北京大学人居环境中心

【摘要】本文提出了城市地质信息系统的总体结构，系统划分为数据层、应用层和服务层三个层次，由信息数据录入与管理子系统、三维地质体建模子系统、数据共享与社会化服务子系统构成。然后分数据库和业务应用系统两个部分阐述了系统的开发方案，并说明了高精度三维地质模型快速构建、大数据量模型运行和多元数据一体化显示这三个关键技术的解决方案。

关键词:城市地质调查;信息管理与服务;三维地质体建模;地质信息系统

中图分类号:P23 文献标识码:A 文章编号:4481一(2006)04-0016-05

近年来，信息化已经成为城市地质工作的主流模式。例如，国土资源部相继与上海、北京、杭州、南京、天津、广州市政府签署了关于合作开展城市地质调查项目的协议书，目标都是全面调查城市地质情况，建立城市地质数据库和城市信息惜理与服务系统，为城市规划、建设和管理提供基础资料，为企事业单位和社会公众提供城市地质信息服务。其中一项重要内容就是建立一个集基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质等多源、多尺度、多参数三维地质数据输入、管理、分析、可视化、网络发布等功能于一体的城市三维地质平台，满足城市三维地质调查数据管理、分析、评价等多方面的需求，为工程技术人员提供一个数字化、网络化、智能化、可视化的城市地质信息平台，为城市规划、建设与管理以及企事业单位用户对地质信息的需求提供一个基础服务平台。本文是结合“北京市地质调查研究院北京市城市地质信息管理与服务系统”项目完成的。

1 系统总体设计

城市地质信息系统可以划分为数据层、应用层、服务层三个层次。

1.1 数据层
负责基础数据的采集获取。市地勘局下属各单位负责各种草础数据的获取与管理，如基础地理数据、基岩地质基础数据、新生界基础数据、水文地质基础数据、工程地质基础数据、环境地质基础数据等城市地质信息数据录入与管理系统实现基础数据库的数据录入和一般管理。

1.2 应用层
一方面实现基础库到城市地质综合库的数据集成和管理功能，包括空间数据调用维护、元数据管理、数据转换、操作管理等综合库中存放的数据类型主要包括原始数据、基础数据、模型数据、成果数据和元数据。另一方面，实现三维地质体建模及分析应用，即从综合数据库中提取三维地质建模使用的原始数据，用于三维地质模型的生成、分析应用，以及多种模型的一体化耦合显示，并能将三维模型和分析应用的成果数据保存到综合数据库中。

1.3 服务层
   为市地勘局内部用户、其他政府部门用户、企事业单位用户、社会公众提供数据共享与社会化服务通过用户授权方式实现不同用户服务的差异性，包括数据的查询检索、专题图表制作、多功能输出等。
城市地质信息系统由城市地质数据录入与管理户系统、城市三维地质体建模子系统、城市地质数据共享与社会化服务户系统三个子系统组成。
   (l)城市地质数据录入与管理子系统
   运行于PC机环境，适用于市地勘局下属各单位使用，实现各种数据的数据录入、编辑、修改和维护。该子系统能够实现基于数据库的图形生成或外部导入，基于图形的空间数据与属性数据关联管理以及基于空间数据和属性数据的双重查询功能;能够实现数据统计与报表生成，用户可以设计数据统计的对象、中位和表格系统，在每次调用时能够自动更新统计结果并生成报表;用户可以根据数据库的相关数据制作时间变化曲线，如时间——水位变化曲线、时间一累计一地画沉降量曲线等。
   (2)城市三维地质体建模子系统
   运行于图形工作站环境，用于建立基础地质模型、新生界地质模型、工程地质模型和水文地质模型、城市地下水体模型、地下水污染模型、地下热储模型、岩土工程模型、物探属性模型等、可以从数据库中导入钻孔、剖面图、断层、地质图、特定面等值线等三维地质建模数据，并实现对这此数据的显示、编辑以及交互式建模。利用生成的三维地质结构与属性模型数据，系统可提供各种专业分析与综合应用。
   (3)城市地质数据共享与社会化服务子系统
   运行于互联网环境，在实际操作中可以划分为局内部数据共享和社会化服务两个层次。市地勘局的内部用户可以共享原始数据资料，基于Internet的网络用户可以共享综合成果、信息处理服务和数据订购服务，该子系统提供多种格式的小型数据库向大型网络数据库的数据汇总与集成功能，支持查询结果的多种显示方式、查询结果的数据统计与制图，如钻孔平面位置图、钻孔柱状图、钻孔剖面图、地层等值线图、基岩埋深等值线图、工程地质曲线图、含水层开采强度分布图、含水层水质及矿化度图、地下水位等值线图、地下水位历时曲线图、地面沉降等位线图、地球化学元素分布等值线图、地球物理异常等值线图、各种统计直方图等。

