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MapGIS城市地质二三维一体化解决方案

发布日期:2017-01-20 发表者:郑晓妍 潘声勇 浏览次数:1239次
      近年来,我国先后开展了上海、北京、天津、杭州、南京和广州等6个城市的三维城市地质调查试点工作,数字城市地质雏形初现,在城市规划、建设、管理等方面做出了重要的探索和实践。其中,上海市城市地质调查成果尤为突出,是目前我国乃至国际上城市地质工作的典范。
      根据试点项目取得的经验,一些省会城市、直辖市或二线城市已开始独立开展三维城市地质调查与信息化建设,有效解决了城市的快速发展带来的地质环境问题,将地质资料开发利用的成果在城市规划、建设及水务、市政、土地管理、环保、农业等相关政府部门或重大工程建设指挥部门进行推广应用,实现资源环境并重,以地质环境评价为核心,保障城市地质生态安全,促进城市经济快速安全发展。
      以服务于城市社会与经济可持续发展为宗旨,紧紧围绕城市面临和亟待解决的地质问题,根据城市总体规划的需要,紧跟城镇化进程的脉搏,充分发挥地质工作的学科优势,开展城市三维地质结构、地质资源、地质环境等综合地质调查,建立三维可视化城市地质数据管理和咨询服务系统,综合评价城市发展的资源保障、环境承载能力和城市安全性,为城市总体规划、城市建设和管理提供地质信息,为产业布局和重大工程选址提供决策依据,为城市可持续发展提供基础保障。

      MapGIS城市地质二三维一体化解决方案可以辅助地勘单位建立城市地质数据中心,通过信息管理与咨询服务系统为科研人员、政府管理人员、社会公众等不同层次的用户提供地质数据查询、分析、决策、科普等方面的服务,大幅提升地质资源环境信息支撑国民经济建设的快速反应能力,使地质信息化咨询服务迈上新台阶。


      主要内容
      建设城市地质综合数据库,有效管理地质数据
      城市地质二三维一体化信息平台以城市地质调查为依托,整合该地区地质工作成果,通过收集整理已有地质资料和成果,基于大型的网络数据库、GIS平台,集成基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质、地球物理、地球化学、地质灾害、地质遗迹等多专业的综合地质勘查数据,建立城市地质大型综合数据库:包括集信息化和可视化为一体的属性数据库、空间数据库和三维地质模型库。

      通过快速建立城市地质综合数据库,可以解决地质数据管理杂乱的现状,实现地质数据随时查阅,有序管理,提高地质数据利用率,并有效实现地质数据的实时维护更新(图1)。


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图 1  地质数据库管理


      形成地质专业人员工作平台,提高工作效率
      城市地质二三维一体化信息平台提供的分析评价系统可以很大程度地满足地质工作人员的专业需求,进行数据处理以及成果分析,给实际的地质工作带来很多便利。地质专业人员可利用系统提供的多种二三维表达模式对地质基础数据进行分析提取,成果转化,完成日常地质成图分析等工作;还可以通过系统建立不同专业的三维地质结构模型,全面掌握地下空间岩土分布和理化特性、开发难易程度及综合质量,地下水等资源赋存状况,为城市地铁等重大工程选址的安全提供保障,为中心城区地下空间开发利用提供决策依据,为新城规划提供地质依据;摸清城市水土环境家底,为水土环境保护、土地复垦、万顷良田建设等工作的顺利推进提供基础数据;为地质灾害防治与地质灾害评估提供基础依据;为寻找应急水源地提供扎实服务等(图2、3)。


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图 2  地质数据分析利用


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图 3 区域稳定性综合评价


      提供政府辅助决策服务窗口,提升地质信息服务水平
      平台通过B/S模式利用政府专网提供政府辅助决策服务窗口,辅助政府部门解决城市发展中所面临的主要的地质环境问题,分析包括城市地下空间、水、土、地质遗迹等地质资源的合理利用情况,为城市规划、建设、环境保护和国土资源管理提供地质数据支撑和决策咨询(图4)。



