伴随着城市建设发展,城市的高层、地铁、机场、地下空间等大型工程在城建中相继展开。为新的工程开展大量的工程勘查同时,地质工程钻孔数据和地质成果不断累计,且由于密集型大型建筑的存在,在城区开展工勘工作难度不断加大^[1]。此外,工程勘查中存在许多的钻孔重复钻探等现象,尤其在城市老城区改造等工程中这种现象更加普遍^[2]。

历史城市地质勘探钻孔数据不可忽略。一方面,对工程钻孔数据进行有序的存储和有机的挖掘是一项经济、避免重新建设的有效手段;另一方面,作为城市地质工作中补充内容,整理和重利用已有工勘成果与地质资料能更好的深入了解城市地质状况。

为了克服上述问题,充分利用计算机技术建立城市工程地质信息平台,将已经或即将获得的与工程建设有关的城市工程地质信息资料、环境地质、水文地质等数据进行有效利用,已成为当前迫切需要解决的问题。为了打破传统地质行业数据共享难问题,计算机信息技术是实现共享的必要手段。

许多学者对计算机在地质行业方面了做了大量的研究^{[3,4,5,6,7,8,9]},在三维地质建模与可视化、地质信息系统建设方面均有实践。在地质信息共享方面,由于各职能部门之间自成体系,信息化建设水平发展不平衡,地质信息共享方面涉及相对较少。城市地质数据共享困难是目前面临的一大难题,也是制约了城市地质建设工作的发展的瓶颈。龙健等^[10]提针对政府职能部门管理现状,提出了相应的资源信息共享的建设理念。李德仁等基于SOA设计了空间数据共享模型,实现了城市多源空间信息共享平台的原型系统^[11]。曾元武、徐刚、杨庆等分别在构建地理信息服务共享平台方面进行了探讨和实践^[12,13,14]。王倩^[15]研究了灾害信息共享模型,提出采用面向服务架构(SOA)设计理念实现灾害信息共享服务。伴随着云GIS发展,吴信才等^[16]提出采用适合云计算、云服务的T-C-V(terminal-cloud-virtual)框架构建信息共享平台,是信息共享平台继C/S结构、B/S架构后的一次新的变革。

在城市地质系统方面,三维城市地质信息共享平台开辟了城市工作的新局面,和传统的城市地质信息管理软件相比,实现海量数据云端存储与快速计算更加有利于城市地质信息资料的海量数据应用。将数据统一存储在数据中心,以服务的方式将地质成果共享到不同的职能部门,或是面向公众,对进一步深化城市地质成果的共享和互操作具有重要意义。基于此,笔者通过构建城市地质数据中心,构建以T-C-V云构架设计为基础的三维城市地质信息共享平台,实现对城市工勘数据、基础地质数据、地质成果数据、三维地质模型、地质资料成果等数据统一管理、信息整合、互联互通、资源共享,并提供专业的功能服务体系,为城市地质信息共享建设提供平台建设经验和信息服务体系理念。

城市地质数据具有数据量大、结构复杂、种类繁多、数据分析方法复杂、时间消耗大的特点,采用T-C-V云架构设计,实现海量数据存储和分布式计算优势十分重要。三维城市地质信息共享平台的T-C-V云架构由三层组成:终端应用层(T)、计算层(C)和虚拟设备层(V)。总体结构框架如图1所示。

虚拟设备层:将实现三维城市地质信息共享所需的硬软件设备用虚拟化思想进行组织起来,形成逻辑资源池,为平台提供基础的软硬件职称。硬软件主要有:服务器、计算机、传感通信设备、存储设备、数据库软件、网络设备、安全设备等。

云计算层:指在虚拟设备层上建立的数据服务和功能服务,分别为云数据中心层、云服务层。数据中心层提供数据访问接口。数据服务接口为城市地质数据开发一系列数据交换、数据管理、功能应用等接口,通过服务接口的方式实现信息交换、数据共享、业务集成。城市地质数据具有种类繁多、结构各异、海量存储特征,有属性数据、空间数据、非结构化的图文图件并存。通过空间数据库引擎技术(SDE)和中间件技术,实现将多源、异构、海量数据的一体化存储与管理,为云服务层提供数据源服务。

