3d urban geology information system a case study xiamen

Frontier of Environmental Science June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.52-59

3D Urban Geology Information System - A Case Study Xiamen Guizhong Chen Xiamen Geological Engineering Investigation Institute, Xiamen 361008, China Email:

Abstract The 3D urban geology information system of Xiamen including massive data management, analysis and information dissemination function, is a basic and comprehensive platform which geological work of Xiamen city can dynamic service in economic and social development in long term. This paper introduced the background of the establishment of the 3D urban geology information system of Xiamen and the overall design plan. The key technologies of the system and innovations, the application results were discussed in detail. The advantages and disadvantages of current system were also analyzed.

Keywords: Urban Geology; 3D Geology; Digital City; Social Service

三维城市地质信息系统建设—以厦门为例 陈桂忠 厦门地质工程勘察院，厦门 361008 摘

要：三维城市地质信息系统融海量数据管理、分析评价和信息发布功能为一体，是地质工作长期动态服务于经济社

会发展的基础性、综合性的平台。本文以厦门市为例，解析了三维城市地质信息系统建立的背景及其总体设计方案，对 系统的关键技术及创新、应用成果进行了详细的探讨与展望。 关键词：城市地质；三维城市；数字城市；社会服务

0 引言 随着“城市化”进程的不断加速和城市经济的快速发展，一方面，城市建设的加快导致了地面沉降、地 面塌陷、地下水资源紧缺、土壤和地下水污染等各种城市地质问题，成为制约和影响城市可持续与安全发展 的主要因素之一；另一方面，当城市建筑越来越多，位置要求越来越精确，地下地质信息的完备和准确，对 于城市规划、设计、施工以及地下空间开发利用等至关重要。而相对于地上资料，当前地下资料在系统性、 现时性和表现性方面都较差。传统二维 GIS 在城市规划、地下空间开发等领域的缺陷日渐突出，三维建模与 可视化技术因在三维数据管理，可视化分析、工程设计直观三维视觉效果等优势[1,2]，引起了广大学者浓厚的 兴趣。为了合理规划城市建设、充分利用地下空间，并且搞好城市地质灾害预防，迫切需要借助地质信息系 统技术和三维可视化建模技术[4,5]，建立起一个地下数字城市。在这样虚拟的地下数字城市中，人们可以自由 地对地下地质结构空间信息进行浏览、查询检索、分析和综合。三维城市地质信息系统便是在这个背景下诞 生并迅速发展，成为近些年来的研究热点[6]。

1 厦门三维城市地质研究的背景 厦门自建国以来开展几十年的区域地质调查，完成了1:20万、1:5万区域地质调查、水文地质调查和工 程地质调查。城市快速发展，建筑越来越多，开展过大量的城建工程、地下工程勘查，积累了海量的地下地 质结构的资源数据。这些数据具有多来源、多类别、多数量、多维数和多主题的显著特征，大部分数据资料 - 52 http://www.ivypub.org/fes

都堆在档案室。虽然近年来，也分别根据各自的工作需要建立了点源数据库，但由于未作统一的系统分析也 缺乏整体规划和标准化，所建立的点源数据库通常只适应于某一特定服务项目。其数据的产生、整理、归档 和建库是按某项目要求进行的，运行环境大多数为单机，数据库的整合性差，利用率低，照此发展下去这些 数据库系统将会成为一系列的信息孤岛，信息既不完整又冗余，许多数据资料被重复存贮和加工，无法实现 交叉访问，也不能支持未来的再开发和再提高，难以满足迅速增长的信息处理要求，更难以被纳入到城域网 络中去[7]。 2008年国土资源部与厦门市人民政府合作开展的“厦门市三维城市地质调查”项目，其目标是全面调查 城市地质情况，建立一个集基础地质、工程地质、水文地质和环境地质等多源、多尺度、多参数的厦门城市 地质数据库和厦门城市信息管理与服务系统，为城市规划、建设与管理提供基础资料，为政府部门和社会公 众提供城市地质信息服务。

2 厦门三维城市地质信息系统的总体设计方案 依托三维地质信息平台构建的地质信息管理与服务系统是一个集成的面向地质工作的数字化工作环境， 可满足厦门市不同层次用户的地质信息服务需求。根据系统建设目标和功能特点可将整个系统划分为三个体 系，如图 1 所示，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：

