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2024年11月24日
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“地下三明治”：
現代科技助力城市可持續發展
近年來，我國的快速工業化和城市化進程有力地推動了地質勘查事業的發展，地勘工作也由地質找礦向城市地質、農業地質、水文地質、工程地質、環境地質、旅游地質等新領域拓展，以滿足城市建設對各種基礎地學信息的需要，實現城市的可持續發展。
北京市地質礦產勘查開發局利用現代電腦網絡技術研發的“地下三明治”技術，能夠形象而直觀地把地質信息轉化為可視化信息，在保障首都城市安全、資源安全、生態安全方面發揮了先行性作用。北京也因此成為目前世界上第一個擁有智能化三維地質信息管理與服務系統的特大城市。
什么是“地下三明治”？
“地下三明治”是北京城市地質信息管理與服務系統的形象描述。該系統是一個集基礎地理、數據輸入、管理、可視化以及分析評價為一體的三維城市地質信息系統，利用現代數據庫技術、GIS技術、三維可視化技術和網絡技術開發研制而成。它能夠像切開三明治蛋糕那樣解剖我們腳下的土地，清晰地透視自然界賦予城市的生存與發展之根——水、土、災害、環境、能源系統，洞悉人類活動與其相互作用所帶來的種種挑戰，故此得名。
為什么要建立“地下三明治”？
近年來，隨著我國城市化進程的迅猛發展，地質工作如何更好地服務于現代社會和經濟的發展，成為國土資源部門、地勘單位及相關科研院（所）一直在積極探索解決的問題。2004年7月，國土資源部與北京市政府合作開展城市地質調查項目——《北京市多參數立體地質調查》，希望通過該項目“查明城市地下三維地質結構，評價地質資源與地質環境對城市建設和發展的承載力，為北京城市發展提供堅強的地質技術支持和地質安全保障”。2008年12月，這項在全國首次開展具有示范意義的項目通過終審，其成果總體達到國際先進水平，部分達到國際領先水平。
“地下三明治”為誰而用？
作為基礎地質調查成果和現代電腦網絡技術開發的智能化三維地質信息管理與服務系統，“地下三明治”主要面向政府部門、企事業單位和社會公眾，為城市規劃、建設和管理提供了一個基礎服務平臺，為管理與技術人員提供了一個綜合化、智能化、規范化的工具平臺。
“地下三明治”由什么組成？
據該項目相關負責人介紹，“地下三明治”的基本任務是：一建立城市地質與國土資源的多源數據信息庫，包括地質構造、地下水、地熱、地質災害（地面沉降、地裂縫、泥石流、崩塌、滑坡）、土壤環境、生活垃圾等監測和調查數據成果；二建立城市地質三維結構模型及屬性模型；三研制信息管理與應用系統軟件，所以，它主要由3個系統組成：
城市地質數據庫及數據管理子系統
⑴城市地質數據庫：主要包括基礎地理數據、基礎地質數據以及綜合成果數據。
基礎地理數據包括地理底圖數據：1：25萬全北京市地理底圖、1：10萬全北京市地理底圖、1：5萬全平原區地理底圖。地形圖數據：1：25萬全北京市地形圖共計6幅、1：5萬全平原區地形圖共計27幅、1：1萬六環內地形圖135幅。遙感影像數據：北京市全市域遙感影像數據，TIF格式，全彩色，數據量504G，六環外為1：1萬比例尺，六環內為1：2000比例尺, 圖幅數19876幅。DEM數據：北京市全市域1：5萬DEM數據64幅。
基礎地質數據共涉及各類調查點4萬多個，其中已錄入鉆孔數據1萬7千多個，建立數據表格113個，數據項1395項，記錄數近50萬條。
綜合成果數據包括各類成果圖件270余張，原始剖面圖70余張，階段性成果圖件100余張。
