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城市群信息提取库:地质环境信息平台

发布日期:2017-01-20 发表者:张礼中 陆琰 郑晓妍 潘声勇 浏览次数:778次
      城市群地质环境信息平台软件是在《重要经济区和城市群地质环境调查数据库建设指南》基础上,以空间数据库、二维GIS、三维GIS、三维可视化、WebGIS等软件技术为依托,构建的一个地质调查原始数据及成果资料存储、管理、应用和服务平台,可满足城市群(经济区)地质环境调查评价与区划工作的需要,并为地质调查研究、政府管理、社会公众提供信息服务。
      城市群地质环境信息平台采用MapGIS-TDE平台框架结构作为其C/S子系统的基本框架,基于“框架+插件”的系统结构,显示驱动工具支持国际通用的两种三维渲染引擎OpenGL和DirectX3D,并提供统一的绘制引擎接口;MapGIS-TDE构建平台是一个开放的、可扩展的三维开发平台,提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视化工具,是一个集三维数据存储、三维建模、三维模型显示、三维分析应用为一体的一个开放式、可二次开发扩展数据业务和功能业务的三维GIS平台。利用此平台的框架+插件开发模式,可以快速搭建出系统功能框架,各专业分析应用功能,做到了“即插即用”,帮助用户更好的做到模块化的划分以及帮助系统达到良好的封装性。

      采用最新的MapGIS DCS和IGServer平台架构,在构建环境地质数据中心的基础上,通过研究适用于环境地质业务流程的相关技术,构建包含环境地质数据建库、二三维可视化表达、数据检索服务、GIS空间分析、专题图生成、专业评价与分析、三维地质建模与分析、三维可视化等功能仓库,通过C/S模式开发数据管理与维护子系统、空间数据库建设与辅助制图子系统、三维可视化信息服务子系统和三维地质建模子系统四个子系统。通过网格技术整合各专业中心(数据中心)的信息,建立了B/S模式的数据共享和社会化服务子系统,面向用户提供数据或信息服务(图1)。


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图 1  项目技术路线


     平台功能特点
      系统总体框架
      城市群地质环境信息平台由数据录入子系统、空间数据库建设与辅助编图子系统、数据管理与维护子系统、三维地质建模子系统、三维可视化信息服务子系统及地质信息共享服务子系统组成。从软件的角度进行划分可将整个系统划分为三个层次体系,即基础数据获取体系、数据分析评价体系、信息共享与服务体系,整个集成软件系统的体系结构如图2所示。


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图 2  系统框架


      (1)地质基础数据获取体系
      由城市群环境地质数据库(含钻探数据、监测数据、化探数据、地质灾害数据等)、数据录入子系统和数据管理与维护子系统构成,系统均以C/S模式运行于局域网环境。

      (2)地质数据分析评价体系
      基于基础数据获取体系构建,主要指空间数据库建设与专题图辅助编图子系统、三维建模子系统和三维可视化子系统,系统均以C/S模式运行于局域网环境。

      (3)地质信息共享服务体系
      基于地质基础数据获取体系和地质数据分析评价体系构建,主要指共享服务子系统,面向政府有关部门(规划、交通、建设、水务、土地管理、环保、农业等)、企事业单位、地质领域科研院所、社会公众提供城市群地质环境调查信息共享和服务,该体系中共享服务子系统以B/S模式运行于广域网环境。

      地质数据录入子系统
      地质数据录入子系统所承载的作用是对城市群地质环境调查过程中各专题数据进行入库,是整个城市群地质环境信息平台的基础(图3)。


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图 3  地质数据录入子系统界面


      数据管理与维护子系统
      数据管理与维护子系统主要对城市群地质环境调查中相应各专题数据进行管理,面向数据管理维护人员提供基础地理空间数据、各专题属性数据、成果图件、文档资料等各类资料的数据库管理维护及操作监测(图4)。


