北京城市地质安全保障预警预报服务系统建设研究

发布时间：2014-12-24 09:56

 

【摘要】 随着北京城市建设迅猛发展北京市城市地质安全问题日益凸显，城市地质安全问题给社会经济可持续发展及人民生命财产造成了不可忽视的威胁和损失，为了查明各种地质灾害的发生，降低其危害程度，确保城市地质安全，北京市正在建设各种地质环境与地质资源监测系统，已经建成的有地面沉降监测系统和地下水环境监测系统，正在建设的有突发性地质灾害监测系统，其它监测系统也在规划立项阶段，如矿山环境、活动断裂、浅层地温能、地热、垃圾、地下空间等，要整合这些监测系统，深入分析和提取各种监测数据间的有益信息，为政府决策和社会大众服务，必须有一个功能强大、技术先进、稳定的信息系统来支撑。近年来北京市在城市地质数据库建设及信息系统建设中做了大量基础性工作，这些都为城市地质安全保障服务系统建设打下了坚实的基础和充分的技术准备。本文从顶层设计的角度设计了北京城市地质安全保障服务系统整体框架，并对一期建设的各个子系统的功能、算法及数字模型进行了详细的设计，指导了北京城市地质安全保障服务系统建设。 

1 引言

 

随着北京城市建设迅猛发展北京市城市地质安全问题十分突出险患巨大，地下水资源超量开采可引发的地面沉降、北京山区突发性地质灾害、未经处理的废弃物引起的地下水污染等给城市建设、社会经济可持续发展及人民生命财产造成了不可忽视的威胁和损失，因此解决城市地质问题责任重大且迫在眉睫。

城市地质问题具有动态性、隐蔽性、突发性及非正常活动性等特点，各种城市地质问题既有其独特的演化特性，又有深刻而紧密的内在联系。通常在一定时间内，各种因素进行着缓慢的量变，表现其动态性及隐蔽性的一面，当这种量变积累到超过监界值时，便立刻具有了可怕的突发性。随着城市建设规模不断扩大，人类活动严重影响了地壳的稳定性，这时人为因素与地质因素相互叠加、影响，便构成了一种更难被人认知的非正常活动性，如东三环塌陷，很有可能是地面沉降和其它不确定因素共同作用的结果。

 

1.1  城市地质安全保障服务系统建设现状及发展趋势

城市地质安全保障服务系统建设是建立在各种地质资源和地质环境监测网络之上并将各种地质监测信息汇集到一个平台之上，以各种数学模型为基础利用信息化技术、网络技术及GIS技术，综合分析各种地质信息，为城市的地质安全保障服务。

1.1.1  城市地质安全服务系统发展史

印度曾用 GIS 方法对喜马拉雅山麓的 Ranganga Catehment 地区进行了滑坡灾害危险性分析，该研究基于多源数据集，如航空像片、磁带数据、图像、假彩色全成图像及各种野外数据，包括地震、构造、地形、土地利用及滑坡分布，以上数据需要进行数字处理或者图像处理，然后解译绘制出地质图（岩性与构造）、滑坡分布图、土地利用图等专题平面图。这些数字化图件及属性数据都存储在GIS系统中，从中可找出与滑坡灾害评价相关的因素，利用GIS的存储、更新、空间叠加功能，得到一张反映每个地区的权重总和的综合图件，根据给定标准，即可在图上勾绘出滑坡灾害危险性分区。

 

1.2 论文研究内容及意义

北京城市地质资源主要有土地、地下水、地热、浅层地温能、地下空间资源等。由于地下水超采，造成水位下降，水资源面临枯竭以及地面沉降等地质灾害。其它地质资源同样面临可持续开发、保护、有效利用等问题。

北京城市地质环境主要指污染、地质灾害等。比如地下水污染、垃圾污染、地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、地面塌陷、泥石流、滑坡、崩塌等；此外平原地区隐伏活动断裂对建筑物安全构成威胁；工程建设的加载和开挖，破坏了地壳表层的平衡，使工程设施产生沉降、位移、失稳等危害。

北京城市地质安全保障服务系统将利用先进的信息获取技术和快速传输技术，实现天上、地面、地下的立体监控，形成多级网络化的信息更新维护体系。全面完成城市地质安全数据库建设，建立城市地质信息开发、利用、服务和管理的良好环境；形成以运行城市地质安全信息为主并具有多种分析预测、风险评估、风险预警和决策支持功能的信息综合服务体系；全面提升地质灾害防治的快速反应能力和技术水平，实现城市地质信息的高度共享与高效利用，深化网格化管理，实现城市地表、地下信息统一管理，一体化显示，为政府决策、管理、提供坚实的技术支撑，为北京世界城市建设作出重要贡献。

 

2 系统整体框架设计

 

系统采用自顶向下的结构化设计方法。在设计时，首先考虑系统的任务、环境、需求和局限，然后在总体上设计出能够满足系统要求的模块化的体系结构，并根据业务需求划分为若干子系统，设计出每个子系统包含的功能模块。

 

2.1 系统架构

从总体上看，北京城市地质安全保障服务系统建设是以计算机硬件与网络通信平台为依托，以政策、法规、规范、标准、信息化机构以及安全体系为保障，以数据管理、配置管理、服务引擎为支撑构建的分析评价、辅助决策、安全预警预报系统。北京城市地质安全保障服务系统建设的总体框架如图2-1所示：

 

 