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图 4  地质信息辅助决策


      建立地质信息服务网站,提高地质数据价值
      服务是地质工作价值的体现,平台通过B/S模式对社会公众等提供地质成果信息服务,通过建立地质信息服务网站为各类城市地质信息、资料、成果的发布提供了一个统一的门户,一定程度上做到了城市地质信息的公开、共享和社会服务。通过用户授权方式实现不同用户共享数据和服务的差异性:普通用户可浏览系统提供的公开性地质资料;经注册授权的用户可根据权限不同检索、查看甚至下载不同地质数据和资料,使用不同的地质专业服务功能,包括三维地质成果服务。

      城市地质二三维一体化信息平台
      MapGIS城市地质二三维一体化信息平台是基于MapGIS平台,提供一套实现城市地质调查数据管理、展示、分析与共享服务的二三维一体化解决方案。满足地质调查成果数字化、成果立体模型化、成果表达多样化、成果服务广泛化的要求,将信息系统建设成为城市多源异构地下空间数据的管理平台、面向专业人员研究的工作平台、面向政府的三维可视化决策辅助支持平台、面向社会公众的信息服务平台(图5)。


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图 5 MapGIS 城市地质二三维一体化解决方案技术思路


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图 6  地质数据库建库流程


      数据库建设
      地质数据库的建设需要针对不同类型的数据按照数据处理入库流程严格执行。地质数据库建设流程一般包括地质资料收集整理、制定建库标准、数据库结构设计、地质数据入库前处理、数据检查、地质资料入库等。如图6所示。

      地质数据专业分析
      ● 地质数据查询检索
      提供多种方便的查询方式和工具,支持多专业地质数据(钻孔数据、地面沉降、地下水监测、地球化学、地球物理等)的快速多样化查询(图7)。


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图 7  多专业地质资料查询


      ● 地质图表制作输出
      支持生成多专业钻孔柱状图、剖面图生成与编辑、平面图、统计图、等值线图生成与编辑,综合图排版与编辑,专业报表输出。
      对于地质剖面图的制作与输出,通过将国家标准、行业规范、知识经验等通过理论概化,并尽可能无损的将其转换为计算机可识别的数据模型。量化所有连接过程中所需要用到的参数,结合数据库中的钻孔分层信息,实现剖面图自动绘制,形成一套实用化的剖面图自动绘制方案。制作输出柱状图时,采用模版定制技术允许用户编辑制作不同专业的柱状图样式并保存下来,选择所需样式模版自动生成柱状图,并提供多种灵活编辑方式,解决了以往计算机自动绘制柱状图样式固定、修改繁琐等问题(图8)。


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图 8  地质图件生成、编辑与输出

     

      ● 专业分析评价

      平台可按照相应的规范,通过对参数指标数据的读取和分析计算,得到计算结果,包括天然地基承载力、桩基承载力、天然地基沉降量的计算、砂土液化判别、水储量计算、地热资源的计算等。
      采用分析评价工具构建可定义、可扩展的评价模型,结合GIS空间分析功能,进行网格剖分和叠加分析,自动生成评价等值线图、评价分区图等评价结果。这些评价模型是根据评价因子,使用建模工具建立的。它具有开放性、可自定义、可扩展的特点。可应用在地质灾害危险性评价、地面沉降危害性评价、地下空间开发利用适应性评价等方面。

      地质成果三维可视化
      为了形象地表达地质构造的真实形态、特征以及三维空间物化属性参数的分布规律,平台将传统的以二维为主的信息表达方式,转换为二维与三维表达共存、相互补充的信息表达方式,根据不同专业数据建立相应的三维空间模型,提供对模型的三维显示、查询和三维分析,对了解城市三维地质结构,地质构造与活动等提供信息支撑,为城市地下安全提供辅助决策。


      ● 二维数据三维可视化
      系统将二维属性数据以球状模型、柱状模型和组合模型等方式在三维场景中显示,直观展现钻孔、监测点、地灾点、水位等属性数据的空间分布形态(图9、10)。



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图 9  二维数据三维可视化展现


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图 10 球面模式展示数据


      ● 三维地质结构模型
      对于业界公认复杂的三维地质建模,平台针对不同的地质复杂程度,大胆创新建模算法,优化建模流程,提供了多种不同方法的地质建模工具:对于简单层状地质体,提供了全自动建模工具,对于复杂地质体(包含断层、溶洞、相变等地质现象),提供半自动交互式建模工具,并且还提供了大规模复杂精细曲面的自动模拟,三维地质属性体数据建模等一系列工具。