2 系统开发方案

整个系统开发内容可以分为数据库和业务应用系统两大部分。系统涉及的数据划分为原始数据层、基础数据层、模型数据层、成果数据层。一般情况下，上层数据基于下层数据构建。在每一个数据层上即水平方向上，则参照专业分类和数据类型将本层数据进行划分。这种划分实际上只是逻辑上的划分，实际建库时既可以按照一层一库的方式构建，也可以将所有数据存放在同一个物理数据库中。

2.1 原始数据层
包括各类钻孔(井)卡片中的野外现场描述、深井档案、各种测试数据、动态监测数据以及地球物理、地球化学勘查中获取的原始资料。这一层次的数据作为系统最原始资料保存，不允许更改。

2.2 基础数据层
指系统进行常规分析评价、气维建模所使用的基础数据的集合，包括地理空间数据、遥感影像数据、钻孔数据、墓础地质数据、环境地质数据、水文地质数据、工程地质数据、地球物理数据、地球化学数据等，这一层次的数据是基f原始数据层的数据经标准化处理或重新解释后得到，只有授权用户才可以修改。

2.3 模型数据层
是指城市地质环境质量评价模型以及地表三维模型、三维地质结构模型、三维地质属性模型的数据集合，其中各类模型都是由用户基于基础数据层的数据自行构建，可根据需要进行修改。

2.4 成果数据层
是指系统生成的各类成果资料的数据集合，包括有关专业的成果图件、城市地质环境质量评价结果、三维模型分析结果，按数据类型分有矢量图形、三维空间数据、数据表、图片数据、视频数据等。这一层次的数据由用户基于基础数据层数据和模型数据层的模型进行分析而得到，允许进行编辑修改。

业务应用系统由数据信息资源、应用基础平台、客户化应用三个层次组成。数据信息资源层包括共享数据资源库、数据资源采集与史新两部分，完成数据生产、采集、组织、管理与更新维护;应用基础平台层包括空间数据引擎、应用服务器、Web、服务器三个部分，为客户化应用层提供公共的基础平台服务;客户化应用层包括城市三维地质建模及分析、数据共享与社会化服务应用两个模块。城市三维地质建模及分析和数据共享以客户端/服务器( C/S )模式支持市地勘探局的日常业务应川需求。社会化服务则以浏览器/服务器( B/S )模式实现地质资料信息查询、统计报表分析、专题图展示等。

城市地质信息系统技术框架如图2所示。三维地质建模与分析应用模块采用C/S模式，通过北京大学地质信息系统实验室自主研发的空间数据引擎(GSIS—SDE)访问共享信息资源库、在服务器端通过基于.NET平台的DCOM技术进行开发。客户端通过运用VC++进行基于GSIS的组件开发和在VB基础上的VBA定制。数据共享与社会化服务模块通过服务器端基于.Net体系的DCOM技术开发实现。在客户端浏览器环境下，实现图形到属性、属性到图形的双向查询、统计分析、专题制图和数据钻取等信息浏览功能。通过C/S模式的MapGIS桌面应用开发提供客户化数据录入、编辑、转换界面，通过MapGIS-SDE完成数据组织、入库与更新工作。系统维护管理模块基于Windows平台VC++ 开发，以C/S模式运行，分功能层和数据层，功能层对应MapGIS-IMS，数据层对应MapGIS-SDE。

3 关键技术解决方案
该系统的关键技术包括高精度三维地质模型快速构建技术、大数据量模型运行技术和多元数据一体化显示技术[1]。对这几个关键技术的研发水平，不但直接决定城市地质信息系统的功能，还直接决定城市地质信息系统的性能。

