天津城市地质调查成果使 “遁地”成为可能

气质、尐侽亽 · 发表于 2014-3-25 14:38

张像源
2013年12月1日，天津至秦皇岛高速铁路“津秦高铁”正式开通运营，肩挑起津秦两地客运的重任，这条运行于渤海之滨的小巨龙，还成为我国东北、华北、华东地区客运铁路首次大串联的纽带，意义非凡。然而，在铁路的建设之初，工程面临着较为严重的地质环境问题。在天津境内，由于历史上多次海陆变迁，导致自晚全新世以来沉积了较厚的软土层；其次，由于大量开发利用地下水，引发沿线地面沉降现象严重，加之其它地质灾害蕴育，途经线路地质环境条件较差。为此，地质工作者利用天津城市地质调查成果，结合“天津三维可视化城市地质信息管理与服务系统”提供的查询检索、专业图件生成、三维地质结构模型的构建和综合评价等功能，对线路地上和地下一定深度的岩土性质进行了三维“CT扫描”，针对特定的地质环境，对铁路线路进行了地质灾害危险性评估和科学的选址、勘察、监测、处理、评价等基础工作，可以说，地质科学和信息技术的耦合，促进了津秦高铁的顺利开通。该高铁的正式运行，凝结了地质和信息科技工作者的心血，这也成为天津城市地质调查成果服务于社会经济建设的一个缩影。
天津三维可视化城市地质信息管理与服务系统
“天津三维可视化城市地质信息管理与服务系统”是国土资源部与天津市合作开展的《天津市城市地质调查》的重要成果之一，于2010年12月由天津市地质调查研究院负责完成。项目在全面搜集、整理天津市近50年来已有地质资料、“天津城市地质调查”工作成果数据的基础上，按照相关标准，建立了多专业、多尺度、海量的地质基础数据构成的天津城市地质数据库；并采用自动与交互式两种建模方法，建立了具有属性的天津市多个地学专业的三维地质结构模型，实现了对天津地下岩土的“全面体检”；面向政府管理、专业应用和社会公众的各类需求，以提供专业分析成果、三维地质结构模型和各类基础地质信息为抓手，基于mapgis平台，采用网络技术、数据库技术和3D可视化与虚拟现实技术等，开发了地质信息管理与服务系统，搭建了虚拟现实展厅，构建了集城市地质数据采集、管理、共享与服务为一体的天津城市地质调查数据中心，成为天津市今后所有地质成果数据进行集成、展示、服务与共享的综合信息平台。
有的放矢，独树一帜
2005年，天津市成为全国六个城市地质调查试点城市之一，开展了天津市城市地质调查项目。在信息系统专题建设过程中，针对天津市的城市地质特点，项目组紧紧围绕模型建模精度和综合评价模型的建设等方面，另辟蹊径，广泛征求有关用户和专家的意见，进行了深度的技术挖掘，在此基础上建立了多级三维地质模型构建方法；结合各类主流的地学评价方法，构建了综合评价模块，形成了多类地学专业模型库；紧跟信息技术发展步伐，充分将虚拟现实技术应用到地学信息的三维表达方面。那么，与其他几个试点城市相比，天津市在城市地质信息系统建设方面有哪些具体的创新点呢？
首先是采用了多级三维地质结构建模方法，建立了多专业的三维地质结构模型。对于工程地质结构模型，采用三级别划分：工程地质层、沉积相、岩性。在中心城区，按照一级地层建模，直接反映工程地质层。在滨海核心区，按照三级建模，更精确反映岩性特征。水文地质三维结构模型，从粗到细，共划分四级，6个含水组，89个标准层。利用这些模型，可直观、逼真地为在天津市进行工程选址与建设、应急救灾等工作提供精准的辅助决策信息（图 1）。