⑵數據管理子系統。該子系統運行于局域網環境，對數據進行管理與分析使用，可進行數據的查詢、統計、分析。主要用于創建數據表格、數據錄入、編輯、修改；圖形自動生成或導入；多功能的數據查詢；數據統計與報表生成；多種時序曲線的生成；圖形與屬性數據互查，數據信息的多功能輸出等。
三維結構模型及三維地質體建模子系統
將點、線為基本形態的零散的、局部的勘查資料解釋結果在三維空間中綜合起來，重現地質界面和地質體的空間形態和組合關系，進而建設北京市平原區三維地質構造形態模型。通過三維地質結構模型的建立，將以往僅僅蘊涵于地質學者腦海中的地質體及其形態構造直觀形象地展現在規劃設計師和巖土工程師的面前，能夠最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，做出符合地質現象分布變化規律的工程設計與施工方案，從而減少地下工程設計、施工面臨的地質風險，更好地為城市規劃、建設、運行、管理服務。
利用該子系統，按“點－線－面－體”的建模思路，建立了基巖地層、新生界地層、工程建設層三維地質結構模型。可以進行模型數據的導入與管理；地表三維建模及可視化；三維地質模型交互建模過程；三維地質模型的分析應用：包括模型切割、開挖、地下漫游、生成虛擬鉆孔、屬性查詢等功能。
基巖三維地質模型
基巖三維地質結構模型利用主干地質剖面17條，將地層以系為單位劃分為14個地質對象，92個地質體，33條斷層，模型范圍為北京市城區，面積約1209平方公里。
新生界三維地質模型
新生界地層三維地質結構模型建設，利用412個鉆孔，40條剖面，以地層的巖性為單位，生成681個地質體，面積約5328平方公里。
工程建設層三維地質結構模型
工程建設層三維地質結構模型以工程鉆孔為基礎，利用595個鉆孔、繪制了剖面187條、輔助剖面214條，以巖性地層為建模單位，完成了平原區（1:10萬），亦莊、順義、通州三個新城區（1:2.5萬）、奧運公園和CBD兩個重點區（1:1萬）共計6個三維地質結構模型，包括一千多個空間地質對象，面積5000多平方公里。為從三維角度分析、評價和研究各類土體的物理力學性質和工程地質條件提供平臺，為城市規劃、建設管理和預測工程建設與地質環境的相互影響等提供技術支持。
城市地下水流模型與仿真顯示
城市地下水流模型是以地下水資源數值模型提供的地下水系統結構模型和水文地質參數為基礎，建立城市地下水流模型與仿真顯示，以仿真的形式從三維角度再現地下水含水介質的空間結構特征、地下水水位的動態變化和地下水流線的動態繪制。具體內容包括：從GIS、GMS等系統導入水位數據及其相關數據和信息；反映虛擬開采井條件下的流場變化，仿真地下水流動；連接時間歷史資料或預測資料實現地下水流動的仿真顯示；基于地下水水位動態監測資料實現水體垂向的動態變化。
該模型在導入水位數據基礎上，輸入幾何參數、水文地質參數、邊界條件和計算方法參數等必需的信息,進行有限元三角網格的自動剖分，形成流場、離散點插值等，重構北京市平原區2005-2019年分四個時期，各二套開采方案，共1538個水位模型。
“地下三明治”有哪些應用功能？
網絡化分析研究與運行管理功能
管理人員和技術人員可以用臺式計算機、便攜計算機在辦公室或信息大廳通過網絡隨時查看數據，進行分析或研究工作，大大提高了資料處理和數據分析的準確性，處理資料和生成結果更具深度和廣度，可為城市規劃和建設提供基礎地質數據和成果。以北京大規模的地鐵施工為例，按照地鐵十六號線行進路線模擬隧洞開挖，地下漫游了解隧洞洞壁的地層情況，為地鐵線路規劃階段的科學選線提供技術支撐。也可實時分析所挖土層的巖性、構造及空間分布情況，幫助解決施工中的地質問題。
可視化顯示的空間分析功能
