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区域地质三维信息系统解决方案
（一堂之见／陈树铭
王满春 刘慧杰）
1 前言
地质问题是贯穿于数字城市、减灾防灾、城建工程、地下工程、水电工程、交通工程、环境工程，地下水、地温场分析，以及各种地下资源分析与开发的一个基础性问题，也是这些领域实现三维数字化和深入应用的一个重要的瓶颈之一。
几年来，我们的团队在此方面付出了巨大的努力，取得了显著的成果，在区域地质三维数据管理与服务系统的建设方面积累了宝贵的经验。我们愿与大家共享，推动这个事业的发展。
本材料旨在简单介绍一下我们在这个领域的一些心得，欢迎指教！
欢迎与同行开展深入的交流与合作！
2 地质三维数据管理与服务系统建设的主要难点
区域地质三维数据管理与服务系统的建设是一项很复杂的信息系统建设工程，是整个城市空间系统建设中最复杂、最具有挑战性的一个子系统，是城市空间系统中的一个基础性平台。
区域地质三维数据管理与服务系统建设的难点主要包括两方面，一是存在技术层面上的瓶颈，二是存在运作层面的壁垒。
2.1技术层面存在的瓶颈
技术层面主要存在三个瓶颈，即三维地质建模、海量数据，以及三维图形显示。
1、地质三维建模是最根本的瓶颈
地质体本身是一个三维性、非均质性非常明显的复杂体，同时进行地质三维重构的边界条件，即实测资料分布极不均匀和不全面，具有很强的个性特点，且主要为一维结果。因此，在地质体三维重构中，这种由不规整的一维边界（或部分二维边界）向三维整体所进行隔一维的重构问题，是不大可能用现有重构方法来彻底解决的。
2、工程地质三维重构数据的海量性也是一个关键问题。
由于工程地质三维重构是对一个空间对象实现真正三维数字化，简单的说， 假定一个面数据为1000×1000个，则一个体数据为1000×1000×1000个，也就是如果面数据为100MB，则体数据的数据量将为面数据的数据量的1000倍，达100GB，这个数据量对于PC机来说是一个灾难。
3、工程地质三维重构数据的计算机图形生成与显示也是一个关键问题。
工程地质体的空间形状没有统一的模式，在不同空间区域、不同计算精度下结果是千差万别，形态各异。因此，对任何千差万别的地质体进行计算机三，也是一个重要的难题。
2.2系统运作层面存在的壁垒维图形生成与显示
系统运作层面主要存在三个方面的壁垒，即原始数据的采集、服务模式、系统更新与维护。
1、原始数据的采集，是系统建设中的第一个壁垒
要建立此系统，必须有大量的原始数据，目前我国各个省/市不同部门、不同单位都在不同程度上拥有一部分地质数据，如果要完全无视这些数据，重新进行较完整的勘察来获取原始数据，这显然是一种浪费；如果要充分利用已有这些资料，同时根据需要再补充一部分资料，这就需要考虑这么多单位的数据如何去共享，利益如何分配。
2、服务模式的确定，也是系统正常运作的一个难点
系统建设好，其关键就是能为社会、企业、个人提供服务，但这种服务如何去提供，这是衡量系统成功的一个重要指标。其中值得深思的问题是，如何将服务进行分类？哪些服务是属于社会公用服务？哪些服务是属于商业增值服务？属于商业增值服务的如何实现收费？
3、系统的更新与维护是系统正常运转的一个重要保障
区域地质三维数据管理与服务系统是涉及海量数据的、高技术难度的空间应用分析系统范畴，其硬件要求也高，如何进行维护这也是值得深思的。这种维护不仅包括硬件上的更新与维护，而且也包括数据及系统本身的更新与维护，因为地质三维数字化本是就是随着原始资料的积累不断逼近真理的过程。
当然，不可能一开始能解决所有问题，但是系统的构架必须是开放的、高瞻远瞩的，尽可能达到近期、中期、远期目标的完美结合。
3 区域地质三维数据管理与服务系统的基本框架分析
区域地质三维数据管理与服务系统的建设，从技术层面说包括五个方面的内容，它们之间的关系，可以用下图“区域地质三维数据管理与服务系统运行框架图”来表达。
这五个方面的内容分别为：原始数据的获取、地质三维建模及中间数据库、地质三维数据基础应用服务平台、基于地质三维数据基础之上的增值服务、基于地质三维数据基础之上的系统耦合分析。
3.1原始数据的获取
原始数据的获取及处理是区域地质三维数据管理与服务系统建设的基础性工作，包括数据的采集、分类、整理、存储等工作。在这个工作中有几个问题值得特别注意：
