0 引言

城市建设速度的加快导致了地面沉降、塌陷等各种城市地质问题，同时地下空间开发利用强度的加大需要精确的大量的地下地质信息，如何系统性、现时性和直观地描述管理这些地质信息显得尤为重要。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。与传统二维GIS在城市规划、地下空间开发等领域应用相比，三维建模与可视化技术在三维数据管理、可视化分析、工程设计直观三维视觉效果等更具优势。通过开展综合地质调查，形成系列完整的地质调查成果，建立地质综合信息数据库，建设具有建库、存储、分析、管理、三维显示和应用等强大功能的城市地质综合信息服务系统（屈红刚等，2008；顾丽影等，2012）。利用系统建立的三维地质结构模型参与多方向的专业分析评价，建立集信息化、三维数字化技术，直观、形象的图形图像方式表达城市地质构造单元的时空展布特征和各种地质参数，可为政府决策和公众需求提供信息服务，实现地质信息的科学管理（吴冲龙等，2003），并有效支撑城市规划建设和国土资源管理。

1 研究背景

沈抚新区于 2016 年 4 月正式成立，按照《沈抚新区总体规划》，其规划面积为 171 km²。将大力发展高端装备制造、电子信息制造、新材料、医药及高性能医疗器械、现代服务业5大核心产业，将沈抚新区打造为国家级同城化试验区，东北老工业基地改革创新的先导区和示范区，辽宁新一轮振兴发展的增长极。

沈抚新区要打造国家层面的开发区域，未来经济比较发达、人口比较密集、开发强度较高，需要优化工业化城镇化开发方式，而优化开发的基础工作是查清资源环境条件及其承载能力（岳文泽和王田雨，2019）。资源环境承载能力是决定空间资源和环境容量的约束性指标，是土地开发利用和城市建设规划的基础依据（卢青等，2019）。开展沈抚新区多要素城市地质调查，摸清资源与环境的家底儿，查明基础地质、水文地质、工程地质条件及环境地质问题，调查水土环境质量，掌握地质资源与开发利用现状，评估地质环境安全性（郑桂森等，2016； 郝爱兵等，2017），能有效支撑国土空间优化开发，实现生产空间集约、生活空间宜居、生态空间优美的生态文明和人口、经济、资源、环境协调发展。为有效的管理沈抚新区地上地下的数据，基于三维的沈抚新区城市地质信息管理与服务系统建设尤为重要。

2 总体设计方案

2.1 设计原则

系统建设从全局出发，搭建“城市地质信息管理与服务系统”，实现沈抚新区地质数据资源共享，优先考虑在建的应用系统，保证数据支持的有效性。要做到统一规划，分步实施；平台公用，资源共享；应用先导，务求实效（傅俊鹤等，2011；容东林等，2016）。

（1）继承性原则：最大限度地保护已有投资，使当前已有的软件、硬件资源不浪费；尽量避免重复性建设投资。

（2）实用性原则：以实用为第一准则，满足管理和业务需求。

（3）可靠性原则：采用成熟技术，实现统一规划并实现各个业务系统的运行稳定可靠。

（4）先进性原则：采用先进架构和软件技术，支持真正意义上的业务系统的建立，提供异构、分布式环境下的可读写操作环境，支持建立跨业务系统条块的新的业务流程；在分布式的环境下实现应用优化，保证应用系统的整体性能表现。

（5）安全性原则：有效的数据保护，保证应用系统和数据的安全运行。能够合理的将当前业务系统与新的业务系统的用户管理、认证及授权机制结合，建立方便、清晰、易管理的用户安全认证管理机制。

（6）易操作原则：简化应用编程的难度，缩短开发和实施的周期，降低日常维护难度。

（7）标准化与开放性原则：符合数据标准化建设和开放原则，保证业务系统的数据实时性、一致性。

（8）可扩展原则：适应未来扩展性要求，方便数据范畴的扩展。

2.2 总体架构

从沈抚新区地质业务部门实际需求出发，开发三维可视化的城市地质信息综合服务平台（图1），实现城市地质数据的整合、建库与三维数字化管理、表达及应用，同时实现城市地质信息资源的共享，为城市规划、建设及管理服务。

