2023优秀案例丨基于多源数据融合的智慧地质信息系统建设

基于多源数据融合的智慧地质信息系统建设

徐  力   陈若瑜   孙艺容

武汉智博创享科技股份有限公司

开发和利用地下空间已成为解决城市空间拥挤、提升城市韧性和治理能力、化解城市重大风险挑战、优化地上地下国土空间开发格局、提高城市生态环境质量的重要举措。近年来，我国城市地下空间开发利用呈现规模大、速度快、层次多、类别广的发展趋势，但在城市地下空间大规模开发利用实践中存在一些问题：一是缺少对城市地下空间自然资源属性的准确把握。在城市地下空间的开发利用与管理实践中，相关部门大都沿用过往做法，将地下空间作为城市土地资源的部分进行管理，忽略了其作为一种自然资源所具有的开发利用储量有限、资源质量有高低、空间分布不均衡等特征。二是城市地下空间资源调查评价工作尚未系统开展。对自然资源开发利用的研究主要包括调查、评价、规划、管理和立法5个方面，其中对资源的调查、评价是自然资源的基础研究内容。目前，土地、矿产、森林、草原、地下水等自然资源的调查评价工作基础较好，但城市地下空间资源的调查评价工作，仍停留在以城市地质调查为主要依托的阶段。三是城市地下空间海量多源数据汇聚与动态更新机制尚未建立。城市地下空间是一个庞大而复杂的系统，与其相关的数据包括地质条件、开发利用现状、地下管线、地下空间规划管理、地下工程运维等多个方面，经过多年开放式发展海量数据信息散落在不同行业、不同部门、不同单位，这些数据的格式、坐标、表现形式、基础平台等不尽相同，缺乏统一的

数据汇聚与动态更新机制，形成了一定程度上的信息壁垒，不利于城市地下空间的规划、建设和管理。构建“透明”地下空间的基础是采用地质勘查技术探测确定地下空间及其组成的空间展布和属性特性，这些地质勘查技术手段比较成熟；与地下空间探测技术相比，当前地下空间信息化建设水平相对滞后。地下空间信息是否完备、准确、可靠，对于地下空间的规划、设计、施工、运维都至关重要。

因此，汇聚地下空间相关关键数据，构建基础数据库、成果数据库、模型数据库，搭建地下空间大数据中心并对其进行统一的管理与分析，为上层智慧应用提供数据基础显得尤为关键。地下空间数据中心主要承担数据资源的配置、管理与维护，不仅可以解决多源异构数据的处理难题，而且可以充分利用现有系统资源，减少浪费。通过构建海量、精准、权威的地下空间数据中心，可实现在一个统一平台对多源异构、多维度城市地下空间数据的综合管理和分析。

根据以上需求，基于多源数据融合的智慧地质信息系统的研究方向主要为以下三方面：

1. 建立城市地质资料汇交与共享平台

在严格执行地质资料管理条例的前提下，根据水文地质、环境地质项目特色管理需求，建立地质资料统一汇交业务流程与地质资料共享机制，强化部门间地质资料管理协同；实现地质环境地质资料按类型、按阶段应收尽收，提升地质资料信息化管理内容，实现数据互通，共享信息建设成果，各业务人员在系统内进行协同工作，统一管理，方便对地质资料整体工作进行全面的数据统计及分析。

（1）地质资料汇交平台

地质资料汇交平台包括汇交人信息管理、汇交说明、资料提交、汇交凭证提交与接收、资料审核、凭证制作、凭证发放、用户管理等功能，如图1所示。

（2）地质资料共享平台

地质资料共享平台包括钻孔定位、条件查询、基本信息查看、附件查看、钻孔关联数据查看、生成钻孔柱状图、用户管理等功能，如图2所示。

2. 建立地下空间数据中心

地下空间数据中心主要承担数据资源的配置、管理与维护，汇聚地下空间相关关键数据，构建基础数据库、成果数据库、模型数据库等功能。建立地下空间数据中心并对数据资料进行统一的管理与分析，可以为上层智慧应用提供数据基础，充分利用现有数据资源，解决多源异构数据的处理难题。通过构建海量、精准、权威的地下空间数据中心，可实现在一个统一平台对多源异构、多维度城市地下空间数据的综合管理和分析。

下面介绍其中的几个模块。

（1）属性数据模块

该模块主要包含城市地质调查过程中各类专业的结构化表格数据（如 Excel 数据），建立了工程地质数据、地下空间数据、桩基数据、管线数据的属性数据库，实现对多源、海量、异构、多期次、不同比例尺的地质数据及相关资料数据的预处理、数字化、规范化处理、数据入库、数据检查、资料维护与更新等；构建地下空间综合开发利用数据库，管理各类地下空间信息的空间位置和关联关系，实现地下空间信息的集成共享。系统支持地质属性数据、地下空间数据、地下桩基础数据和管线数据的管理、查询及维护等基本功能，如图3所示。

（2）一张图模块

一张图模块主要对矿山分布资源、地下空间资源、基础地质条件、国土资源规划、土壤环境、地质灾害隐患、耕地、地下水资源等要素进行展示，为用户提供研究区域的地下空间、土地资源规划分析，以及对区域内相应数据的查询、管理等功能，具有通过点、矩形查询以及图形到属性查询的功能。系统将数据库中的属性数据和空间数据相关联，因而实现了由图到表和由表到图互查。

一张图模块在系统中可实现对多图层进行叠加分析的功能。基于一张图，可以对线性工程的规划、建设、运维等阶段进行空间分析辅助，获取相关数据图层的缓冲区结果，包括分析过程中叠加的图层、面积、空间范围、统计表等信息，如图4所示。