1、在地层分类上，在遵循相关标准之外，应建立一套行之有效的、操作性强的分类标准体系。分类标准体系可以采用主参数和次参数相结合的方式来分类。主参数主要参考规范分类标准如第四纪粉质粘土，而次参数可以综合考虑模量、颜色、密实度等。
2、在以上分类体系基础之上，应建立科学编码体系，作到经济性和完整性的统一。编码体系是为区域地质三维数据管理与服务计算机操作层面服务的。
3、在具体原始资料整理上，应直接应用以上地层标准体系来进行钻孔综合分层。
4、此外，在整个原始资料的整理过程中，要基于地质三维建模的基础上实现原始数据的分类、整理和存储。如存储的数据要有利于优化三维地质建模分析等。
区域地质三维数据管理与服务系统运行框架图
3.2地质三维重构算法与中间数据库技术
由于三维地质原始数据的稀少性、局限性、不均匀性、不确定性，是无法直接基于原始资料开展区域地质三维数据管理与服务的，必须要通过三维地质建模来生成完整的三维地质体数据，以便实现三维表达和展示。因此地质三维重构算法是系统赖以实现的灵魂。地质三维重构的工作主要为，根据原始资料综合分析得到地质背景参数，应用三维地质建模分析系统，自动生成三维数据。
但由于地质体是大区域的三维体，而且地质体之间的细部变化复杂，如果通过三维建模来完全生成完整的三维地质体数据，其数据的海量性将远远超过现有三维GIS海量数据的水平，基本上目前任何三维地质展示平台都很难实现；而且地质三维体的数据也是随原始资料的积累而动态变化的。因此必须探讨一种完整的中间三维地质数据库，来存储三维建模产生的数据，这数据必须具备以下两个特点：其一是信息量比完整的三维地质数据要少，其二是基于中间数据库的基础上，应用数据再生技术就可以实现任何方式三维地质分析和表达。
当然还包括地质的大量属性库和定义库，以及专家分析库等。其中地质专家分析库，就是根据地质三维建模数据，再结合某城市已有工程地质背景知识和经验，应用专家方法进行智能分析形成地质专家分析库。当然这个地质专家分析库应该是学习型的动态变化库。
3.3地质三维数据基础服务平台
地质三维数据基础服务平台是基本的服务平台。概括的说，它包括三种运作模式：
1、普通客户／服务器体系（C/S）
地质三维中间数据库和其它地质属性库以及地质专家分析库均放置在服务器上,通过局域网或专网形成服务器与客户端的宽带联系。在这种结构中可以进行较大批量的数据查询和分析，同时可以进行一定的地质三维展示和分析。
2、浏览器/服务器体系（B/S）
地质三维的基本数据库同样放置在服务器上，但服务器外挂门户网站，客户通过互联网，应用浏览器(Browser)来进行数据查询与分析，也可称之为地质WEBGIS
系统，其图形展示以二维为主。
3、工作站型客户／服务器体系（S-C/S）
工作站型客户／服务器体系（S-C/S）与普通客户／服务器体系的不同点在于客户端的平台，不是一个简单的单机平台，而是一个工作站，甚至超级计算机似的超级终端，在整个终端上开展各种增值应用服务，或者是与其它大型系统的耦合应用与分析。
下面将相关的增值应用服务和耦合应用与分析作简单介绍。
3.4基于地质三维数据基础之上的增值服务
基于地质三维数据基础之上可以直接开展的增值应用服务，涉及到城市灾害（地震、地面沉陷等）、城市规划、市政建设、地下工程建设、岩土工程设计施工、建设工程的勘察设计等方方面面。例如可以基于三维地质数据的基础上，进行大型社区的规划分析；同样也可以于三维地质数据的基础上，直接进行城市古河道分布规律分析等专特殊题分析；直接基于三维地质数据，生成三维有限元单元体，实现三维沉降、变形和稳定分析；直接基于三维地质数据，同样可以实现三维高边坡稳定分析等等。
3.5基于地质三维数据基础之上的其它系统的耦合分析
基于区域地质三维数据的基础上的相关耦合分析，其类型主要有四个方面：包括四维地下水分析、四维地下污染物分析、四维地温场分析，以及三维GIS分析。
1、四维地下水分析
地下水分析是一个非常复杂的系统分析，它不仅仅是一个四维问题，而且非常严重的依赖地质体的属性，也就是说，地质体是地下水的载体。因此，只有基于三维地质的基础上进行地下水分析，才有可能将地下水的分析提高到一个新的台阶。
2、四维地下污染物分析
污染物分析是比地下水分析更为复杂的问题，因为它不仅仅与地质体相关，而且直接与地下水的运动相关，同样它也是一个四维问题。因此只有在三维地质平台的基础上考虑污染物随地下水的运动规律，考虑地质体对污染物的影响，才有可能将地下污染物的分析提高到一个新的台阶。