数据汇集：基于沈抚新区地质工作的实际需求，充分收集基础地理、遥感、区域基础地质、水工环、地球物理、地球化学、地质灾害、矿产资源等原始数据和资料。

信息集成：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，集城市多专业、海量异构数据，对数据进行规范化和归一化，形成城市地质数据中心。

知识转换：对数据输入、数据建库、查询检索、地质出图、三维建模及可视化分析、计算评价及辅助决策、共享服务功能进行开发形成三维可视化地质资料信息管理平台和社会化共享服务平台。

共享服务：涵盖空中、地上、地表、地下的一系列全空间真三维可视化、建模、分析应用，服务于企事业单位、城市规划、土地管理、城市安全等行业部门。

2.3 开发平台

沈抚新区城市地质信息管理与服务系统是基于“中色三维GIS平台”开发的。该平台具有完全的自主版权，不依赖第三方、自主可控的地上地下一体化二三位平台，是国内领先的三维数据和地理信息（GIS）集成的软件平台。基于统一的数据模型和标准 C++的共相式 GIS 内核，采用 J2EE 技术体系和面向服务架构，提供跨软硬件平台部署能力，跨数据库支持 Oracle（9i，10g、11g、12c、Spatial）、SQL Server（2000、2005）、MySQL、DB2、KingBase 等；跨 GIS平台可以读取和发布满足OGC（Open Geospatial Consortium）标准规范的服务接口，便于与其他异构 GIS平台和桌面程序对接集成。

3 系统功能

沈抚新区城市地质信息管理与服务系统项目的软件功能主要包括城市地质数据管理与发布子系统、城市地质数据三维可视化与分析评价子系统、城市地质信息发布与公众服务子系统等功能模块。

3.1 城市地质数据管理与发布子系统

城市地质数据包括基础地理、遥感、区域基础地质、水工环、地球物理、地球化学、地质灾害、矿产资源、钻孔等（图2）。城市地质数据管理与发布对沈抚新区城市地质调查工作相关资料数据对内、对外提供统一的数据服务管理，推进城市地质数据的共享和综合利用，达到统一管理、统一维护、互联互通、共享使用的目的，保证数据在各应用系统使用的一致性、鲜活性和准确性（郑坤等，2006）。

系统涉及城市地下空间三维模型类型众多、数据量大，主要有各类地质剖面、地质界面、地质界线、地质块体、地质实体模型及地质属性模型，以及钻孔（井）、地下构筑物、地下管线等人造工程模型，这些模型呈现出不同的几何、拓扑特征和属性特征，具有较强的异构性，系统建立了海量三维模型数据一体化存储管理与快速处理的机制，为三维地质信息的应用提供有力保障。

主要包括以下功能：

（1）数据管理；该模块主要包含目录管理、数据集管理、地图管理和元数据管理4大部分；

（2）地图控制：该模块主要实现的是对地图的一些基本操作，包括放大、缩小、漫游、全幅显示和地图量算；

（3）文件管理：主要包括资料库管理、文件管理和文件查询3个模块；

（4）查询统计：该模块主要包含地图查询、数据查询和精确查询3大功能模块；

（5）视图：包括视图窗口、窗口管理；

（6）系统运维：该模块主要包含系统管理、索引设置、符号库管理、工作环境。

3.2 城市地质数据三维可视化与分析评价子系统

城市地质数据分析评价与三维可视化子系统是沈抚新区城市地质综合信息服务管理平台最核心的组成部分之一。系统需要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，为城市地下安全管理提供辅助决策（尚建嘎和刘修国，2006；刘映等，2009）。

在地质体的三维表达上提出了基于八叉树体元可伸缩特性的块体一体化地质数据建模技术，用体素模型表达三维地质体。传统的三维地质模型多为表面模型，表面模型美观度高，但建模时间长、模型数据量大、建模代价大，同时不能按照空间要素对象进行数据调度，导致局部分析却要进行整体调度，不利于三维地质模型的快速分析。而基于八叉树算法构建的体素模型是一种空间栅格结构，由每一个最小单元（具备属性信息的立方体）像积木一样堆积而成。局部分析时只需要抽取对应体元，因此具有运算速度快和支持传统粒子扩散模型等特点。同时模型的每一个“块”既具有独立的空间属性，也具有地质体通用属性，可实现以“块”的形式进行空间分析，以“体”的形式进行全地层空间表达，保证“块”与“体”协调统一。最终实现海量地质模型的实时快速建模及空间分析运算。

