約束形成的面，控制地表的起伏，所以表面成區(qū)的時(shí)候需要畫一些線對(duì)地表面進(jìn)行分割，因?yàn)榈乇矸侄喾N類型，不是一個(gè)地類編碼。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

數(shù)據(jù)質(zhì)量是衡量數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)成果的重要指標(biāo)。為保證數(shù)據(jù)的正確性和有效性，確保數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。檢查方式采用人工檢查和程序檢查相結(jié)合。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理和數(shù)據(jù)錄入過程中，應(yīng)分階段針對(duì)錄入結(jié)果進(jìn)行自檢、互檢和抽檢，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤須要及時(shí)修正并進(jìn)行復(fù)查。針對(duì)可以進(jìn)行邏輯查錯(cuò)的數(shù)據(jù)如鉆孔分層信息等，可以利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)檢查和統(tǒng)計(jì)工具進(jìn)行邏輯檢查，用戶根據(jù)操作日志中的錯(cuò)誤信息進(jìn)行數(shù)據(jù)修改。

5 結(jié)語

該文采用多源數(shù)據(jù)融合處理和人機(jī)交互的模式建立四維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可為同類工作提供借鑒。鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)建模的主要來源，鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化分層的質(zhì)量直接影響后期四維地質(zhì)建模的精度，應(yīng)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)分布制定標(biāo)準(zhǔn)鉆孔分層。后續(xù)如有新收集的鉆孔資料，應(yīng)對(duì)已建立的四維地質(zhì)模型進(jìn)行調(diào)整，以提高建模精度，更好地為系統(tǒng)平臺(tái)的分析與評(píng)價(jià)服務(wù)。