馬瑜宏

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 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。

針對濟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年開始實施“濟南城市地質(zhì)調(diào)查”項目，建立了濟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)已不能完全對接當(dāng)前的軌道交通管理平臺。

為打造精準(zhǔn)對接軌道交通建設(shè)相關(guān)問題的地質(zhì)環(huán)境數(shù)字化平臺，2018年，山東省地質(zhì)調(diào)查院與濟南軌道交通集團有限公司合作，決定建立濟南泉域四維環(huán)境可視化平臺。該平臺在原有三維平臺基礎(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)測平臺增加時間維度等，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)庫是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)[1]，其建設(shè)情況是決定平臺建設(shè)成功與否的關(guān)鍵所在[2-3]。因此，針對廣泛、多樣、海量的城市地質(zhì)數(shù)據(jù)，如何對其梳理、標(biāo)準(zhǔn)化并規(guī)范入庫，是平臺建設(shè)的關(guān)鍵，也是平臺后續(xù)維護、更新的保障。

2 數(shù)據(jù)源分析與處理

該次建庫所用數(shù)據(jù)要求相關(guān)基礎(chǔ)資料必須完整、齊全。入庫數(shù)據(jù)包括鉆孔、地下水位統(tǒng)測、水位動態(tài)觀測、抽水試驗、泉點、地理信息測繪、地下管線、地下水監(jiān)測、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)系和對應(yīng)的高程基準(zhǔn)。該次數(shù)據(jù)庫建設(shè)統(tǒng)一采用2000國家大地坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)。

2.2 劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫層次

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、管理和使用這些數(shù)據(jù)，就必須按一定方式進行分類。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；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)，整個數(shù)據(jù)庫各層次數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫各層次關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)流程與方法

3.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)運行環(huán)境

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和運行以濟南泉域四維環(huán)境可視化信息系統(tǒng)為平臺，該平臺系以MapGIS 10為基礎(chǔ)研究開發(fā)。MapGIS 10是我國自主知識產(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，能夠滿足主流IT技術(shù)的無縫連接和嵌入，具有強大的空間數(shù)據(jù)管理、集成與分析評價的能力，在國內(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Oracle 10g。

3.2 建庫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

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

3.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)流程

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(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，對收集或調(diào)查得到的地質(zhì)資料進行數(shù)字化和規(guī)范化處理，然后借助地學(xué)數(shù)據(jù)管理與維護平臺的建庫工具進行數(shù)據(jù)入庫，最終形成濟南泉域四維地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)建庫流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)建庫流程圖

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，對于已經(jīng)數(shù)字化的資料視情況進行簡單分類整理，以便于后續(xù)的規(guī)范化處理和入庫工作。這一層次的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)最原始資料保存，除非存在明確的錯誤，一般不允許更改。

參與建庫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)合建庫人員專業(yè)知識和經(jīng)驗完成。數(shù)據(jù)規(guī)范化必須按照相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對數(shù)字化后的資料進行編輯處理。

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)時代，按照統(tǒng)一的分類命名規(guī)則和鉆孔概化規(guī)則對全部鉆孔進行概化處理[7]，建立標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)庫，并采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle進行存儲。地層標(biāo)準(zhǔn)化時，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，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(部分)

3.5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入庫

3.5.1 屬性數(shù)據(jù)入庫

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；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。

3.5.2 空間數(shù)據(jù)入庫

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。

3.6 三維模型數(shù)據(jù)庫的建立

三維地質(zhì)建模是一門運用現(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，并運用科學(xué)可視化來對地層及其環(huán)境進行真三維再現(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)對象的空間特征與關(guān)聯(lián)關(guān)系、從而減少對地質(zhì)問題認識的盲目性及城市規(guī)劃、工程設(shè)計、施工面臨的風(fēng)險，為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理提供重要支撐[10-14]。

該項目三維地質(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單元格，項目人員建模的最小區(qū)域就是一個個單元格。將每個單元格內(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)，在完成一個個單元格地質(zhì)塊的基礎(chǔ)上，對每個單元格的地質(zhì)塊進行合并，最終形成完整的地質(zhì)體模型。地表以下地質(zhì)體的走勢應(yīng)參照地質(zhì)圖的實際產(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，自動根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的鉆孔和濟南地質(zhì)圖繪制出地質(zhì)剖面，然后由人工依據(jù)地質(zhì)專業(yè)知識手動修正剖面。

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

在剖面成區(qū)掛屬性過程中，有以下幾點需要特別注意:

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

(2)生成剖面的時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)線拓撲造區(qū)后應(yīng)進行拓撲查錯，刪除因偽節(jié)點造成的重復(fù)點。

表2 地質(zhì)條件對剖面的約束

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

(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點再進行歸并，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)入進行交叉剖面檢查，主要進行屬性、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，可將錯誤修改完后再進行檢查，確認完全沒有錯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，將整個工作區(qū)分割成383個單元格，完成單元格建模，然后將所有單元格的地質(zhì)塊進行合并，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)的時候需要畫一些線對地表面進行分割，因為地表分多種類型，不是一個地類編碼。

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)庫質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)庫建設(shè)的每一個環(huán)節(jié)都要進行數(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)分階段針對錄入結(jié)果進行自檢、互檢和抽檢，如發(fā)現(xiàn)錯誤須要及時修正并進行復(fù)查。針對可以進行邏輯查錯的數(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)計工具進行邏輯檢查，用戶根據(jù)操作日志中的錯誤信息進行數(shù)據(jù)修改。

5 結(jié)語

該文采用多源數(shù)據(jù)融合處理和人機交互的模式建立四維空間數(shù)據(jù)庫，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)對已建立的四維地質(zhì)模型進行調(diào)整，以提高建模精度，更好地為系統(tǒng)平臺的分析與評價服務(wù)。