在钻孔数据建模方面，通用曲面建模方法适用于钻孔数据密集的地质界面插值处理。受算法和参数固定的限制，在钻孔数据密集区域建模效果良好，但在钻孔数据稀疏区域，常出现建模结果与数据不契合的情况。系统在传统曲面样条函数基础上增加了可调控的畸变控制参数和柔性拟合系数，二者为经验参数，实际应用中根据不同的柔性地层和刚性地层进行专业调控，通过动态快速插值，实现多比例尺下的地质曲面重构，增强了系统的交互功能，使地质界面三维可视化效果更加合理、准确，保证在地质点数据稀疏散乱的情况下，依然可以按照地学规律生成地质模型。

主要包括以下功能：

（1）三维场景浏览。①热点定位：热点定位用于对热门位置场景进行快速定位，同时对热门位置场景进行管理，包括添加、删除、修改、导入和导出。点击设置好的热门位置可以实现地理位置定位以全球-中国-沈抚新区-热点位置顺序范围由大到小逐渐漫游；②人车漫游：通过默认定义的键盘快捷键操作人车以特定的视角和姿态在室内或室外实现漫游浏览；③飞行路径：通过在 3D 场景中指定飞行点、观察点和环绕点来建立飞行路径，并选择运动对象在指定的飞行路径上进行漫游，实现以高空视角俯瞰城市三维地上模型；④环绕浏览：设置一个环绕点，三维场景会将环绕点置于屏幕中心，实现三维场景的环绕浏览，实现从不同角度观察指定的三维场景。

（2）钻孔数据管理。①钻孔查询：在指定工程和指定图层下，定位显示工程项目的钻孔模型（武强和徐华，2004；朱良峰等，2004）。系统能够灵活设置地表透明度，以方便对地下钻孔的显示、查看、操作，选择显示的钻孔模型中的一个钻孔，来查询该钻孔的属性信息（图3）；②分层查询：在指定工程和指定图层下，定位显示工程项目的钻孔模型的某一地层信息。用户可以选择显示的钻孔模型中的一个钻孔的某一分层，来分层查询该钻孔的地层属性信息；③空间查询：在指定工程和指定图层下，定位显示工程项目的钻孔模型。用户可以选择钻孔类型，在此基础上进行圆域查询、多边形查询等，同时双击查询结果记录可跳转到三维场景中的钻孔； ④添加钻孔：当工程当中由于某些原因漏掉了某个钻孔，或者后来又补测了一些钻孔需要添加到当前工程当中；⑤删除钻孔：系统允许用户使用鼠标在 3D视窗拖动画框选中要删除的钻孔，网页需要给出删除提示，钻孔删除后不可恢复；⑥移动钻孔：在指定工程和指定图层下，定位显示工程项目的钻孔模型。用鼠标点选图层中的一个钻孔，移动钻孔及更新钻孔在数据库中保存的数据。拖动鼠标左键在 3D 视窗中拉框选择需要移动的钻孔，钻孔高亮显示，并且在其上面显示三维移动坐标轴，拖动三维坐标轴来移动钻孔。

（3）三维地质建模。①自定义建模：自定义建模功能允许用户在3D场景中绘制一个范围，系统会根据当前绘制范围内的钻孔模型生成对应的地层模型（图4；侯卫生，2007；郭艳军等，2009）；②地层查询：在生成的地质体模型上，点击可查看地质体各个地层的属性信息。地层查询结果为地层属性：主层编号、亚层编号、次亚层编号、工程编号、地层时代 ID、地层颜色、地层成因代号、地层描述、地层名称、分层编号；③地层剖切：生成地质三维模型后，可以对地质模型进行竖向、平向方向的灵活剪切，直观查看地质体内部构造。对地质体进行垂直方向的切割裁剪，对剪切后的地质体模型可正向 （左边、前方）保留或者反向（右边、后方）保留；④剥层分析：剥层分析可将地质体分层剥离，从而实现对重点或感兴趣的地层的展现；通过对地质体按照不同地层进行分开显示，直观反映地层情况，并可通过剥层查看各地层的相互关系；⑤栅栏剖面：在地质体模型上，用户可以绘制多条剖切线，系统会根据用户绘制的剖切线生成三维栅栏状剖面模型 （图5）；⑥挖填方：在地质体模型上，设置多边形或圆形范围面和深度进行开挖分析，计算出每个地层的土方量。并以三维模型的形式显示开挖结果，可调整视角查看开挖后各地层分布状况；⑦隧道分析：在地质体上进行隧道开挖模拟，依据隧道形状类型，形状选项（包括方形、圆形和拱形），可对“隧道深度”、“隧道宽度”和“隧道高度”参数进行设置，开挖方式包括正向保留和反向保留。鼠标进入绘制状态时可绘制开挖路径，根据开挖路径自动生成隧道模型数据，并保存在用户隧道模型数据中。并且在隧道开挖过程当中，分析计算各地层的土方量；⑧隧道漫游：系统能够在三维场景已建的隧道模型中沿开挖线进行漫游，隧道漫游功能在隧道分析结果存在的情况下才可操作。隧道漫游功能开启后系统镜头开始从地质体中的隧道沿开挖线进行漫游（图6）；⑨剖面图：生成地质三维模型后，可以对地质模型进行竖向剖切，并生成剖面图。