图1 多级模型同步展示

其次，完成了综合地质专业评价模型的建立、定制、扩展与管理。针对各级用户对地质专业纷繁复杂的评价需求，基于多种主流的地学评价理论，在主流的信息技术支撑下，构建了综合评价模块，从评价模型的建立和管理入手，以用户为本，简化了评价模型的操作流程，方便、快捷地为用户提供多专业评价模型及管理工具，允许专业用户自定义评价模型或扩展模型库中提取已有的分析评价模型进行地学评价。按照工程地质、水文地质、农业地质、地热资源和地质灾害等专业服务于经济社会的热点需求，构建了动态可更新的综合评价模型库，进而可为政府、社会以及专业人员有针对地提供具有综合性、差异性的评价服务。
虚拟现实技术与地学三维信息结合，是地质成果三维表达的一种趋势。以往人们对地下的了解，是通过对打钻来实现认知的，如今可结合城市地质调查成果，利用虚拟现实技术、三维技术和数学方法，使人们了解地下信息变得易如反掌。采用这一关键技术，以城市地质调查成果为数据支撑，项目组建立了多通道的天津市地学虚拟现实展示大厅。各级用户可佩带立体眼镜，选择感兴趣的区域，通过电脑对三维地质结构模型进行人机互动操作，任意进行三维立体漫游、开挖、剖切与分析，将地下岩性信息多角度、真实地展示给用户，以往专业和枯燥的地质资料在用户眼里已经是直观形象、通俗易懂的三维现实。这种“身临其境”的真实感受，为用户插上了在地下“飞翔的翅膀”，实现了“土行孙的遁地本领”。
这一展示大厅的建立，为用户了解地下地质信息提供了真实、可靠、精确的地学信息平台，迄今为止，展厅自2010年以来，接待了中外来宾达三百多人，并于2012年正式被天津市有关部门批准成为天津市科普教育基地，随着我院科普工作的大力开展，天津三维地质科普展厅将会迎来越来越多各个阶层的人群，我们也将在专业性、知识性、科普性、互动性等方面不断改进和创新，推动促进地学科普，积极推进地质调查成果大众化传播，提高公众地学素养（图2、3）。

图2 国土资源部领导参观三维地质信息系统

图3 我市中小学生参观城市地质调查成果展览

为各行业提供全方位地质信息服务
系统自建成以来，面向政府管理、规划人员和专业人员，为天津市地质规划和工程选址、农业产业结构调整、地质灾害防治、地下空间利用等方面提供了丰富的地质信息服务。
城市规划和工程选址的咨询师
在连接东北、华北和华东的高速铁路枢纽站天津西站的改扩建工程中，天津城市地质信息管理与服务系统为其工程地质条件参数的计算和综合评价以及工程地质结构三维分析提供了服务。对区域中60m内的浅层地层进行详细的分区、分层、分级评价，对工程建设桩基适宜性评价，生成评价分区图；根据区域水文长期观测资料和钻孔地下水资料，了解地下空间地下水水位埋藏情况，综合分析地下水对地下工程建设的影响，建立工作区地下水（土）对工程结构腐蚀性评价分区模型。在腐蚀性评价结果的基础上，根据已有工程实例，结合相关规范，实现地下水对钢筋混凝土的腐蚀性评价。根据钻孔数据建立三维地层结构模型、进行三维地层结构模型切割及基坑开挖土方量计算。
农业地质环境的保驾护航者
天津市农业地质环境如何？有多少适宜种植区？适合种植什么农作物？这些问题可利用信息系统得出答案。在系统取样测试的基础上，综合分析天津市农业地质环境特点，依据不同农作物生长的立地地质环境要求，利用信息系统的综合评价功能，实现农业地质环境综合区划。将天津市划分为16个农产品适宜种植区，其中城市蔬菜经济作物适宜区1个，林果适宜区4个，蔬菜适宜区5个，粮棉适宜区6个。该成果为天津市特色、绿色农产品产地规划、蔬菜基地发展、保障农产品安全以及提高农产品品质等提供了重要的科学依据。
除了工程建设中常常要了解地下的地质信息外，地表土壤肥力、污染和质量问题也是与我们生活息息相关的，例如建设用地的土壤中究竟含有多少对人体有害的污染成分，这是大家非常关心的一件事情。利用城市地质调查成果，结合信息系统，提供图文并茂的决策信息，动态绘制用户感兴趣地区的污染元素平面分布图，将这张图提供给规划人员，使他们直观了解建设用地的某元素的分布情况，并做出决策。
防灾避灾的智库
地面沉降是天津主要的地质灾害。我们的地质调查成果在防治地面沉降上也发挥了关键作用。通过每年的地面沉降监测序列数据，系统可以对地面沉降监测随时间变化的数据进行三维模拟，建立三维时态感知模型，模型直观、动态、形象地集中展示了中心城区和滨海新区（塘沽）地面沉降随时间的变化情况。由于采取了沉控措施，沉降速率由80年代的80～100mm/a减缓到如今的10～15mm/a。通过这种可视化的演示，政府控沉部门可根据沉降的范围和严重程度，采取相应的调控措施，减缓地面沉降的速率。
除此之外，通过本系统不但可以了解地面沉降的多年累计沉降量、近年沉降速率，还可以预测未来城市地面沉降的发展趋势，随时利用天津城市地质基础数据库，基于系统综合评价模型进行地面沉降危险性评价。
地下空间利用的好帮手
随着城市的发展，各种地下空间工程包括地铁、市政管线、地下车库、人防设置和商业设施等越来越广泛，而地质条件的好坏是决定相关工程能否上马的决定性因素之一。
利用信息系统，以三维地质数据作为支撑，可以对脚下的土地进行开挖分析，可以随意剖切一个三维结构面，挖掘一个三维基坑，甚至能够依据地下工程线路，自动生成模拟的工程三维隧道，如在天津市地铁5号线的建设之初，利用本系统模拟切割了隧道，让规划人员提前身临其境，穿越漫游，了解隧洞洞壁的岩性情况，实时分析了所挖图层的岩性、构造及空间情况，帮助用户解决施工中的地质问题，为工程线路规划阶段科学选线提供基础支撑，并为地铁公司有关咨询报告中提供了有关地下地质环境信息（图4）。

