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內容簡介

《城市地質環境信息係統》是“地質信息科學與技術叢書”的第二部，是作者團隊長期從事計算機輔助地質調查理論、方法和技術領域的探索性研究和開發的成果積纍。《城市地質環境信息係統》著重介紹瞭城市地質環境調查信息化的技術體係，即以對象-關係數據庫為核心，以“多S”集成和計算機網絡為支撐，能夠實現地質-地理、空間-屬性數據一體化存儲、管理、處理和應用。其主要構成包括：野外地質數據采集技術、空間-屬性數據一體化管理技術、地質圖件機助編繪技術、三維城市地質環境建模技術、地質特徵空間分析技術、數據挖掘和基於網絡的數據共享服務技術等。

目錄

目錄
叢書總序
序
前言
第一章城市地質調查信息化概述1
1.1城市地質調查的發展及現狀1
1.1.1城市地質調查工作的基本內容1
1.1.2城市地質調查信息化的概念與方法4
1.2地質調查信息化的技術體係7
1.2.1野外地質數據采集技術7
1.2.2空間-屬性數據一體化管理技術7
1.2.3地質圖件計算機輔助編繪技術8
1.2.4三維可視化建模技術9
1.2.5地質特徵空間分析技術10
1.2.6基於網絡的數據傳輸技術10
1.3“玻璃地球”建設與三維地質填圖11
1.3.1“玻璃地球”概念與發展現狀11
1.3.2“玻璃地球”建設的發展趨勢16
1.3.3三維地質填圖是“玻璃地球”建設的基礎19
第二章城市地質信息係統的規劃、分析與總體設計21
2.1信息係統設計的原則與方法21
2.1.1信息係統設計的原則21
2.1.2信息係統設計參照標準22
2.1.3信息係統的設計方法27
2.1.4信息係統的開發模式28
2.2城市地質信息係統的規劃28
2.2.1地質信息係統規劃的概念與方法29
2.2.2地質信息係統規劃的主要內容29
2.2.3城市地質信息係統規劃的實施30
2.3城市地質調查的係統分析31
2.3.1城市地質數據現狀32
2.3.2業務流程與數據流程33
2.3.3係統功能需求分析35
2.4城市地質信息係統總體設計37
2.4.1係統建設目標和內容37
2.4.2係統總體架構40
2.4.3係統功能結構40
2.4.4係統網絡結構42
2.4.5係統軟硬件結構42
2.4.6概念模型的構建45
2.4.7係統安全保障51
第三章數據采集子係統55
3.1數據采集子係統設計基礎55
3.1.1數據采集子係統設計的基礎55
3.1.2城市地質環境調查數據的譜係56
3.1.3城市地質環境調查的野外工作模型57
3.2野外屬性數據機助采集模塊設計60
3.2.1屬性數據的機助采集方法60
3.2.2機助采集模塊優化的關鍵技術61
3.2.3屬性數據采集模塊的實現65
3.3野外空間數據機助采集模塊設計69
3.3.1空間數據采集模塊的係統分析69
3.3.2空間數據采集模塊的係統設計71
3.4地質剖麵實測與圖件編繪模塊設計81
3.4.1實測剖麵的工作流程分析81
3.4.2地質剖麵圖實測與編繪模塊設計84
3.4.3地質剖麵實測與編圖模塊的實現91
第四章地質數據管理子係統98
4.1地質數據管理子係統設計概述98
4.1.1數據管理子係統的總體結構98
4.1.2各類數據庫的命名與編碼100
4.1.3城市地質數據庫建設規則103
4.2原始數據庫及其管理模塊104
4.2.1原始數據分類與代碼104
4.2.2原始數據庫分類錶單設計105
4.2.3原始數據庫管理模塊107
4.3基礎數據庫及其管理模塊110
4.3.1基礎數據的分類與代碼110
4.3.2基礎數據庫的結構設計114
4.3.3基礎數據庫的管理模塊130
4.4成果數據庫及其管理模塊133
4.4.1成果數據庫組成與存儲內容133
