三维地质模型工程地质数据库系统建设方向思考

张贺飞, 赵文超, 刘　扬

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津　300222)

0　引言

目前,地质建模与可视化已经成为国内地质勘察领域研究的前沿和热点,随着工程地质学与信息技术的发展,在工程地质勘察信息化方面已逐渐形成了初步的理论与方法体系,并对工程勘察提出了一体化的需求,其主要目的是建立三维地质实体,并在此基础上进行各种三维分析。而地质勘探数据为地质模型建立的基础,建立结构规范统一的工程地质数据库,有效地存储、管理、交流，进而充分利用日益增多的地质资料和数据,此离不开功能强大的数据库管理系统;即在以数据库作为数据载体的基础上,还须建立一个高效、稳定的数据管理系统以保证入库数据的有效性、一致性。

本文结合基于bengly平台做的关于地质建模的软件Geostation,从地质数据库管理的现状出发,论述工程地质数据库的实现及管理系统建立过程中需要考虑的问题及未来发展方向[1]。

1　工程地质数据库框架

工程地质数据是各类建筑物规划设计、工程设计的基础和前提,也是建立地质三维模型的依据。要全面高效地存储和管理工程地质勘察过程中的各种勘察数据,必须将工程地质的各种对象统一抽象到计算机层面,在数据库中建立对应关系。因此工程地质数据一般按存储形式分两种方式管理(表1)。

由于地质勘察基础资料不管在种类上还是数量上都很多,因此考虑以工作空间来分类管理工程资料数据。工作空间是资源管理器中的一组目录的集合,目录的组织结构是分项目、勘察阶段、工程区逐级展开并对数据进行分类存储,以方便检索及管理,组织方式如图1所示。

表1　地质数据分类

图1　数据库工作空间分布

2　工程地质数据库建设

2.1　数据库平台选择

数据库是工程地质数据库系统最重要的组成部分之一,任务是对工程地质数据库进行有效的存储和管理,并为规划、勘察、设计等专业应用提供支持。因此合理选择数据库平台对于系统的高效运行尤其重要,对于数据库的选择主要考虑以下几点[2]:

(1)需要提供地质、物探、设计多专业人员网络协同工作环境,用户能够在低带宽网络和局域网内基于中心数据库服务器完成各模块的应用。

(2)勘察数据是以点源方式记录的,数据结构的层级较多,为了提高数据的存取效率,允许数据有一定的冗余,但是高层级的数据修改会带来底层级数据的大量变动。

(3)地质专业通常在工地现场较长时间开展工作,人员办公地点不集中,且办公环境较差,几乎所有用户都是使用笔记本电脑,经常需要在工地临时搭建备份数据库服务器,因此尽量选择对电脑硬件要求不高的数据库。

(4)水电工程勘察没有可用的标准化数据库包,需要进行全面设计和开发,并且在地质三维勘察设计系统研制过程中逐步升级完善。

2.2　数据库设计

受工程场地条件、勘察工作流程、专业工作方法等限制,工程地质数据库的设计必须考虑如下几个方面的问题:

2.2.1数据库安全

数据库需由专门的管理员负责管理,除日常做好数据备份之外,还要维护数据的安全。管理员保证数据库安全的手段至少有两种:一是给数据库设置访问权限,不定期修改数据库登录密码,并以密钥文件方式分发给项目用户。二是设置项目成员对具体数据的操作权限,用户凭密钥文件登录数据库后,根据权限浏览、添加、修改和删除数据。

2.2.2数据库合并

地质项目一般具有多勘察阶段和多工程区等特点,项目人员可能分散在远离的办公场地进行工作,导致数据库内容不能同步更新。在这种情况下要求数据库能够合并处理数据结构相同但数据记录不完全相同的数据库包,且能处理同一条记录但数据不同的问题。一般通过数据导入或者 SQLServer 的复制组件完成。

2.2.3数据库更新

随着工程勘察阶段的推进,数据不断增加的同时,以往的数据也会被优化或删除。根据点源数据的特点,需要将对象基本表与多个属性表关联,实现多个表之间的级联更新删除,甚至编写事件触发程序来实现。

2.2.4访问效率

工程地质勘察数据具有多源、多类、多时态等特性,在勘察数据总量不大的情况下,可以考虑允许数据冗余,提高数据访问效率和利用的方便性。例如,钻孔揭露地层表,需要描述项目编号、勘察阶段、工程区、钻孔编号、层序。这样做的好处是,在进行数据的单表查询时,能够清晰获知数据的结构和来源。