图 1 厦门地质信息管理与服务系统软件架构

2.1

地质基础数据获取体系 从厦门城市地质工作的实际需求出发，充分收集原始数据和资料，对数据进行规范化和归一化，利用现

代数据库技术、GIS 技术、三维可视化技术及计算机网络技术开发出一个集基础地理空间数据、基础地质、 岩土工程地质调查、海岸带地质调查、应急地下水源地调查、水土环境地球化学调查、地质灾害、矿产地质、 地热地质等专题数据库以及数据维护与管理子系统的系统软件，该系统运行于数据中心局域网环境。

2.2

地质数据分析评价体系 基于基础数据获取体系构建，由位于地质数据中心的综合地质数据库及地质分析评价子系统构成，该系

统运行于数据中心局域网环境； - 53 http://www.ivypub.org/fes

2.3

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分析评价体系构建，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、社会公众提供地质信息共享和服务， 该系统运行于广域网环境。 整个体系采用层次化、模块化的体系结构，高层可调用底层模块功能，如 Web 发布与服务系统业务层核 心功能均通过复用 C/S 系统业务模块实现。作为系统核心的 C/S 系统，则采用框架＋插件的体系结构，其中 框架主要用来整合资源，进行消息分派，是一个专门为插件提供的运行时容器，其本身不具备任何面向用户 的业务功能，面向用户的核心业务功能均实现为插件，使用时用户可根据需要自行决定加载哪些已有功能插 件和配置相应的菜单、工具箱等资源，甚至还可以根据插件接口编程扩展自己的插件，采用这种体系结构大 大增强了系统的可运行性、可测试性和可维护性。

3 系统功能实现 3.1 实现了对各种二维图件的统一查询和管理 系统以图层和目录树方式实现地理底图、遥感影像、交通图、卫星影像、基岩地质、第四纪地质、工程 地质、水文地质、地球物理、地球化学、矿床地质、地质灾害、主要断裂等多源、多期次、多比例尺、异构 综合地质数据的一体化存储与管理，实现了数据查询，统计，分析等多项基本功能，解决了各种图件零散存 放问题，如图 2。

图 2 二维图件管理与查询

3.2 实现了对钻孔的统一查询和管理，为建筑基础设施选址及可行性论证提供依据。 对于工程项目来说，建设工程选址，除了受社会经济条件和地形、气象、水文等自然地理条件的影响外， - 54 http://www.ivypub.org/fes

也受工程地质条件的影响。工程地质对建设工程选址的影响，主要是各种地质缺陷对工程安全和工程技术经 济的影响。工程选址的正确与否决定工程建设的技术经济效果乃至工程建设的成败，是工程建设在工程技术 方面较为关键的工作。厦门市某房地产开发商将厦门市第一栋高楼的地盘选在古流沙体之上，地基开挖后因 遇暴雨而发生沙基液化，花费了数千万元进行治理，仍因危及旁侧大楼而被迫停止。 本项目的开展，收集了近七万多个钻孔，并开展了野外地质调查工作、钻探工作，编制了全市范围的 1： 5 万地质图、基岩地质图等，编绘全市、重点区域的、不同详细程度的工程地质地层分布图，建立了数据库， 可以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。通过对岩土层分布、地形地貌、水文地质、断裂构造、软土震陷、砂土液化等方面综合调查分析和 补充勘探，为城市规划建设及重大工程选址提供基础性工程地质资料，避免重大工程建设的决策失误。如现 在厦门轻轨的建设，可根据周边的钻孔进行查询，可行性分析，如图 3。

（a)

(b) 图 3 轻轨周边孔具体查询情况

3.3 基于多源数据耦合的三维地层结构建模 复杂地质体多源数据建模方法有多种[3,8]。在城市三维地质结构调查中，由钻探获取的钻孔信息可提供直 观的地质信息，然而由于钻孔的数量有限且空间分布是离散的，要想获取钻孔之间连续的三维地质结构信息， 就必须在已知钻孔处地层信息基础上，依据区域地学规律建立地层结构模型，其关键建模步骤包括：(A)基于 钻孔的地层划分；(B)基于钻孔的每一层分区图制作；C)基于钻孔和每一层分区图信息的三维构模。系统采用 “钻孔-地层分区图-地层实体”的建模方法，可根据建模区域内钻孔、地层分区图等数据建立三维地层结构 模型，如图 4。其中基于空间三角网切割算法 TriCut 开发的地质模型任意切割基坑开挖、隧道模拟等功能是 - 55 http://www.ivypub.org/fes