4.4.2成果數據庫管理模塊135
4.5元數據庫及其管理模塊138
4.6城市地質時空大數據管理問題139
第五章城市三維地質建模子係統141
5.1城市三維地質建模的功能目標141
5.2三維建模子係統的結構與功能142
5.2.1三維圖形編輯模塊的功能143
5.2.2三維地質建模模塊的功能143
5.2.3三維地質空間數據可視化146
5.3用於三維地質建模的空間數據模型152
5.3.1常用的三維地質建模的數據結構153
5.3.2TIN、CPG結構及其混閤三維空間數據結構153
5.4基於TIN-CPG混閤結構的建模方法163
5.4.1對象框架與屬性的空間插值算法163
5.4.2基於TIN-CPG混閤結構的建模方法169
5.4.3多尺度刻畫與局部網格加密算法173
5.4.4知識驅動的沉積相精細刻畫方法175
5.5基於TIN-CPG混閤結構的建模應用176
5.5.1數據準備和數據預處理176
5.5.2第四係層序地層學與沉積學分析178
5.5.3沉積相與沉積環境剖麵與平麵圖編製180
5.5.4第四係三維精細地質模型的構建187
第六章城市地質數據的處理與信息提取193
6.1數據處理係統的功能結構與邏輯結構193
6.2二維地質圖件編繪模塊194
6.2.1二維地質圖件編繪模塊的結構與功能194
6.2.2地層柱狀圖類編繪模塊195
6.2.3地質參數等值綫圖類編繪模塊201
6.2.4地質剖麵圖類編繪模塊206
6.2.5綜閤圖類編繪模塊212
6.3三維地質空間分析與數據挖掘模塊216
6.3.1結構與功能217
6.3.2三維空間分析217
6.4水麵升降過程分析模塊224
6.4.1海水入侵分析224
6.4.2水麵升降過程模擬子模塊226
6.5城市地質環境分析模塊227
6.5.1地質環境分析模塊的功能需求227
6.5.2地質環境分析模塊設計與應用229
第七章城市地質環境綜閤評價232
7.1城市地質環境綜閤評價方法概述232
7.1.1綜閤評價的內容與方法232
7.1.2綜閤評價的實體模型與評價體係236
7.1.3綜閤評價的數學模型238
7.1.4模糊綜閤評估法的工作步驟與實現246
7.2寶安區地下空間可利用性評估實例252
7.2.1城市地下空間資源評估總體思路253
7.2.2寶安區地下空間資源評估模型254
7.2.3寶安區地下空間資源質量評估實踐258
7.2.4寶安區地下空間資源數量評估實踐273
第八章城市地質環境信息服務子係統280
8.1關鍵技術應用與發展280
8.1.1基於SOA的應用集成思路280
8.1.2網絡集成的體係結構281
8.1.3若乾軟件開發技術應用283
8.1.4網格技術及其應用286
8.1.5雲計算和雲技術的應用287
8.2信息服務子係統的結構288
8.2.1信息服務子係統的總體框架288
8.2.2功能模塊及其運行邏輯過程289
8.3二維數據産品服務模塊290
8.3.1二維數據産品服務模塊功能結構290
8.3.2城市地質環境專題圖查詢方法291
8.3.3城市地質環境專題圖瀏覽方法292
8.4三維數據産品服務模塊294
8.4.1三維數據産品服務模塊功能結構294
8.4.2三維數據産品服務模塊功能簡介294
參考文獻299

精彩書摘

第一章 城市地質調查信息化概述
隨著城市化進程的加速，城市人口急劇膨脹，城市範圍快速擴張，城市地質環境問題日益突齣，水資源短缺、水與土地汙染、地麵沉降、地錶塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻繁發生，成為影響城市社會經濟可持續發展的重要因素。因此，深化城市地質工作，建立城市地質調查信息係統，對實施大數據戰略，全麵推進“數字城市”和“智慧城市”建設，提升城市規劃、建設、管理與運行的水平，具有十分重要的意義。
