【摘要】 隨著北京城市建設迅猛發展北京市城市地質安全問題日益凸顯，城市地質安全問題給社會經濟可持續發展及人民生命財產造成了不可忽視的威脅和損失，為了查明各種地質災害的發生，降低其危害程度，確保城市地質安全，北京市正在建設各種地質環境與地質資源監測系統，已經建成的有地面沉降監測系統和地下水環境監測系統，正在建設的有突發性地質災害監測系統，其它監測系統也在規劃立項階段，如礦山環境、活動斷裂、淺層地溫能、地熱、垃圾、地下空間等，要整合這些監測系統，深入分析和提取各種監測數據間的有益信息，為政府決策和社會大眾服務，必須有一個功能強大、技術先進、穩定的信息系統來支撐。近年來北京市在城市地質數據庫建設及信息系統建設中做了大量基礎性工作，這些都為城市地質安全保障服務系統建設打下了堅實的基礎和充分的技術準備。本文從頂層設計的角度設計了北京城市地質安全保障服務系統整體框架，并對一期建設的各個子系統的功能、算法及數字模型進行了詳細的設計，指導了北京城市地質安全保障服務系統建設。 

1 引言

 

隨著北京城市建設迅猛發展北京市城市地質安全問題十分突出險患巨大，地下水資源超量開采可引發的地面沉降、北京山區突發性地質災害、未經處理的廢棄物引起的地下水污染等給城市建設、社會經濟可持續發展及人民生命財產造成了不可忽視的威脅和損失，因此解決城市地質問題責任重大且迫在眉睫。

城市地質問題具有動態性、隱蔽性、突發性及非正常活動性等特點，各種城市地質問題既有其獨特的演化特性，又有深刻而緊密的內在聯系。通常在一定時間內，各種因素進行著緩慢的量變，表現其動態性及隱蔽性的一面，當這種量變積累到超過監界值時，便立刻具有了可怕的突發性。隨著城市建設規模不斷擴大，人類活動嚴重影響了地殼的穩定性，這時人為因素與地質因素相互疊加、影響，便構成了一種更難被人認知的非正常活動性，如東三環塌陷，很有可能是地面沉降和其它不確定因素共同作用的結果。

 

1.1  城市地質安全保障服務系統建設現狀及發展趨勢

城市地質安全保障服務系統建設是建立在各種地質資源和地質環境監測網絡之上并將各種地質監測信息匯集到一個平臺之上，以各種數學模型為基礎利用信息化技術、網絡技術及GIS技術，綜合分析各種地質信息，為城市的地質安全保障服務。

1.1.1  城市地質安全服務系統發展史

印度曾用 GIS 方法對喜馬拉雅山麓的 Ranganga Catehment 地區進行了滑坡災害危險性分析，該研究基于多源數據集，如航空像片、磁帶數據、圖像、假彩色全成圖像及各種野外數據，包括地震、構造、地形、土地利用及滑坡分布，以上數據需要進行數字處理或者圖像處理，然后解譯繪制出地質圖（巖性與構造）、滑坡分布圖、土地利用圖等專題平面圖。這些數字化圖件及屬性數據都存儲在GIS系統中，從中可找出與滑坡災害評價相關的因素，利用GIS的存儲、更新、空間疊加功能，得到一張反映每個地區的權重總和的綜合圖件，根據給定標準，即可在圖上勾繪出滑坡災害危險性分區。

 

1.2 論文研究內容及意義

北京城市地質資源主要有土地、地下水、地熱、淺層地溫能、地下空間資源等。由于地下水超采，造成水位下降，水資源面臨枯竭以及地面沉降等地質災害。其它地質資源同樣面臨可持續開發、保護、有效利用等問題。

北京城市地質環境主要指污染、地質災害等。比如地下水污染、垃圾污染、地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、地面塌陷、泥石流、滑坡、崩塌等；此外平原地區隱伏活動斷裂對建筑物安全構成威脅；工程建設的加載和開挖，破壞了地殼表層的平衡，使工程設施產生沉降、位移、失穩等危害。

北京城市地質安全保障服務系統將利用先進的信息獲取技術和快速傳輸技術，實現天上、地面、地下的立體監控，形成多級網絡化的信息更新維護體系。全面完成城市地質安全數據庫建設，建立城市地質信息開發、利用、服務和管理的良好環境；形成以運行城市地質安全信息為主并具有多種分析預測、風險評估、風險預警和決策支持功能的信息綜合服務體系；全面提升地質災害防治的快速反應能力和技術水平，實現城市地質信息的高度共享與高效利用，深化網格化管理，實現城市地表、地下信息統一管理，一體化顯示，為政府決策、管理、提供堅實的技術支撐，為北京世界城市建設作出重要貢獻。

 

2 系統整體框架設計

 

系統采用自頂向下的結構化設計方法。在設計時，首先考慮系統的任務、環境、需求和局限，然后在總體上設計出能夠滿足系統要求的模塊化的體系結構，并根據業務需求劃分為若干子系統，設計出每個子系統包含的功能模塊。

 

2.1 系統架構

從總體上看，北京城市地質安全保障服務系統建設是以計算機硬件與網絡通信平臺為依托，以政策、法規、規范、標準、信息化機構以及安全體系為保障，以數據管理、配置管理、服務引擎為支撐構建的分析評價、輔助決策、安全預警預報系統。北京城市地質安全保障服務系統建設的總體框架如圖2-1所示：

 

 