（4）三维数据分析。①类别分析：单选或框选钻孔数据，根据“等效波速”、“覆盖层厚度”和“场地类别”3 种显示类别，绘制等值线图和分区图；②第四纪分析：框选钻孔数据，根据“层底标高”和“层厚”两种显示类别，绘制等值线图和分区图；③液化分析：单选或框选钻孔数据，根据“，液化”属性值绘制等值线图和分区图（图7）。

（5）数据加载。支持加载 XML、shp 和 Geojson 格式矢量数据；支持创建点、线、折线和面矢量数据图形范围和属性，新创建的矢量数据可以按XML和 Geojson格式导出。

（6）专题图数据。点选查看专题图矢量数据属性信息。

3.3 城市地质信息发布与公众服务子系统

沈抚新区城市地质调查工作将形成大量的成果数据，这些成果数据是很多相关工作的重要参考资料，是解决城市发展面临的地质问题和保障城市可持续发展的不可缺少的基础信息资源，城市地质信息服务主要是以城市地质数据、信息、知识的提供、传播、处理等为主要内容的信息服务。

（1）地质信息服务政策与服务内容发布：向社会公众发布实施地质信息服务的相关法律法规、政策文件、标准规范、管理动态，介绍服务内容、方式和相关资源网页链接，包括站内目录检索、站内地质资料馆链接、站内地质期刊链接、站内公开出版物链接。

（2）三维地质模型信息发布：通过生动形象的多媒体资料将城市地质环境三维信息展现给人们，提供基岩地质模型、工程地质模型、地面沉降动态变化模型等相关背景资料、图片、三维动画 Web 浏览，是人们了解城市地质环境信息的一种崭新的科普形式。

（3）在线地质数据查询与服务：可为 Web 用户提供方便、快捷和高质量的在线城市地质数据查询与专业服务功能，包括，①在地理底图或遥感影像图上叠加显示全市范围内各类钻孔（基岩地质、第四纪地质、工程地质、水文地质）位置信息，在线查询、浏览钻孔基本信息或进行图上定位和在线生成、浏览钻孔柱状图；②在线浏览遥感图、地质图、工程地质图、水文地质图、规划图等。

4 结论

本文针对沈抚新区城市地质信息管理与服务系统的建设，提出了基于多源多尺度海量数据的城市三维地质信息管理与服务系统实现的总体框架和主要功能。系统在构建时，一方面考虑了数据兼容性：即兼容 OGC 的标准规范数据，另一方面考虑行业（特别是地质行业）生产数据特点：即能根据行业成果数据直接使用（如通过钻孔数据直接构建三维地质模型）。这样，既保证了数据互联互通性，又能做到根据钻孔数据实时更新地层模型。在地质体建模方面使用了基于八叉树体元可伸缩特性的块体一体化地质数据建模技术实现海量地质模型表达技术，在利用钻孔建模方面采用了构建畸变控制参数和柔性拟合系数可调控的改进曲面样条函数算法。

搭建“沈抚新区城市地质信息管理与服务系统”，为沈抚新区国土资源规划开发和管理提供服务，有效支撑生态环境保护和国土资源管理工作，实现自然资源的有效监管和国土空间的用途管制，服务于城市的空间规划和城市的总体规划及详细规划。

参考文献