以往的地質分析和研究均在平面上進行，本系統使地下看不到的地層結構通過三維可視化技術，直觀地展現出來，極大地提高了地質空間分析的準確性。如：平原區地下深部的黃莊-高麗營斷裂、南口-孫河斷裂和順義斷裂是城市規劃中必須要關注的影響因素，通過本系統可以分析和研究斷層的屬性，空間分布、延伸長度和產狀等，為城市規劃和建設的地質安全提供服務。
再如：地下水是北京十分重要的戰略資源，利用新生界三維地質模型，可以將平原區含水層獨立顯示，分析其空間分布情況，附上水文地質參數，可進行地下水資源評價，為合理開采和保護地下水提供基礎地質信息和決策支持。
北京的地熱主要貯存在薊縣系霧迷山組地層中，通過模型可單獨顯示其在地下的空間展布特征，分析其埋藏深度，厚度，估算資源儲量，可為地熱開發利用規劃和管理提供科學數據。
快速分析和應急決策支持功能
當遇到工程施工事故或發生地質災害等緊急事件時，通過該系統可進行緊急會商和地質判定，事發后緊急會商和地質判定的時間明顯縮短，為事故處理措施提供的技術支持水平也明顯提高。如：地鐵施工在某一地段發生坍塌或掩埋時，利用該系統可快速在事發地點切地質剖面、或打虛擬的地質鉆孔、或地下隧洞漫游，了解地下巖土體的特征，分析事發地區的地質條件和地質災害情況，確定緊急救援的最佳地質條件地段，模擬救援過程中可能遇到的地質問題，為緊急救援工作快速提供詳實的地質數據和決策支持。
現代會商演示和遠程交互會商功能
無論是管理人員還是專業人員，只需拿著便攜電腦，坐在信息大廳的會商桌前，通過桌上的網線與其電腦相連，就可調用系統中任何數據，并集中控制系統通過軟件，把每臺電腦的內容切換到大屏幕上。該系統使信息大廳成為以城市地質信息管理、監測、分析、預報、決策支持和情況會商為主，兼顧一般性會議、學術交流和人員培訓等的多功能信息大廳。
數據共享與社會化服務功能
系統運行于Ｂ/Ｓ環境，通過用戶授權方式實現不同用戶服務的差異性。功能主要包括：基于權限的用戶分級管理、數據庫集成與管理、數據及圖形信息的顯示、網絡數據庫應用：包括數據的查詢、統計、報表生成、圖形生成，數據信息的下載等。當遇匿名登錄時，只能看到目錄樹中的數據結點，以及各種數據表中的數據項，而看不到具體的數據和圖形，只有注冊用戶才可以根據所擁有的權限查看系統中的數據．可以進行數據的下載，統計圖、等值線圖，柱狀圖，剖面圖生成等，也可以查詢他們所關心的內容，如所居住地區的水質情況、是否有垃圾場的分布，地下是否有斷層通過等，從而為社會公眾提供信息服務。
未來地質工作還能為城市提供哪些服務？
北京地勘局相關負責人表示，“地下三明治”技術的研發成功只是萬里長征的第一步。未來，還將在以下幾個方面進一步探索，為首都經濟社會快速發展提供堅實的保障。
搭建快速反應平臺
納入城市運行指揮和監測系統
在此系統的基礎上，盤活大量地質資料和成果，搭建城市地質安全監測與快速反應平臺，滿足城市發展和政府管理決策對地質信息不斷增長的需求，滿足社會公眾的需求，以加強城市公共安全的地質風險控制，確保市政設施運轉良好，地質災害應急處置快速高效。
加強地質成果應用
建立信息共享長效機制
加強地質調查成果在規劃、國土、環保、水務、市政、建設、農業等管理和決策工作中的應用。城市規劃和城市管理應聽取地質專家的意見，工作中充分考慮地質因素，要有地質專家的參與。在政府部門的主導下，積極推動地質勘察資料的匯繳，與相關勘查部門建立合作機制，加強地質信息共享的長效機制建設。
推進地質監測工作
建設預警預報系統
推進地下空間開發、淺層地溫能、突發性地質災害、隱伏活動斷裂、生態農業地質、礦山環境防治等方面的地質監測和調查工作。優化地下水資源、地面沉降和地裂縫、地質環境容量的三維數學模型，建設預警預報系統，實現基礎與應用、專業與通用、數字與可視、靜態與動態、常規監測與應急反應的緊密結合。