2.1.1 基礎設施

本項目基礎設施主要是 IT 基礎設施，包括機房建設、采購必要的服務器和存儲設備、機柜等。

2.1.2 數據層

信息資源是系統建設的重要基礎成果，是信息共享和交換的物理基礎。主要包括基礎數據庫、實時監測數據庫、成果數據庫及共享數據庫。各種數據通過統一的數據庫標準，利用 ORACLE 大型數據庫平臺進行一體化管理，為業務應用層的各系統提供數據保障。

主要是通過調查、監測、專題研究及其它單位共享等手段取得數據，為數據庫的建設提供數據來源。

 

2.2 體系結構

系統采用COM 組件開發及基于 Web Service技術體系結構（如圖2-2）設計，COM 組件開發可以滿足內部的專業應用需求，基于 Web Service 體系結構可以滿足外部服務需要，主要包括數據庫層、數據訪問引擎層、業務邏輯組件、應用組件及 Web服務層、網絡傳輸層和應用層等。

 

 

2.2.1 數據庫層

數據庫層是地質安全保障服務系統的數據存儲層，集中存儲在地勘局信息中心的服務器上，筆耕文化推薦期刊，采用 Oracle 企業級數據庫進行存儲，充分利用它的面向對象、空間數據、分區、海量數據快速存取等特性。這一層不但包括基礎數據庫（矢量基礎地理、DEM 等）、動態數據庫（地下水環境監測、地面沉降監測等數據）、成果庫、共享庫等，還可以包括形成這些數據庫的 Word、PDF、Excel、AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、圖片等多種類型的原始數據。

 

3  數據管理與服務子系統設計........ 14

3.1基礎數據管理模塊........... 14

3.1.1數據分類原則............. 14

3.1.2分類編碼原則........... 15

4 地質安全監測子系統建設......... 25

4.1地下水監測與分析子系統............. 25

4.1.1地下水動態分析模塊................. 25

5 地質安全綜合分析子系統............ 60

5.1 地質信息展示............. 62

5.2 地質安全質量評價與輔助決策............... 63

 

5 地質安全綜合分析子系統

 

根據北京城市地質安全保障服務系統項目逐步實施的原則，地質安全綜合分析子系統將是一個能夠提供對地下水、地面沉降、突發性地質災害、活動斷裂、淺層地溫能 、土壤環境、礦山環境、地下空間等專業分析成果進行綜合分析的平臺。

地質安全綜合分析子系統是個長期建設的系統，目的是根據整個北京城市地質安全保障服務系統中各專題系統的不斷豐富，地質安全綜合分析子系統也不斷的完善。這個是個動態的過程，包括對多種地質專題信息建立合適的查詢、展示方式，這種方式要更能突出多種地質信息經過綜合展示后的信息特點；也包括在多種地質專題信息基礎上建立整個北京城市地質安全保障服務模型。

本期項目中，地質安全綜合分析子系統建設首先是在北京城市地質安全保障服務系統大的框架下建立綜合分析的功能結點，實現了整個大框架下數據由入庫、分析處理到綜合應用的整體過程。本期工作具體方向包括三維地質建模與仿真、綜合展示與分析兩大部分，如圖5-1所示。

 

 

6  總結與展望

 

北京城市地質安全保障服務系統一期工程已經建設完成，經過一段測試運行，整體達到預期目標，并為后期突發性地質災害、活動斷裂、淺層地溫能  、土壤環境、礦山環境等項目的靈活接入奠定了基礎。

 

6.1 本文總結

北京城市地質安全保障服務系統建設涉及多個專業方向，數據量大，專業計算和模型多，系統的建設需要多專業、多源數據的支撐。本次工作初步建立了北京城市地質安全保障服務系統，這項工作是將多專題地質信息納入城市地質安全保障服務內容的一次重要嘗試。

地下水監測評價、動態分析、水質監測分析、地面沉降分析是城市地質安全保障的重要內容。本次工作中，以上各專業領域知識和計算機技術、GIS技術、三維建模技術在面向城市地質安全保障服務系統的新框架、新理念下進行了實踐。

整體建設方面，系統綜合采用物聯網、大型數據庫技術、計算機網絡技術、主流 GIS 技術、三維地質建模及可視化技術，接入動態監測網絡，搭建了北京城市地質安全保障服務系統框架，為以后突發性地質災害、活動斷裂、淺層地溫能  、土壤環境、礦山環境、地下空間等專業分析系統建設提供了技術框架，為實現全面的北京市地質安全保障服務提供技術基礎。

在專業方面，基于 GIS 技術、三維可視化技術，實現了北京城市地質安全基礎地質數據、動態監測數據、地下水專業數據、地面沉降專業數據等多源數據綜合查詢及展示；集成了回歸分析、神經網絡、層次分析法等多種數學方法建立了水位、水質、地面沉降相關評價、預測、預警模型，建立了地質安全質量評價模型，自動生成地質安全質量綜合評價輔助報告，為城市地質安全保障提供基本的專業信息。

三維建模與仿真方面，基于國內自主知識產權的三維地質建模技術，基于地質鉆孔資料，構建了平原區第四系三維地質模型；綜合采用水文地質鉆孔、剖面資料構建了平原區地下水含水層組三維地質結構模型、監測層三維地質結構模型、第四系時代三維地質結構模型；能夠進行三維動態顯示和分析，達到國內領先水平。

信息服務和共享交換方面，本次工作在北京市電子政務網內實現了北京城市地質安全信息服務系統，實現了地下水動態、地下水環境、地下水資源、地面沉降等專題的動態監測信息和可發布的專業分析成果信息；實現了與市委辦局之間數據共享交換功能。

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本文編號：10844