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图 4  数据管理与维护子系统界面


      数据管理与维护子系统的作用是组织建立地质环境数据库和完成数据库的管理与维护,是城市群地质环境信息平台中“数据录入   数据整理   分析与评价”流程中非常关键的步骤,是辅助编图等后续工作的基础。数据管理与维护子系统中组织完成的数据库的质量和数量,直接影响到后续工作成果的质量。
      数据管理与维护子系统从功能上可划分为7个模块,分别为目录树管理模块、数据管理与维护模块、地质资料管理模块、数据查询模块、数据检查与统计模块、标准地层编辑模块、系统配置模块。
      目录树管理模块主要是提供通过目录树管理二三维的地质环境数据,同时还支持定制目录树功能,此模块是数据展示的基础;数据管理与维护模块提供对数据进行提取、汇总、备份与还原、项目信息浏览与修改等操作;地质资料管理模块提供对文档、图片等介质资料的上传与下载等功能;数据查询模块支持多种方式查询地质环境数据;数据检查与统计模块提供对已经入库的数据进行重复性、完备性等逻辑检查,同时还支持统计钻孔数据的密度等信息;标准地层编辑模块支持用户录入地层编码,为后续的地层标准作准备;系统配置模块支持系
统环境设置、动态投影、帮助手册的打开等功能。整个子系统的工作流程如图5。


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图 5  工作流程


      空间数据库建设与专题图辅助编图子系统
      空间数据库建设与专题图辅助编图子系统是整个平台软件的核心部分之一,它在功能上可支持对地质数据的目录树层次管理,包括基础数据与专业树管理;支持基础数据窗口与基础数据视图进行联动,专业树管理窗口与专业数据管理窗口进行联动。除此之外,系统还支持对空间数据进行建库、检索、统计和分析,提供钻孔标准化工具,定制钻孔柱状图模版,制作钻孔柱状图和钻孔剖面图;利用评价因子以及评价模型处理方法构建评价模型进行评价计算;利用地层信息数据,制作地层等值线图和钻孔地层分区图;利用矢量图形数据,制作专题图。
      空间数据库建设与专题图辅助编图子系统从功能上可划分为8个模块,目录树管理、数据统计与查询、标准地层编辑、地质图件生成、工程地质计算、评价模型构建与管理、空间数据库建库、专题图辅助编图。其中目录树管理和数据统计与查询模块与数据管理与维护子系统中相同。

      三维建模子系统
      系统实现基于MapGIS-TDE三维平台针对不同类型和特性地质数据的三维建模方法,多源数据耦合的三维建模技术方法、三维地质模型空间分析技术、用于地质信息探析的可视化技术方法、地下空间模型的集成分析技术等,利用建立的三维地质模型以三维真实感图象的形式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。
      为建立研究区各种三维地质模型,系统根据各种模型的数据特点研发了合适的三维数据结构,选用适当的建模方法建立各种复杂的模型。基于3D GIS的城市地质分析应用以反映地质体边界及特征的数据(主要是钻孔、剖面、地层分布图等数据)为基础数据,模拟地质体的表面形态特征和内部结构特征,动态地进行地质体的空间形态和结构分析,这一过程一个将3D GIS所具有的空间数据输入、处理及三维构模、显示、分析等功能与城市地质可视化要求相结合可视工作流程,包括多源数据准备、多源数据预处理、三维构模、可视化探析几个主要步骤。依据数据源和所建立模型不同,这一步骤又包含许多微流程,一些流程可自动完成数据处理和建模过程,一些流程则需要人工交互完成数据处理和建模过程。
      三维建模子系统包括三维地质建模、三维可视化与分析的功能。三维地质建模支持多源层状地质体三维建模、地层分布图建模和水工环一体化建模三类方法;三维可视化与分析主要包括对三维模型进行拾取、任意切割、巷道开挖等操作;三维显示漫游则包括遥感影像、底图、模型包围盒、坐标网格的显示,模型及巷道的漫游。三维建模子系统是对三维地质模型进行编辑、描述及展示的系统。