2.2.5数据分类及功能

工程地质勘察过程会采集各种地质实体对象的多种格式数据,根据数据利用的不同目的,需要按照不同的原则来处理。①直接服务于地质建模、二维出图等功能的数据,要尽可能地使数据描述更加详细准确。②勘察过程中采集的工程影像、工程照片等大容量资料数据,不建议保存到数据库里面,这样不仅影响数据库管理的效率,而且单机运行数据库必然消耗大量硬盘空间,可以考虑将这些数据直接保存在服务器的项目工作空间路径下,客户端用户需要时可在线或下载浏览。③系统在运行时还会产生很多中间或最终成果数据,如分析模型、工程图件、查询统计表等,这些数据的存储需求要看其是否可以再次由系统完整输出而不需要用户后期干预。

2.2.6操作记录

基于操作记录,系统可以统计用户在某个时段内完成的具体工作内容,方便项目领导对工程项目的进度实施有效管理。当数据发生异常情况时,以便管理员据此可以追溯何人在何时对某条记录进行了何种操作,尽量减少误删情况的发生。

2.2.7版本升级

工程地质数据库的建立是一个不断完善的过程,数据库结构会随需求动态调整,系统功能也需同步提高,因此数据库的结构设计应具有扩展性。

2.3　跨行业应用管理

工程地质数据资料几乎可以应用到基础设施建设的各行各业,因此能够满足多种行业的地质数据管理要求是工程地质数据库建设需要考虑的重要因素。以试验数据为例,对于同一个对象的试验就有中国电力行业标准(DL规范)、中国水利行业标准(SL规范)、中国水电行业标准(SD规范)等不同的规范,因此要在工程地质数据库设计时一并考虑多种规范,而在数据库管理系统的设计和开发时应该考虑根据系统的应用行业来决定启用哪种规范来存储数据,进而实现在统一的工程地质数据库基础上对多行业地质数据的处理。

2.4　分布式结构

数据库如何实现数据的传递和资源共享,同时保证协同环境下数据的一致性,是数据库建设考虑的重要因素。应该实现在多个客户端通过网络访问统一的数据源,实现数据的统一管理和多用户同步访问。

在有网络环境的情况下,分散的用户通过数据管理客户端登录访问位于服务器上的数据库，在无网络的情况下,数据无法实时保存到服务器上的数据库中。比如地质专业的工作人员来说,由于一部分工作是在野外无网络环境下进行的,无法实时与服务器连接,所以需要在客户端建立本地数据库,并在能够连接网络时将数据上传到服务器数据库或下载服务器上的新数据。

3　工程地质数据管理系统的思路

3.1　数据入库流程管理

工程地质数据是数据库系统的基础资料。水利水电工程一般都是工期较长,且分为多个勘察阶段,加上很多项目的原始资料都是很多地质人员多年辛苦努力工作的积累,所以数据入库工作极其重要,要保证入库数据的规范性和准确性。

工程地质数据入库之前对数据规范性判断是数据库建设及管理必不可少的工作,应该由用户录入数据后首先通过客户端按照地质作业规范来判断数据是否满足规范。只将满足规范的数据存入数据库,保证数据的准确和有效。

3.2　系统架构的方向

通过对一些地质三维数据库的了解,客户端计算一个统计信息需从数据库获取大量的数据到客户端,然后计算获得统计信息后再将获取来的数据丢弃。因为地质数据量一般较大,这样的功能需求对于客户端来说也许只是获取一个值,但却占用了大量的网络资源。

借鉴Geostation系统架构的经验,基于服务的系统架构应该是在服务器端增加一个服务用于响应客户端的请求,并进行数据的读写和处理,将统计值的计算交给服务器端处理,只将计算结果传送给客户端,极大地减少了通过网络传输的数据量。就是说地质数据管理系统应该包括服务器端和客户端两大部分,数据读写服务和资料传输服务可以运行在同一台或不同的服务器上,数据读写服务一般与数据库配置在同一台服务器上,减少数据的网络传输(图2)。