终端应用层:通过调用云计算层的服务接口,构建三维城市地质信息业务子系统,从而达到为社会公众、专业从业人员、政府职能管理提供应用支撑与数据共享的目的。

数据一体化管理、专业算例分析、数据共享、服务开放是三维城市地质信息共享平台的基本。三维城市地质信息共享平台建设的总体思路如下:

1)制定数据入库标准,开发数据准入接口,实现多源数据有序入库。三维地质城市共享平台实现属性数据、空间数据、文件数据入库管理,三类数据结构各异,存储方式不同,分别建立空间库、属性库、文件库,并建立彼此之间的联系。制定数据标准,开发数据入库接口,实现有权限的“众包”式数据收集机制。

2)采用专业的数据分析算例,富有成效地挖掘城市工勘信息、三维地质信息、地质成果信息、地质资料信息等。以工勘钻孔数据为基础,考虑断层和褶皱因素、数据的区域性、噪声、数据量等因素,编写三维地质模型的生成算法,实现三维地质体的构建。依据应用要求,采用专业的分析算例,实现城市地质的复杂应用,如立体切割、虚拟钻孔、隧道贯穿、成果制图、模拟计算等。对已入库的信息,通过建立数据分析挖掘算法,提升数据的应用价值。

3)编写数据接口,以共享的形式提供城市地质服务。城市地质三维共享平台涉及工勘数据、地质成果数据(水文数据、环境地质数据、地质灾害数据等)、基础地理地质、非结构化的地质图文资料等,数据结构差异大,数据面向的用户不尽相同,开发面向应用视图的数据服务接口十分重要。用户只需关心数据的应用和表达,按照标准访问平台数据,无需关心数据如何被存储。

4)以REST服务方式提供专业功能服务。在数据库标准和规范上,开发常用的地质分析专业功能且提供二次开发接口库,用户依据需求调用暴露出来的接口服务,简化了用户开发专业系统的难度。

三维城市地质数据内容主要有:①工勘信息数据库;②基础地理地质数据库;③图文地质资料数据库;④地质成果数据库。

工勘信息数据库是城市三维地质共享平台的数据基础。建立三维工勘关系数据库,将工勘钻孔数据整合入库,实现三维工勘数据存储、分析与应用,是构建三维地质信息平台的先决条件。

基础地理数据对周边地理分布环境的描述,主要有等高线、地貌、行政区、土地利用、交通、水系等内容。基础地质数据主要包括地层信息、岩性及岩相、断层等数据。

城市地质成果数据主要由城市区域地质、城市水文地质、城市地灾、城市矿产资源、城市生态地质数据组成,通过城市地质调查可对城市地质数据库更新。

图文地质资料数据库是将已有的图文地质资料进行扫描、并按要求建立索引,通过建立文件数据库实现地质图文数据的统一存储、有机管理、检索利用,从而提高图文资料的利用水平。图文地质资料数据库主要包括栅格扫面图件、报告、分类汇总清单、附件等非结构化文件。

将城市地质各类数据收集,考虑各个数据子库逻辑和数据存储方式,实现整理入库。由于数据量巨大,数据库建设应考虑数据指数增长对功能和性能的要求。

在城市地质数据中心的基础上,基于SOA框架(service-oriented architecture)开发支持工程勘察数据收集与应用、三维地质可视化、成果数据存储与检索、图文地质资料数据下载、决策支持服务一体化的平台服务体系。通过调用所需的标准化功能服务,在三维城市地质信息共享平台的基础上,可以面向不同用户、不同的应用需求的三维城市地质信息子系统。如图3所示,功能服务架构包含如下模块:GIS调用层、OGC服务层、典型应用服务、GIS基础服务。服务管理包含服务定义、服务取消、服务检索、服务注册、开启、暂停、停止、重启、日志管理。