      基于钻孔的三维自动建模
      针对钻孔数据较丰富的地区,采用一种“钻孔+剖面+等值线”的整体建模思路,根据钻孔、剖面、地层平面分布图(包含等高线)自动建立研究区域内的三维地层模型,提高建模速度,降低建模的繁琐程度、节省建模时间(图11)。


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图 11  含标准层的多源数据耦合层状地质体建模


      基于实际材料图与剖面的地质体建模
      基于实际材料图、地形图、剖面图等数据,可快速构建区域三维初始结构模型。首先进行平面地质图的读图分析,确定主要地质构造,如褶皱、断层等,然后推断各地层的新老关系,结合地形数据,并使用V字形法则,初步推断各地层的大致走向及形态。最后通过测点的产状信息,并结合地质读图得到的构造信息,向下推断,建立三维地层模型。此方法充分利用数字填图成果,随着工作程度的加深,建模数据源的增加,地质模型的精确度不断提高(图12)。


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图 12  基于实际材料图与剖面的地质体建模


      复杂地质体交互建模
      针对含断层、褶皱等复杂地质构造,可以利用建模区域内多条交叉剖面将空间分割成多个单元格,用户建模的最小单元就是一个单元格,通过单个单元格内一系列闭合轮廓线建立起曲面片,进而确定该单元格内所有地质体的空间几何形态,形成一个单元格地质块,最后将每个单元格的地质块进行合并形成完整的地质体模型。除剖面数据外,在单元格内的空白区域如果有钻孔、等值线数据能够揭示地质体或地质构造信息,也可以将这些信息在构面过程中加以利用,以提高模型精度(图13)。

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图 13  多约束下的复杂地质体交互式建模


      ● 三维地质属性模型
      地质体属性空间分布建模用于地质体内物理、化学属性值(如孔隙度、贮水率、渗透系数、化学元素含量等)的三维空间分布规则化建模(图14-16)。

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图 14  属性数据建模可视化效果


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图 15  属性值过滤效果图


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图 16  属性模型动态切割效果图


      ● 地上地下一体化展示
      平台可将地表DEM模型、遥感影像、地理底图、地质图及地下三维地质结构模型、地下空间模型、管线模型进行集成显示,构建整个区域的多层次立体三维模型,并通过动态剖切、双视图等方式进行地上下一体化漫游、展示,表达城市规划地上空间和地下空间关系,为城市规划、建设和管理提供真正的三维可视化平台(图17)。


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图 17  双视图漫游


      ● 三维动态反演模型
      根据地下水、地面沉降等历年监测数据或计算数据,可自动生成三维曲面模型,并进行动态反演模拟,再现地下水水位或地面沉降变化过程(图18、19)。



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图 18  地下水位曲面模型与地层模型叠加


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图 19  模型动态反演


      ● 三维模型可视化分析
      平台提供一整套三维实体剖切分析功能,如平面切割、折线切割、组合切割、基坑开挖、桩基分析、隧道模拟及漫游、虚拟钻孔创建和输出等,可以更真实的了解地质模型内部的组织情况,并为地质人员提供基于三维模型的专业计算和分析,如渗透系数计算、地下水水量计算、流砂问题评价、基坑突涌评价、软土地基变形评价等(图20、21)。


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图 20  三维实体剖切分析


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图 21  三维隧道开挖及模拟


      地质数据辅助决策
      为紧密结合城市总体规划、地下空间开发利用、地质灾害防治、土壤质量环境评价等对城市地质信息需求,实现城市地质信息的经济效益和社会效益,平台面向政府机构用户,平台可提供地质辅助决策咨询窗口,将地质成果有序管理,与政府业务工作流程进行对接,实现基础地质资料方便、快捷获取,为土地利用规划、城市规划建设、政府管理决策等提供强有力的地质支撑。

      地质数据共享与发布
      平台可以B/S方式提供成果社会化服务,面向政府有关部门(规划、交通、建设、水务、市政、土地管理、环保、农业等)、企事业单位、地质领域科研院所、社会公众,提供基于城市三维地质及相关数据的基础和增值信息服务,实现城市地质信息共享和交换(图22-25)。