3、四维地温场分析
大地是一个天然空调，夏冷冬热，因此充分利用地热能源是人类发展清洁能源的一个重要措施。但地温场同不仅仅与地质体相关，而且也与地下水的流动有关，因此开展四维地温场分析，也必将涉及到地质三维数据。
4、三维GIS分析
这主要可以将三维GIS与地质三维数据，以无缝的方式进行组合，来充分进行三维展示。例如进行城市规划演示时，可以将地面三维GIS与地下三维地质有机的结合起来，不仅仅可以充分展示建筑物的规划效果，而可以展示建筑物底下的地质分布状况，甚至更进一步的可以模拟该建筑物在地震灾害情况下的危险状况，以及具体的破坏情况等等。
4 目前技术储备情况
区域地质三维数据管理与服务系统的关键技术已基本取得突破，基本能解决以上问题。
1、三维建模问题
本文所提出的“泛权”理论，其特有对任意维无穷边界的重构思想，以及对复杂背景问题的模拟，可以很好地解决各种复杂地质的三维建模。第5部分将对此有更进一步的展示和说明。
国内外也有一些其它类型的建模算法，但其核心基本是基于三维层状地质，对于三维复杂地质体来说，基本不可求解。
概括起来说，目前国外最先进的解决方案是：首先根据分析区域的已知钻孔资料进行各种剖面分析，然后再根据这些剖面上各地质层的空间关系来生成整体。这个解决方案有几个致命的缺点：一是不适合面积和钻孔数稍大的区域，因为针对大区域和成千上万的钻孔来说，需要成千上万的已知剖面分析，从技术难度和工作量上说，显然不现实；二是单纯的剖面分析，不反映周围其它钻孔的影响，其精度本身就是一个重要问题；三是根据剖面各层的空间分析进行整体插值，现有算法也没有完全解决这个问题。
2、海量数据问题
对于这个问题，可以采取三种手段来加以解决。首先通过地质建模生成的地质三维中间数据代替完整的地质三维数据，这样可以使信息量呈数量级（甚至几何级）下降；其二可以采取动态金字塔引擎型数据结构方式随时读取数据，保证所需调用信息量达到极限，我们基本掌握了这方面的技术；其三可以利用数据再生技术来降低信息量的调用，即在地质三维中间数据的基础上，应用地质三维建模算法，根据系统的需要随时对需要展示的细节数据，或其它特殊要求数据实现数据再生，应该说应用“泛权”算法同样也可以解决这个问题。
应该说目前国内外对区域地质的三维海量数据问题，并没有成熟的解决方案，国外的先进软件基本是基于矿藏方面的海量数据的处理，但其与区域性的工程地质相比，仍然是小儿科；国内不少大型三维GIS软件基本是基于三维地表GIS，其数据量不会超过10GB,但一个100公里′100公里的场区，如要详细描述1000米深度范围的详细地质数据，其数据量将达到10000个GB以上，这简直是一场巨大的数字灾难！
3、图形展示问题
如何充分、完整、交互式的展示、切割、综合分析三维地质图形，这是区域地质三维数据管理与服务系统建设是否成功的一个关键标准。我们在这方面也实现了很好的技术储备，不仅仅可以实现地质体三维的漫游，而且可以交互式的实现地质体三维复杂切割分析，可以充分、完整、方便、形象的展示地质三维数据，大大提高区域地质三维数据管理与服务系统的应用水平。
目前国内外各种GIS软件的三维展示功能，基本处于虚拟现实的水平，在三维复杂切割和内部展示方面，仍是初级技术。
4、其它有关问题
此外在与地质三维相关领域，如地下水的四维分析、地温场的四维分析，同样可以应用“泛权”算法进行分析。
同时应该说明的是，地质三维数字化及三维GIS技术整体来讲，国内并不落后于国际先进水平，部分技术可能还国际领先。
5 简单归纳
1、根据现状的整体技术水平，区域地质三维数据管理与服务系统的建设技术上是可以实现的。
2、系统建设一定要采取循序渐进的方式来实现，也就是说要分阶段建立和完善系统，不是1～2年就能形成终极产品，关键是要保证系统的开放性。
3、系统建设不仅仅是一个复杂的技术问题，而且是一个复杂的社会问题，涉及到数据的来源，系统的维护、管理，服务、商业模式等。
4、区域地质三维数据管理与服务系统的建设应纳入到“数字地球”建设的整体规划中，为该城市的规划、建设、减灾防灾等创造最大的价值。
5、区域地质三维数据管理与服务系统是整体城市空间分析系统中一个基础性平台，城市地下水、地温场等地下空间分析只有基于地质三维平台上，才有可能取得较大进展。
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