3. 建立智慧地质信息综合服务平台

在实现基础地理、现状建筑、城市设计、地质模型、国土空间规划、BIM模型等地上地表的多来源、多尺度、多模型、多格式城市空间信息融合的基础上，以地下空间资源为着眼点，建设城市三维模型构建、地上地下空间数据管理、地上地下一体化展示、辅助分析决策、统计分析、数据服务等功能模块，为地下空间开发、应用、管理提供更科学准确方便的决策支持。

（1）综合地质条件分析

综合地质条件分析模块主要结合了城市地质调查多专题成果的数据，从多个维度对所选地块的范围进行地质条件评价，包括地质资源、地质灾害、压覆矿情况等，通过智能的评估评价算法，能够结合专家的意见及经验快速生成评价报告，通过图文结合的方式比较直观地了解到区域内的地质条件情况，辅助用户在进行工程规划和施工中的报告编制、进展汇报及情况汇总，如图5所示。

（2）采空区评价

采空区评价模块可利用城市地质调查成果，结合“地下采空区调查与工程建设适宜性评价”和“岩溶地质调查与岩溶塌陷防治”等专题调查成果，构建出一套完整并且经过验证的评价模型体系，能够对已知的、查明的、资料齐全的煤矿采空区和岩溶发育区工程建设项目提供场地稳定性和工程建设适宜性评价服务，直接为场地规划布局和整理出让提供技术参考。

系统中提供了评价数据上传、评价参数、评价图件生成以及评估报告生成的功能，实现了针对不同场地范围内的采空区稳定性以及工程建设适宜性的评价并生成对应的评价报告的功能，如图6所示。

1. 灵活的业务功能扩展能力

结合各部门业务需求，采用插件式的开发模式，让产品的业务功能更加灵活，满足用户的不同需求，达到高度定制化的效果。

2. 丰富、快捷的业务接口

利用微服务技术架构和数据中心技术，集成了空间数据引擎建立三维数据模型，并提供数据服务、应用服务、服务管理以及接口服务等。主要集成3D平台内核服务以及空间数据库引擎，在业务上提供水文地质、工程地质、三维地质、地下空间利用评价等专业服务，以及利用数据中心的工具集提供综合数据和功能服务。通过服务管理与运维管理平台，对数据中心进行管理与维护。通过数据中心还可以对外提供OGC、REST、SOAP服务接口，Web客户端JS API接口等，方便客户进行二次开发或者功能的扩展。

3. 多源异构数据集成管理技术

数据中心对不同的数据源通过多源异构数据集成管理技术统一标准接口，供所有业务子系统应用；将多源异构的数据解析封装在了数据中心内部，对外提供统一的数据访问接口，屏蔽了不同数据间的差异。业务系统通过统一的数据访问接口直接操作访问数据，而不用关心数据的存储位置与格式，只关注自己的业务功能。同时数据中心通过权限控制业务系统对数据的访问和操作，保证了整个数据的安全性。

4. 多精度、多参数建模技

多精度、多参数的三维地质模型使用网格模型分散表达，展示地质单元的属性参数。面对高精度下网格数量过多引发的存储、渲染、检索等方面的压力，提出网格集合的概念，将原本平级的网格改造成了分页的树形结构，避免一个集合中存在过多网格。先使用均一精度的网格建模生成基准精度网格模型，对单元网格进行合并从而得到多级模型，再将网格模型转换为表面模型。项目中使用LOD策略来对网格模型做渲染表达，数据库存储中使用非关系型数据MongoDB以优化模型的显示效果，最后对模型进行3DTiles 数据格式转换。通过生成多级LOD三维模型来提高渲染效率，并且可以直接发布到Web上渲染显示。

5. 数据共享、动态更新

实现多部门地下空间质量数据的整合处理与共享，用户利用系统的数据共享获取地质资料信息，以及系统的数据分析、三维建模等功能，规避建设风险、体现城市规划的前瞻性、构筑防灾减灾体系、有效规划利用地下空间等。依托“工程地质层划分规范”，在地下空间数据中心钻孔数据库的支持下，通过地质资料汇交系统汇聚各类工程地质勘察资料，海量的钻孔集成管理、循环更新，常态化更新三维地质结构模型，实现透明地下。在保持现有管理流程不变，不额外增加工作量的情况下，可实现地质数据的动态更新，节省庞大的钻孔数据标准化的经费支出。

1. 经济效益

本项目重新定义了数据管理，实现了对多源异构城市地质数据的整合共享，提高了数据服务的利用率和更新时效，有效降低了数据采集、分析、应用的成本，很大程度上减少了财政浪费。

2. 社会效益

本项目中构建的地质资料汇交系统实现了对地质资料汇交监管业务的全流程线上标准化和自动化流转与管理，便于管理部门监管和归档地质资料，也为汇交人提交项目地质资料提供了便利。

数据中心所建设的多源异构数据的整合和共享服务对政府部门掌握国土资源现状和时空变化、加强监管、抑制和查处违法、保护资源、保障发展提供有力依据，为实现土地动态监管以及全面提高国土资源综合监管、辅助决策和信息服务水平提供了有力的技术支撑和信息保障。

本项目所构建的一张图模块以“一张图”的形式，提供具有统一视图、统一尺度、统一内容的权威信息参考，支持信息浏览、查询统计、分析决策和共享利用等业务服务支持，以提升多源信息支撑下多部门工作目标的协调一致性和规划工作效率。基于该模块，可以实现多专业多要素数据的融合与统一应用，更能动态反馈地质调查成果和地下空间数据到城市规划中，是解决多规协调发展的可靠工具。

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