3.1 高精度三维地质模型快速构建技术
由于地质现象的复杂性和多解性等特点，寄希望于寻找一种普遍适用的方法解决所有地质模型的构建是不现实的，更可行的做法是针对不同的复杂程度，提出多种方法和策略集成的综合解决方案。

在结构建模中，由离散点直接生成三维模型的思路主要适用于层状地质体的生成。基于平行含拓扑剖面的三维地质模型构建对于表达一此复杂的地质现象(如断层、复杂透镜体、尖灭、倒转招皱等)很有优势[2]。基于交叉折剖面的三维地质表面建模是利用钻井资料、解译的测井曲线、解译的****刊剖面或其它剖面资料和平面上的地形图、地质图等资料，生成任意交叉折剖面，然后基于这些剖面，生成尽可能符合实际情况的三维地质模型。三维体布尔操作方法是在已经生成的初始模型基础之上，通过进一步的求交、求并或求减等生成新的复杂的三维模型[3]。基于任意切割的三维模型构建方法是在已有地质体模型的基础上通过三维任意切面的切割和开挖等操作，生成新的地质体模型。采用上述三维地质建模方法生成模型后还要进行加密光滑。对于大范围海量数据建模，可以将整个区域分成多个小区域，基于每个小区域进行建模，然后将这此小块模型进行拼接。

在属性建模中，可以采用八叉树/四面体格网（Octree/TEN）混合方法，地质体内部用规则正六面体体元描述，边界用四面体格网描述。地质属性数据部分通过物探、化探、钻井等手段直接采集，更多的则必须通过插值进行估算。常用的插值方法包括四面体剖分插值、克立格插值、分形插值等。

3.2 大数据量模型运行技术
对于大数据量结构模塑的运行问题，除了“分区-拼接”策略，还可以采用层次细节（LOD模型来解决海量模型数据的组织和管理[4]。在实时显示或空间分析中，通过数据分块和动态调用，系统每次只处理用户当前需要的一块或几块数据)。在此基础上，还可以进一步通过基于动态内存交换和多线程的海量结构模型操作方法来共同解决海量数据的可视化和空间分析。即让部分数据驻入内存，并根据视点的变化动态更新驻入内存的数据;主线程负责用户交互，众多辅助线程与主线程之间进行通讯。

对于大数据量属性模型的运行问题，可以采用海量虚拟八叉树模型，这是一种基于规则分块、无指针/无位置码的八叉树模型。每个八叉树层分别采用多级分块和索引策略进行海量数据组织和管理。

3.3 多元数据一体化显示技术
对于多元数据的一体化显示问题，可以引入三维可视化引擎，实现可视化框架和数据的分离。可视化框架基于可视化通用接口(如OpenGL)实现，为各种可视化需求提供统一的接口。绘制过程管理与设计是整个可视化引擎的关键，可以采用基于多场景管理与数据流方式的绘制过程管理与设计。为了实现栅格数据的体绘制，并保证矢量和栅格数据的一体化显示，可以采用基于切片的体绘制方法，主要思路是沿着光线按采样步长将数据体切分成等间距的切片，然后对该切片分配透明度和颜色值，然后将此切片与帧缓存进行深度测试与颜色融合，保证矢量与栅格数据空间位置匹配，尤其矢量嵌入栅格体的情况。

4 应用实例
北京奥运公例同是“北京市多参数立体地质调查”项目指定的重点工作区，面积10km2。工作精度为1:1万，勘探线间距500一800m ,剖面线呈网格状布置，30m深以上钻孔不少于80个。在钻孔采样的同时采集岩土样品测试参数，这些是进行三维地质属性建模所需要的参数，包括力学参数（如粘聚力、内摩擦角、压缩模量、地基土承载力特征值等)、物理参数(如孔隙比、土粒比重、饱和度、塑性指数、液性指数等）、水文参数(如地下水水位理深及标高、渗透系数、导水系数等)和物探参数。利用北京大学地质信息系统实验室自主研发的城市地质信息系统，生成了北京奥运公园的结构模型和属性模型(局部)。

(www.pkucshs.org.cn)

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