典型应用服务是服务设计的核心,如表1所示,典型应用服务有:①工程勘查数据入口服务;②工程钻孔信息服务;③区域信息服务;④三维地质建模与分析服务;⑤地质成果服务;⑥图文地质资料数据管理服务。

通过上述描述的共享平台建设的基本思路,基于ArcGIS平台,采用B/S构架,在三维城市地质信息共享平台的基础上我们开发了城市三维地质信息系统原型系统,系统基于平台接口开发,减少了大量的专业功能的研发工作量。在运用中,系统运行稳定,可扩展性好。结合原型系统,平台实现的关键技术有如下:

1) 三维地质模型生成算法。三维地质建模通过钻孔数据,模拟地下三维地质结构,直观的展现了地下土层的分布情况。基于三维地质模型,衍生出众多专业地质分析应用。因此,三维地质模型生成算法至关重要,其构建算法准确性、效率、鲁棒性是一个三维地质系统的核心基础。

通过工程借孔数据接口,选定所需的钻孔数据生成局部三维地质信息。

本平台采用分层构建算法,逐层构建土层,采用上下底板合并而成,最后完善缺失地层内容。三维地质模型生成算法置于云端计算,各终端安装对应的插件完成数据展现和分析。在实际工作中证明高效、准确,先后应用多个工程勘探项目的地下地质三维模型的构建。算法建模流程图如图4,模型生成结果如图5所示。

2) 地质剖面图生成算法^[17]。传统的剖面图算法对地层尖灭、透镜体、地层缺失处理能力差,算法精度难以满足生产要求。笔者采用一种地层分布模型自匹配的地质剖面图构建算法。首先,构建了工程钻孔数据结构;然后,根据地层分布规律定义地层分布模式,并推导出各个模式下地层剖面线生长策略和规则,通过地层分布模型规则和匹配算法判断地层点的剖面线从属关系;最后,将剖面线点集连接成线、并进行标注与地图整饰。该算法克服了传统钻孔相邻连接造成的连续性差、一致性欠缺的缺点,能够对地质剖面的歼灭、透镜体、地层缺失现象有准确的处理。钻孔速个数为35 h,时间消耗平均值为107 ms,能够满足实际应用要求。统计算法检验准确率,其正确率平均为91.50%,剖面图成果见图6。

3) 地质成果图件生成。通过对工勘钻孔信息数据分析,平台提供了动态生成钻孔柱状图、静力触探柱状图、土分析分层总表、物理力学指数等成果图件生成接口(图7)。

4) 三维地质体剖切。使用三维空间分析运算,实现对三维地质模型空间剖切运算,并支持生成空间剖面图(图8)。

5) 虚拟钻孔实现。支持在地质模型平面式任意点生成虚拟钻孔。任意选择xy平面坐标点,生成虚拟钻孔(图9)。

6) 地下空间模拟。平台实现了隧道穿越,通过定义隧道的空间路线,按照空间路线,实现在三维地质模型中生成隧道模型(图10)。

本文基于T-C-V架构研发三维城市地质信息共享平台,充分利用T-C-V框架的海量数据存储、分布式计算、云部署的优点,通过空间数据库技术建设城市地质数据中心,采用GIS技术、三维可视化技术、计算机网络技术构建集工勘信息管理服务、区域信息构建服务、三维地质建模与分析服务、地质成果服务于一体的城市地质信息共享平台,满足三维城市地质数据管理的多方位需求,为现代化城市建设提

供地质基础信息服务。一方面该平台充分挖掘现有城市地质工程资料的价值,使数据最大化。另一方面,我们为数据提供者与数据使用者创建一个共享的平台,使得地质信息“众包”服务成为可能,人人都是数据提供者,同时人人也是数据使用者。此外,文中方法建设的共享平台提供专业地质服务接口体系,用户可避免开发复杂的地质算法达到构建业务子系统的目的。

在三维城市地质信息共享平台建设的基础上,我们构建了原型系统,并在实际应用中表现出良好的稳定性、高效性。因此,在城市地质数据共享方面,本文平台具有良好的应用前景。