图2　基于服务的系统架构

3.3　用户权限管理

为提高数据的安全性,在数据库建设过程中需要对不同的用户根据角色设定不同的权限,以往很多地质数据库相关的系统只分为管理员和一般用户两个角色,对数据安全的控制较弱。本文考虑将用户分为系统管理员、项目管理员、项目成员、系统只读等角色,其权限分别描述如下。

3.3.1系统管理员

一般应由负责企业信息化的人员担任,需要对计算机知识有较多了解。系统管理员能够看到数据库中的所有项目,并且只创建项目和管理项目的用户;因为系统管理员一般由非地质专业人员承担,为加强数据的安全性,系统管理员无维护数据的权限。

3.3.2项目管理员

一般由地质项目负责人担任,负责参与本项目的人员任务的安排。项目管理员只能看到自己所在的项目,允许创建勘察阶段、工程区及其他数据。

3.3.3项目可写

一般由参与项目的地质人员组成,负责地质勘察数据录入。项目成员只能看到自己所在的项目,及编辑数据等。

3.3.4项目只读

一般为需要查询数据但不参与具体地质勘察和设计工作的人组成,比如项目领导等。项目只读用户可以看到自己所在项目的数据,但只能浏览,不能编辑。

3.3.5系统只读

允许查看所有项目的数据,但只能浏览,不能编辑;此用户一般为设计人员使用,将设计人员和地质人员区分开,因为地质三维设计需要连接数据库获取数据并进行绘图但并不需要回写数据库,因此极大地提高了数据的安全性。

4　工程地质数据库与地质三维模型拓扑关系

地质三维建模是一个很复杂的过程,建模的内容包括地形、地层、岩性、构造、地下水、溶洞、相对隔水层、透镜体、风化、卸荷、岩体质量、地质分区等。工程地质数据库为地质三维建模提供数据支持,而地质建模不但需要数据库的数据支持,并且地质三维建模过程中,还需频繁修改,采用二维图设计时,修改一般只影响局部。三维设计中,局部修改会要求相关模型也要重建,三维建模过程中修改带来的模型重建工作极大地影响了建模效率和质量。基于Geostation等地质三维建模软件的测试,笔者认为工程地质数据库与地质三维模型建立的拓扑关系对地质建模至关重要。

以下就如何建立地质空间数据库和三维地质模型的拓扑关系提出几点看法:

(1)工程地质数据库是随着工程的进展，数据一直处于动态变化中,因此地质三维模型和工程地质数据库产生拓扑关系的部分应该能自动更新。

(2)地质三维模型有很多工作是在模型中直接编辑的,这就要求数据库有回写功能,即当地质模型的编辑模型时,模型中的编辑信息能自动存储到工程地质数据库中。例如,模型中布置一条勘探线,保存后,就能在数据库中查到这条勘探线的位置、拐点坐标等基础信息。

(3)由于地质专业的特殊性,工程地质数据库的数据根据不同的数据和三维模型的关系也应区别对待。对基础数据,比如钻孔数据、试验数据、勘探点数据等在模型编辑过程中变化了,数据库中的数据也不应更新变化。

总之,地质三维建模过程中存在经验因素,结果合理性难以保证。地质建模过程复杂,当自动更新执行时,系统无法智能识别操作步骤中的经验性参数,会导致建模结果不正确。因此,如何优化数据库和三维地质模型的拓扑关系、动态更新方法,使其减少更新复杂操作的更新时间,同时能够识别建模过程中的经验参数是一个很复杂的难题,应更深入的研究和逐步完善。

5　结语

工程地质数据库就是从野外数据采集到成果表达上实现了全程数字化。对提高工程地质三维设计的效率和成果的表现形式提供了重要的基础数据保障。项目人员可从计算技术的应用中体会到新技术带来的好处,同时又能形成新的工作模式。本文根据对Geostation等地质三维软件的应用,提出一些对工程地质数据库建设的思考和发展方向,以及目前地质三维软件中的问题和不足,希望能抛砖引玉,找到好的解决办法,逐步完善地质三维勘察系统。并且随着地质三维软件的逐渐成熟和完善,工程地质数据库系统的建设必定会给地质勘察行业带来越来越多的效益。

参考文献：

[1]李永兵，陈旭瑞，等.基于GIS的地质数据库系统研究现状和发展趋势[J].地球物理学进展，2002，17(3)：532-533.

[2]王国光，杜明亮.GeoEngine需求分析报告[R].杭州：中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，2008.