      三维可视化子系统
      针对当前城市群地质环境调查前期工作对三维可视化技术的迫切需求,重新整合了MapGIS TDE平台的基础三维建模及三维可视化方法,三维可视化子系统包括基础地形显示与分析、属性数据可视化分析、矢量数据三维可视化、三维地质模型三维可视化、数据查询、系统设置功能,实现了包括属性数据库、矢量数据以及三维模型在内的多源异构数据的快速集成与三维可视化。三维可视化子系统可以对城市群地质环境信息平台软件管理的空间数据库数据直接进行三维可视化。
      基础地形显示与分析模块支持通过基础地形模型,构建研究区的仿真地理环境,帮助使用者建立空间方位感。属性数据三维可视化模块支持对已经通过录入子系统入库的属性数据进行三维可视化。矢量数据三维可视化模块支持对剖面数据、等值线类数据、一般矢量数据进行三维可视化。三维地质模型三维可视化模块支持将三维建模子系统构建的三维地质模型进行三维可视化和切割分析。同时,系统支持三种方式的数据查询:通用查询、分层拾取、属性拾取。

      地质信息共享与服务子系统
      地质信息共享与服务子系统基于MapGIS平台研发,采用B/S客户端设计,结合基于文本数据挖掘的地质数据智能搜索技术、数据库技术、WebGIS、Web Service和GIS相关技术,研究地质信息智能搜索与信息服务技术,面向各级政府机构、科研院所、企事业单位及社会公众提供基于Internet的地质新闻发布,综合地质环境信息检索,地质数据查询与图形查询,三维地质信息查询浏览等,将各地收集的地质环境信息转化为知识信息,从而为社会的发展提供有效的服务。
      地质信息共享与服务子系统从功能上可划分为5个模块,分别二三维地质数据显示与浏览,二三维数据查询与分析,地质资料检索与下载,地质科普,在线咨询,网站后台数据管理与页面管理。
      该子系统提供基于Web的中国城市群地质调查地质资料智能服务,包括地质信息展示、地质数据查询服务、三维地质信息服务、地质资料检索服务及后台管理与维护等功能。通过用户授权方式实现不同用户服务的差异性。普通用户可浏览系统提供的公开性资料,授权用户根据权限不同可以共享综合成果、信息处理服务和数据下载服务。

      技术特色
      基于对象描述的地质数据弹性扩展技术
      城市群地质环境调查涉及的地质数据专业包含基础地质、工程地质、水文地质、野外综合调查类、野外综合施工类、野外动态数据监测类等,数据来源丰富,且具有多源、多层次、多维、多量、多时态和多主题的复杂特征及存储表格方式不规范等问题,为解决单一的数据管理解决方式,在底层数据管理中引入了控制字典概念,通过引入一种中间件作为桥梁支持任意数据表的操作,将计算机对数据的处理和用户对数据的操作分离开来,该技术相对于传统数据库,弱化了软件本身对用户数据表格结构(表名称、数据项名称、数据项长度、数据项类型等)的要求,完全能适应不可预知的多变的数据表。
      基于这种控制字典结构,可任意扩展地学数据专业,将不同专题的数据按照存在方式的不同以专业树型组织起来进行管理,经过大量的地质业务分析工作后抽象出了一批控制表,各个控制表由做地质业务分析所需的关键字段的集合构成,专业与控制表进行绑定,再基于控制字典进行用户表格式的映射(图6、7)。


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图 6  地质数据库扩展与配置


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图 7  控制表与用户表映射关系


     基于模板定制的专题图辅助编图技术
      城市群地质环境信息平台研究了基于模板定制的专题图辅助编图技术,研发了新建专题图生成、主图导入与编辑、图例生成与编辑、综合柱状图生成与编辑、图切剖面生成与编辑、其他要素生成与编辑、专题图排版和输出功能。

      ● 基于模板定制的专题图辅助编图原理
      基于模板定制的专题图辅助编图主要是设置了相关成图参数,选择了专题图模板样式后自动生成需要制作的专题图的框架,然后导入主图数据,而图例、综合柱状图、图切剖面三个对象的数据源均从主图中解析获取,然后生成初始版本,再利用系统提供的面向地质对象编辑的工具进行快速添加和编辑相关地质要素,各个对象的数据完成编辑后,再调整其排版,最后进行保存以及输出和打印(图8)。