1.1 城市地質調查的發展及現狀
1.1.1 城市地質調查工作的基本內容
城市地質調查工作的基本內容，是在城市及其周圍地區，或潛在城市化地區，綜閤研究各種地質要素對城市發展所提供的資源和所施加的約束，以及城市發展對各種地質要素所産生的反作用，為城市規劃、建設和管理服務。具體地說，城市地質調查工作是研究城市的地質構造條件、工程地質條件、地基岩土穩定性，岩土體的齣露和埋藏條件、城市土地閤理利用、重大工程選址、地下空間可利用性等問題；研究水文地質結構和水文地質條件、地下水埋藏和分布規律、地下水的水質和水量、地下水的補給和排泄、地下水的可利用性和閤理開發利用，以及城市供水水源地評價和保護問題；研究與城市有關的地震、活斷層、滑坡、泥石流、洪水、地麵沉降與塌陷，以及水土流失等地質災害問題；研究城市建築材料、地熱、礦産資源開發利用的經濟評價問題；研究城市中工業和生活垃圾的處理、地下水汙染、土壤汙染與環境保護問題，開展城市地質環境質量綜閤評價。
國際上的城市地質工作的開展，是與城市化進程相伴隨的，大緻開始於20世紀初，中間因第二次世界大戰而陷於停頓。第二次世界大戰以後，許多經濟發達的國傢根據城市建設的需要，紛紛開展係統的城市地質調查工作。初期的城市地質調查工作內容，主要是基礎地質和工程地質填圖，至20世紀60～70年代，工作內容擴大到水土汙染調查評價，城市廢棄物危害調查評價，以及各種相關地質資源的勘查評價。20世紀80年代以來，開始廣泛應用信息技術，使各項專題研究水平和為社會服務的能力，得到迅速的提升。
美國地質調查局（USGS）在21世紀初把加強城市地質災害研究，以及土壤汙染問題的研究列為主要工作內容。他們藉助GIS編製美國主要城市的多種災害和汙染狀況數字化圖件，還繪製齣瞭描述城市土壤潛力與限製的“地質潛力圖”。例如，在科羅拉多州格倫伍德斯普林斯市，開展瞭城市地質災害評價項目。該市位於山區河榖地區，崩滑流地質災害製約著城市的發展，城市規劃部門委托科羅拉多州立大學，利用GIS進行地質災害易損性和風險評價編圖研究。他們按14種土地利用適宜性等級，對評價區進行瞭土地利用區劃，圈齣瞭未來城市發展的適宜地段和高風險區，在此基礎上建立瞭“城市整體化決策支持係統”。
加拿大的城市地質工作已有100多年的曆史。Henry Arm在1900年發錶的“加拿大東部主要城市的地質”，被認為是加拿大城市地質的開創性成果。但是，加拿大係統開展城市地質工作是從20世紀50年代開始的。其目的是為市政規劃和發展提供基礎信息，主要成果是填製溫哥華和濛特利爾地區錶層內容豐富的地質圖。1971年，加拿大科學委員會齣版的“加拿大地球科學”報告，高度強調瞭城市地質工作的重要意義。加拿大地質調查局在渥太華—赫爾地區啓動瞭環境地質項目，齣版瞭綜閤地質報告和一係列地質圖。與此同時，加拿大地質調查局還得到資助，在全國27個主要城市開展瞭城市地質計劃（WWSEP）。該計劃收集瞭大量的城市地區的岩土數據（包括11萬個鑽孔資料），建立瞭城市岩土數據庫，但由於財力等原因沒有進一步維護和開發。目前，一半數據已經遺失，一半數據轉換成PC格式，特彆是在渥太華、溫哥華、聖約翰和多倫多地區，岩土數據已經綜閤到GIS係統之中。加拿大近期的城市地質工作主要是解決海岸帶軟地基穩定性、隧道開挖、供水、廢物處置、岸邊侵蝕、冰磧物滑動、地震、洪水和火山噴發等地質問題。未來的挑戰一是使市政管理者支持並參與城市地質工作和計劃，二是開發齣用戶界麵友好的城市地質信息係統，從而促進在城市地區將地質知識和信息直接應用於解決城市環境與岩土工程問題之中。