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图 22  图文地质资料检索


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图 23  三维模型在线浏览


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图 24   统计图在线生成


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图 25   符合OGC标准的图件服务


      行业优势
      自主开发平台
      集中地数码集团集数年三维GIS技术研究成果之大成,推出MapGIS IGSS 3D共享服务平台,为行业和用户提供全空间真三维一体化的地理信息服务,基于MapGIS IGSS的共享服务框架,以 MapGIS-TDE为内核,提供涵盖空中、地上、地表、地下的全空间真三维可视化、建模、分析应用服务,以快速搭建、按需服务的模式构建了面向城市地质领域的三维GIS智慧解决方案。

      国际领先技术
      基于MapGIS IGSS 3D平台,在城市地质数据的管理技术,专业评价分析构建与管理、三维地质建模等方面进行了深入研究,形成了一系列核心的关键技术。

      ● 提供地质数据建库标准,指导快速建立地质数据库
      在城市地质数据的管理技术方面,为实现城市地质空间数据、属性数据一体化的组织管理,采用先进的控制表映射技术、界面自动生成等技术,便于随着地质调查工作的深入,扩展地质专业数据内容以及功能。借助关系型数据库,系统需提供完整的文件数据(文档、表格、图片、视频等)的管理方案,从而实现对空间数据和非空间数据的一体化组织。尤其对于整理、分类、建库工作比较繁重的属性数据,提供标准规范参考,提供建库指南和建库工具,实现城市地质数据管理和维护更新(图26)。



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图 26   地质数据快速建库


       二三维一体化管理技术,丰富地质信息展示手
      平台从最基础的数据模型、数据管理、数据可视化以及开发集成四个方面,实现了基于数据中心的二、三维一体化管理策略。改变了以往二维和三维数据分别处理的局面,使得二、三维在数据模型、数据管理、数据可视化和数据集成等层面上无区别的对待,真正实现了二、三维空间数据在深层次上的应用(图27)。



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图 27   二三维一体化表达


      ● 空间一体化表达,可视化展示地上地下模型
      平台提供地上地下一体化管理和分析。对不同空间的信息进行统一存储,分析,在统一的三维场景中一体化显示。在高空,模拟表达地球表面大气圈中发生的多种时空对象,与地上景观模型、地下地质体模型、管线模型等形成了完整的空间模型,更加真实的模拟出现实的世界。     


      ● 丰富的三维地质建模及分析方法,可快速建立研究区三维模
      平台提供了地上、地下一体化的三维场景建模方法,以及体数据三维建模技术,涵盖了地上的景观建筑建模,地表的地形建模,地下的地质体建模,三维管线建模,河口海岸三维建模,属性体三维建模,导入第三方模型等多种建模方法。在三维分析方面,平台特别研究了多模型动态分析技术:基于模板的多视点剖切技术通过模板技术及实体模型裁剪面控制达到切和填的目的,在交互的过程中实时剖切对象模型;基于时间序列的三维动态分析技术利用丰富的时序信息,在多模型融合显示分析的基础上,加入场景动态演变分析,通过时态演变动态对模型进行可视化分析表达(图28)。


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图 28   多种三维建模及分析方法


      ● 提供快速的三维Web发布,便捷搭建地质信息服务窗
      平台利用Web服务架构,提供三维GIS网络发布服务,在网络上实现多源、多尺度、多模式、异构的地理空间信息共享,并实现了海量空间数据的分布式分析。在三维网络模型基础上,服务器端根据客户端的请求,将三维空间数据实时动态的传输到客户端,通过人机交互的方式控制三维场景的绘制,使得用户能在三维场景中实现漫游。

      典型案例
      在二十多个城市地质调查中信息系统建设项目中,国家试点地区有上海、天津、广州,其中上海市三维城市地质调查项目获得2011年度国土资源科学技术奖一等奖,上海、广州、苏州三个城市地质项目分别获得2009年、2012年、2013年中国GIS优秀工程金奖;中地数码三维城市地质信息管理与咨询服务系统V1.0获得2012年度第十六届中国国际软件博览会创新奖;城市地质资料集群化管理与辅助决策解决方案获得2012-2013年度“湖北省优秀信息化解决方案”奖。