2.1.1 基础设施

本项目基础设施主要是 IT 基础设施，包括机房建设、采购必要的服务器和存储设备、机柜等。

2.1.2 数据层

信息资源是系统建设的重要基础成果，是信息共享和交换的物理基础。主要包括基础数据库、实时监测数据库、成果数据库及共享数据库。各种数据通过统一的数据库标准，利用 ORACLE 大型数据库平台进行一体化管理，为业务应用层的各系统提供数据保障。

主要是通过调查、监测、专题研究及其它单位共享等手段取得数据，为数据库的建设提供数据来源。

 

2.2 体系结构

系统采用COM 组件开发及基于 Web Service技术体系结构（如图2-2）设计，COM 组件开发可以满足内部的专业应用需求，基于 Web Service 体系结构可以满足外部服务需要，主要包括数据库层、数据访问引擎层、业务逻辑组件、应用组件及 Web服务层、网络传输层和应用层等。

 

 

2.2.1 数据库层

数据库层是地质安全保障服务系统的数据存储层，集中存储在地勘局信息中心的服务器上，笔耕文化推荐期刊，采用 Oracle 企业级数据库进行存储，充分利用它的面向对象、空间数据、分区、海量数据快速存取等特性。这一层不但包括基础数据库（矢量基础地理、DEM 等）、动态数据库（地下水环境监测、地面沉降监测等数据）、成果库、共享库等，还可以包括形成这些数据库的 Word、PDF、Excel、AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、图片等多种类型的原始数据。

 

3  数据管理与服务子系统设计........ 14

3.1基础数据管理模块........... 14

3.1.1数据分类原则............. 14

3.1.2分类编码原则........... 15

4 地质安全监测子系统建设......... 25

4.1地下水监测与分析子系统............. 25

4.1.1地下水动态分析模块................. 25

5 地质安全综合分析子系统............ 60

5.1 地质信息展示............. 62

5.2 地质安全质量评价与辅助决策............... 63

 

5 地质安全综合分析子系统

 

根据北京城市地质安全保障服务系统项目逐步实施的原则，地质安全综合分析子系统将是一个能够提供对地下水、地面沉降、突发性地质灾害、活动断裂、浅层地温能 、土壤环境、矿山环境、地下空间等专业分析成果进行综合分析的平台。

地质安全综合分析子系统是个长期建设的系统，目的是根据整个北京城市地质安全保障服务系统中各专题系统的不断丰富，地质安全综合分析子系统也不断的完善。这个是个动态的过程，包括对多种地质专题信息建立合适的查询、展示方式，这种方式要更能突出多种地质信息经过综合展示后的信息特点；也包括在多种地质专题信息基础上建立整个北京城市地质安全保障服务模型。

本期项目中，地质安全综合分析子系统建设首先是在北京城市地质安全保障服务系统大的框架下建立综合分析的功能结点，实现了整个大框架下数据由入库、分析处理到综合应用的整体过程。本期工作具体方向包括三维地质建模与仿真、综合展示与分析两大部分，如图5-1所示。

 

 

6  总结与展望

 

北京城市地质安全保障服务系统一期工程已经建设完成，经过一段测试运行，整体达到预期目标，并为后期突发性地质灾害、活动断裂、浅层地温能  、土壤环境、矿山环境等项目的灵活接入奠定了基础。

 

6.1 本文总结

北京城市地质安全保障服务系统建设涉及多个专业方向，数据量大，专业计算和模型多，系统的建设需要多专业、多源数据的支撑。本次工作初步建立了北京城市地质安全保障服务系统，这项工作是将多专题地质信息纳入城市地质安全保障服务内容的一次重要尝试。

地下水监测评价、动态分析、水质监测分析、地面沉降分析是城市地质安全保障的重要内容。本次工作中，以上各专业领域知识和计算机技术、GIS技术、三维建模技术在面向城市地质安全保障服务系统的新框架、新理念下进行了实践。

整体建设方面，系统综合采用物联网、大型数据库技术、计算机网络技术、主流 GIS 技术、三维地质建模及可视化技术，接入动态监测网络，搭建了北京城市地质安全保障服务系统框架，为以后突发性地质灾害、活动断裂、浅层地温能  、土壤环境、矿山环境、地下空间等专业分析系统建设提供了技术框架，为实现全面的北京市地质安全保障服务提供技术基础。

在专业方面，基于 GIS 技术、三维可视化技术，实现了北京城市地质安全基础地质数据、动态监测数据、地下水专业数据、地面沉降专业数据等多源数据综合查询及展示；集成了回归分析、神经网络、层次分析法等多种数学方法建立了水位、水质、地面沉降相关评价、预测、预警模型，建立了地质安全质量评价模型，自动生成地质安全质量综合评价辅助报告，为城市地质安全保障提供基本的专业信息。

三维建模与仿真方面，基于国内自主知识产权的三维地质建模技术，基于地质钻孔资料，构建了平原区第四系三维地质模型；综合采用水文地质钻孔、剖面资料构建了平原区地下水含水层组三维地质结构模型、监测层三维地质结构模型、第四系时代三维地质结构模型；能够进行三维动态显示和分析，达到国内领先水平。

信息服务和共享交换方面，本次工作在北京市电子政务网内实现了北京城市地质安全信息服务系统，实现了地下水动态、地下水环境、地下水资源、地面沉降等专题的动态监测信息和可发布的专业分析成果信息；实现了与市委办局之间数据共享交换功能。

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本文编号：10844