澳大利亞的城市地質調查工作，基本是與全國係統化區調工作同步進行的。在20世紀80年代，澳大利亞地學機構在遙感技術應用、地下水調查、核監測和地質災害評估方麵獲得進展，並建立瞭地震監測活動。隨後在20世紀90年代初期，製定瞭一項國傢地球科學填圖協議（national geoscience mapping accord），進一步將新的科學方法與新的空間信息技術結閤起來，開始填製數字化的第二代澳大利亞陸地地質圖。在此期間，為瞭減輕澳大利亞城市社區的地質災害風險，提高城市社區安全，促進城市的可持續發展，於1996年實施瞭一個“城市項目”。該項目以昆士蘭州凱恩斯市為首座試點研究的城市，開展瞭一係列地質災害風險試點研究，研發瞭城市地質災害填圖與評價的科學方法與技術。經過幾年的努力，研究人員完成瞭包括地震、滑坡、洪水和颶風等地質災害風險與社區地質災害脆弱性綜閤評價圖。試點完成後，便將所取得的新方法、新技術成果嚮全國推廣。至21世紀初，隨著“玻璃地球”建設項目的設立和開展，澳大利亞的城市地質調查迅速采用瞭三維地質信息技術，迄今為止，基本完成瞭全國各大城市的地質調查。
德國也是最早開展城市地質調查工作的國傢之一。20世紀90年代，隨著工業現代化程度的不斷提高，德國地質調查局也將工作重點由礦産資源勘查轉嚮環境地質調查研究。所開展的研究工作包括以下幾個方麵：開展城市及其周圍地區的環境地球化學調查、土壤汙染評價；開展垃圾場汙染的調查、評價及汙染監控、治理；建立瞭城市行政機關、地質調查所的綜閤數據庫，繪製齣瞭描述城市土壤潛力與限製的“地質潛力圖”，並獲取廣泛的其他地學知識，為城市規劃建設和地下水利用服務。與此同時，德國還與泰國、印度尼西亞、尼泊爾等開展瞭城市環境地質調查與規劃的技術閤作。
荷蘭也是開展城市地質調查工作最早的國傢之一。從20世紀90年代初開始，荷蘭地質調查機構與本國土壤調查所、應用地球科學研究所閤作，進行瞭基於GIS平颱的數字化區域工程地質和環境地質填圖。其中，環境地質圖的比例尺主要是1∶5萬和1∶25萬，是根據現有數據情況和用戶需求進行生産的，其主題有水文地質係統、草地土壤穩定性、適宜於儲存核廢物的鹽丘構造、適宜於地下建築的深層黏土層性質、地熱能的開采與儲存、工業建材、受開挖影響的地貌脆弱性、地下水遭受硝酸鹽汙染的脆弱性、地下水水位波動、由於地下水開采易於發生土壤下沉的敏感性、建築場地選址、城市擴展的區域地基深度等。在土地利用規劃中，注重自然潛力和限製條件，以及土地復墾對地麵沉降的影響。目前，已經有200個城鎮進行瞭底土技術質量編圖，並建立瞭基礎地學信息數據庫。
英國地質調查局很早就把資源、環境和災害地質調查放在同等重要地位。特彆是在20世紀末，針對21世紀的挑戰和機遇，提齣瞭加強與環境、自然資源和災害相關的地質調查的21世紀新戰略，並先後提齣瞭2000～2005年、2005～2010年和2009～2014年科學戰略規劃。這些規劃進一步使地質調查的內容和作用走嚮多樣化，並促進瞭空間信息技術的廣泛應用，加深瞭對環境及其過程的認識，同時革新瞭對新發現的解釋和傳播。例如，2005～2010年科學戰略規劃圍繞8個主題（英國大陸的3D地球科學框架；地球環境信息；海岸帶、大陸架及大陸邊緣的3D特徵；可持續水資源管理；可持續土地管理；能源和礦産資源的可持續生産和安全供應；岩石圈的物理、化學和生物災害及其影響；監測全球變化過程）和5個交叉性問題（農村經濟與土地利用和土地質量、氣候變化、地球生命支持係統、能源和自然資源的安全性、國際發展）展開，而2009～2014年科學戰略規劃則在前一個戰略規劃的基礎上，進一步把重點放在海岸帶人口聚居地區的資源與環境地質調查，以及建立多尺度三維地層框架。顯然，城市地質調查是其重點。其中，英國地質調查局啓動的“倫敦計算機化地下與地錶項目”（LOCUS），以2萬多份鑽孔描述資料為基礎，建立城市地質數據庫，形成瞭用於土地利用規劃、土木工程建設以及解決地質環境問題的各種地質主題圖件。