图4 隧道漫游效果图

土地利用与整理的评价师
土地生态适宜性分析就是在对城市区域内土地资源的合理规划布局和理性评价，确定城市发展的合理规模和适宜的产业空间布局。在全面收集工作区内的基础地质、地形地貌、气象、水文、土地利用、城市规划和建设、环境保护、生态环境等资料的基础上，利用系统可进行土地适宜性综合评价计算，最终提交有关土地利用适宜性评价图件，并提出土地功能分区规划建议。在滨海新区开发建设过程中，利用本系统对滨海新区土地适宜性进行了综合评价分析，形成了咨询报告，获得了有关部门的好评，为土地规划、城市建设等提供有力的科学依据（图5）。

图5 天津滨海新区城镇建设用地适宜性评估图

差异化和精细化的一站式服务是未来的发展方向
信息系统能否提供可靠的服务，城市地质调查数据库是灵魂。从系统建成以来，为了确保数据的现势性，服务的时效性，基于各类城市地质调查成果，在天津市国土资源主管部门的支持下，一直在不断地进行有关数据更新与维护。以工程建设所需的钻孔数据为例，迄今为止，录入几十万个钻孔数据，未来将突破百万个数据，钻孔数据的加密，势必将提高三维模型的精度，进而为用户提供更加精细的服务。
差异性的一站式服务是系统提升的方向。信息系统的专业性很强，使之成为地质人员的常用工具，然而更多的是要为政府和社会大众化服务。这种社会化服务需要突显的是简单、快捷和综合。这就要求要不断地对系统展开维护，对不同用户的需求进一步分析与归纳，总结出所需的功能，立足于不同的用户，研发提供迅速、综合和有效的差异化服务的功能，实现“一站式”、图文并茂、准确可靠的信息，为工程建设、应急避险、地下空间利用、地热资源开发等等提供服务。
根据信息技术的发展，及时扩展功能是提升系统服务的重点。在提升精细化、一站式服务的同时，及时追踪系统存在的问题和信息技术的发展，充分考虑各级用户的需求，今后还有诸多的努力方向，比如，在隧道漫游过程中，可以随时定位自己的位置；增加岩性显示的逼真度；在三维模型结构展示中，实现无极缩放，即像二维GIS里的一样，实现切片服务和变焦显示，将三维面向互联网发布信息，用户可以在网上根据提供的信息进行分析等等。
加强数据兼容性和共享与交换是一个趋势。目前，中国地质调查局有关部门和单位正在制定三维地质模型数据交换标准，规范三维地质系统的数据结构、模型标准等等，这对于提升本信息系统的产业化水平，加强数据共享与交换的力度，提升服务能力是一个方向。
加强地质资料信息化建设与社会化服务能力是各级领导在不同场合提出的要求，也是时代赋予地质工作者的使命，因此我们地质与信息技术专业人员，会紧密围绕天津市经济社会发展建设和国土资源管理需要，在政府管理部门的支持下，不断持续更新城市地质调查成果数据库，结合地学知识，应用先进、主流的GIS等信息技术，不断完善、建设更为智能化的三维地质信息管理与服务系统，加大地质工作服务社会和经济发展的力度，拉近地质成果与应用部门和社会公众的距离，进一步拓展城市地质服务领域，守护渤海之滨。
作者简介：
张像源，教授级高级工程师，天津市地质调查研究院（天津市地质环境监测总站）地矿信息中心主任。目前致力于水工环地质调查与研究、地质灾害监测与预警和信息系统的建设研发工作。