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图 8  专题图绘制流程


      ● 基于模板定制的专题图辅助编图优势
      通过与传统制图方法进行对比,基于模板定制的专题图辅助编图的优势可以简单概述为:效率更高、精确度更高、更方便、更专业。以下是针对专题图以及各个对象制图的优势描述:
      (1)新建专题图
      使用MapGIS 平台(MapGIS 67和K9)新建专题图时,仅支持生成初始的主图、图名、接图表、责任表等专题图部分对象,而不能像平台中的新建专题图功能,选择相应的模板后自动将样式中的各个对象(柱状图、图切剖面、图例、镶图等)快速添加到专题图中并且按照定制的排版方式进行显示。
      (2)图例
      当制图人员需要绘制专题图的图例时,平台提供功能可根据主图数据自动解析获取图例信息,自动生成图例,提供工具方便、快捷的对图例整体排版,对图例组、图例单元的参数和属性值进行修改和位置排版调整。而如果使用其他的制图软件则需要一点、一线、一区的完成图例单元的绘制,不仅效率较低,还存在误差,不够精确。
      (3)综合柱状图
      综合柱状图一般表达了主图范围内的地层情况。城市群地质环境信息平台不仅提供功能使制图人员在绘制过程中可以很方便选择参考区域内的所有钻孔地层信息,还提供了快捷、方便的面向地质对象(地层接触关系表达、地层的夸张和缩略显示、合并层、化石、侵入岩等)的编辑工具,提高了制图人员的工作效率。而目前传统的制图工具大部分还是需要制图人员人工进行点、线、区的添加,耗时。
      (4)图切剖面
      图切剖面的绘制可不基于钻孔数据绘制图切剖面,并且可提供水文地质相关要素的编辑功能,例如水位线、河流、流向线、涌水量、矿化度、承压水位埋深等信息的表达和编辑,提供专门针对断层进行计算和绘制的工具。传统的制图工具则没有提供针对水文地质要素和断层数据生成与编辑工具。

      地质分区图约束下的多源地质数据耦合自动建模技术
      城市群地质环境信息平台研究了地质分区图约束下的多源地质数据耦合自动建模技术,研发了一系列的分区图构建、数据源检查、地质面构建、地质体构建、模型效果调整的工具,按照自上而下、由粗到精,先建大层,再建小层的思想进行模型构建。

      ● 建模原
      每一层地层单独构建地质体,多层地质体构成地质模型。第一层由地表分区图和地形等高线建模。从第一层开始,上一层的底面作为下一层的顶面参与建模,根据顶面、钻孔数据和地层分区图(地质图)自动构建底面,然后将顶面、侧面和底面构成地质体(图9)。


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图 9  地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模思路


      ● 建模技术优
      地质分区图约束下的多源地质数据耦合自动建模技术是城市群地质环境信息平台建设中的一个重要突破,与以往三维地质建模技术相比,优点是速度快,但是准确性低,钻孔数据量要达到一定程度才能满足地层表达需求。
      在本建模技术中,可以实现三种分区约束方法:
      1、用户直接传入地层分区(将用户经验约束进去,更符合实际)
      2、利用钻孔、剖面等数据追踪出分区图(分区结果比较光滑,符合数据的分布)
      3、只用钻孔、剖面求出地层面,采用层面相交的方式,计算出分区图(分布结果不太光滑,有时不太符合数据的分布,随意性较大)
      主要技术优势为:
      ○ 直接约束地表分区数据,最终模型与地表完全吻合,可信度、美观度提高很多。
      ○ 逐层构建,较原自动建模算法相比,不会出现数据冗余现象,可以生成高精度模型。
      ○ 可以考虑约束用户提供的地层分区图,将专家经验融入进来,更符合实际。
      ○ 逐层构建思想,可将每一层的等值线约束数据、等厚图数据约束进来,模型更加精确。