與此同時，歐洲其他國傢如西班牙、比利時和俄羅斯，以及日本、新加坡、泰國、印度尼西亞、中國颱灣和中國香港等東亞和東南亞的一些國傢和地區，也開展瞭城市地質調查工作，完成瞭不少城市的1∶2.5萬的地質填圖工作，並開始瞭城市地質數據庫建設。
所有這些研究，促成瞭一門新的地質學科——城市地質學的誕生。
在中國，城市地質調查起步較晚，直到近年來隨著城市化進程加快，城市人口急劇膨脹，城市範圍迅速擴大，城市地質資源、環境和地災問題突齣，城市地質調查纔成為基礎地質調查工作及其信息化的技術研發和應用的重點。
中國較為正式、係統的城市地質工作開始於20世紀80年代。最初於1983年，由北京市、地質礦産部和城鄉建設環境保護部聯閤，開展瞭北京地區航空遙感方法調查。接著，在國傢“七五”計劃期間（1986～1990年），地質礦産部組織瞭上海、天津、丹東、大連、福州、廣州、深圳、珠海、溫州、寜波等21個沿海城市的城市環境地質調查。從21世紀初開始，在全國更大範圍內開始大、中城市的1∶5萬、1∶25萬區域地質調查，其內容包括城市生態環境地球化學調查與城市工程地質、水文地質調查。另外地震、石油、化工、煤炭、建材、農業、城建、水利、航運、交通等部門，也從各自專業角度積纍瞭大量的城市地質資料。隨著地質信息科學技術的迅速興起，中國地質調查局在2006～2010年完成瞭北京、上海、天津、南京、杭州和廣州六大城市的三維地質環境綜閤調查試點，在相關高等學校的協助下，分彆建立瞭這些城市的地質環境信息係統和三維地層框架模型。在總結這些新成果的基礎上，中國地質調查局於2013年齣版瞭《中國城市地質調查工作指南》（程光華等，2013a）和《中國城市地質調查技術方法》（程光華等，2013b）。
綜上所述，開展城市地質環境、地災和資源主題的綜閤地學填圖工作，促進地學信息為城市規劃、管理和運行服務，已經成為世界各國城市地質工作的要內容。基於三維地質信息平颱，開展以主題式數據庫為核心的城市地質信息係統建設，實現城市地質環境、地災和資源評價與決策的信息化，成為城市地質工作的發展趨勢。
1.1.2 城市地質調查信息化的概念與方法
城市地質調查的內容，主要涉及環境地質、工程地質、水文地質、土地利用和廢棄物處理等多個領域。由於研究對象與研究內容存在顯著差異，所采用的工作方法和工作手段有明顯的差異。其中，環境地質調查常采用地質觀察、物探、化探、遙感等方法；工程地質調查常采用地質觀察、物探、鑽探等方法；水文地質（含地熱）調查常采用地質觀察、物探、鑽探等方法；土地利用調查常采用遙感、測繪等方法；廢棄物處理場地調查常采用地質觀察、遙感、物探和鑽探等方法。在進行城市地質調查時，還需要搜集、整理並采用大量的前期物探、化探和鑽探資料。除瞭地質觀測之外，這種情況與傳統的野外區域地質調查（填圖）有明顯差異。為瞭提高這些多源異構異質地質數據的采集、存儲、管理、處理、建模和應用的效率和水平，需要采用三維地質信息科技，全麵實現其信息化。
1. 地質調查信息化的概念
地質科學的發展、地質調查和其他地質勘查工作的深入開展，以及計算機和信息技術的應用，各個地區的地質資料和知識以空前的速度在積纍著，使得已有地質圖內容迅速變得陳舊。同時，社會的進步和需求的提高，又要求地質調查提供更多豐富的地質信息服務。因此，地質調查需要定期重復進行，地質圖需要動態地填製和更新。
在一般情況下，1∶25萬的地質圖更新周期為20年左右，而1∶5萬的地質圖更新周期為10～15年。然而，由於傳統的基礎地質調查方式效率極低，嚴重地阻滯瞭地質圖的更新速度。一些發達的西方大國的地質圖更新率，通常每十年隻有 10%左右。另外，最初的基礎地質調查成果比較單一，通常隻要求填繪齣一張區域地質圖。近年來，隨著
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