三维空间分析的一大亮点[9]。 地层面模拟 支持大规模散乱数据多层 B 样条插值

约束 线

支持选择全部地层或部分 地层进行模拟 支持逐层选择约束线、约束 点和插值选项

约束 点

所有层面模拟结果

一个层面模拟结果

最终的地层实体模型（自动处理透镜体、尖灭、地层缺失等情况） 图 4 三维建模的过程

4 系统应用 4.1 厦门城市三维地质综合信息系统的建立将有效回避城市地质灾害 地面沉降会造成建筑物下陷或者开裂，崩塌滑坡泥石流会造成人畜伤亡和危及农田、水库和道路。又如 地下深度范围内存在软土层，如果隧道非得从这儿过，那么就需要采取什么样的措施，城市的三维数据和信 息的管理系统和平台就能解决政府在决策规划过程中非常直观形象的得到可靠信息，避免引发新的地质灾害 造成的损失。 地质灾害、台风暴雨是厦门地区最重要的灾种。厦门城市三维地质综合信息系统有效收集历年来的地灾 点，并详细记录每一个点的地灾情况，可根据信息库地质灾害图、综合地质图、工程地质图、水文地质图和 - 56 http://www.ivypub.org/fes

地形图进行分析，能够及早发现这些问题，帮助城市决策者有效避免城市灾害，科学合理进行城市规划，如 图 5。

图 5 历年来地灾点的查询

4.2 结合水文地质三维结构模型，对地下水进行调查与评价 结合水文地质结构模型，加强地下水资源管理，研究构造裂隙水发育情况，调查重点地下水源地区的水 文地质特征，评价地下水资源情况，寻找城市战备地下水水源地，如图 6。

图 6 厦门岛内三维水文地质模型分析

4.3 对历年海岸线变迁模拟 收集厦门历年海图，数字化海岸线，在二维图上通过叠加可看出历年的变化，如图 7(a)，再通过历年海 岸线动画变迁模拟，如图 7(b)，可清楚进行海岸带灾害地质稳定性的区划研究，旨在反映海岸带地质环境对 - 57 http://www.ivypub.org/fes

人类工程活动的适宜程度，研究海岸带地质稳定性。预测沿海陆地进退趋势，规避在海岸带建设风险，并提 出相应的应对策略。

图 7(a) 厦门岛历年海岸线变迁二维表示

图 7(b) 厦门岛海岸带三维变迁模拟

4.4 通过厦门工程地质三维建模，快速了解规划工程的地质情况 应用三维可视化技术，建立地下工程地质三维模型，钻孔模型（如图 8，提供各种模型切割开挖、隧道 漫游等工具，快速了解规划工程的地质情况，为工程可行性评估提供参考。对漫游中的隧道模型也可以进行 拾取，如图 9 所示，以获取当前隧道所穿越的地层信息。 - 58 http://www.ivypub.org/fes

图 8 钻孔模型

图 9 拾取漫游中的地层模型

5 结论与展望 通过将数据库、三维可视化等计算机技术相结合，三维城市地质信息系统实现了集信息输入、数据库管 理和城市三维地质空间数据可视化分析于一体的功能全面、性能稳定、智能化的城市地质信息综合管理平台。 其中，三维城市地质空间数据库是这个平台的核心和基础，它不仅实现了各类地质资料的安全保存，更为了 专业人员提供了空间检索和数据共享服务，切实为城市规划、建设和管理服务，构建能够提供最新详细信息 的“快速反应型”城市三维地质信息管理与服务系统，从而成为地质人员了解地下地质情况的有效工具。城 市地质信息平台的建设是提高城市地质研究水平、有效利用城市地质数据、实现城市地质数据面向政府决策、 面向公众服务的有效途径。 此外，针对三维空间获取，地质体空间分析等难点，有待相关理论与技术的进一步提高。

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