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2024年11月24日
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“地下三明治”：現(xiàn)代科技助力城市可持續(xù)發(fā)展
近年來，我國的快速工業(yè)化和城市化進程有力地推動了地質(zhì)勘查事業(yè)的發(fā)展，地勘工作也由地質(zhì)找礦向城市地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、旅游地質(zhì)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(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。
北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局利用現(xiàn)代電腦網(wǎng)絡技術研發(fā)的“地下三明治”技術，能夠形象而直觀地把地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為可視化信息，在保障首都城市安全、資源安全、生態(tài)安全方面發(fā)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(zhì)信息管理與服務系統(tǒng)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(zhì)信息管理與服務系統(tǒng)的形象描述。該系統(tǒng)是一個集基礎地理、數(shù)據(jù)輸入、管理、可視化以及分析評價為一體的三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術、GIS技術、三維可視化技術和網(wǎng)絡技術開發(fā)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(fā)展之根——水、土、災害、環(huán)境、能源系統(tǒng)，洞悉人類活動與其相互作用所帶來的種種挑戰(zhàn)，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(fā)展，地質(zhì)工作如何更好地服務于現(xiàn)代社會和經(jīng)濟的發(fā)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(zhì)調(diào)查項目——《北京市多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查》，希望通過該項目“查明城市地下三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，評價地質(zhì)資源與地質(zhì)環(huán)境對城市建設和發(fā)展的承載力，為北京城市發(fā)展提供堅強的地質(zhì)技術支持和地質(zhì)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(zhì)調(diào)查成果和現(xiàn)代電腦網(wǎng)絡技術開發(fā)的智能化三維地質(zhì)信息管理與服務系統(tǒng)，“地下三明治”主要面向政府部門、企事業(yè)單位和社會公眾，為城市規(guī)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(guī)范化的工具平臺。
“地下三明治”由什么組成？
據(jù)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(zhì)與國土資源的多源數(shù)據(jù)信息庫，包括地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地熱、地質(zhì)災害（地面沉降、地裂縫、泥石流、崩塌、滑坡）、土壤環(huán)境、生活垃圾等監(jiān)測和調(diào)查數(shù)據(jù)成果；二建立城市地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型及屬性模型；三研制信息管理與應用系統(tǒng)軟件，所以，它主要由3個系統(tǒng)組成：
城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
⑴城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫：主要包括基礎地理數(shù)據(jù)、基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)以及綜合成果數(shù)據(jù)。
基礎地理數(shù)據(jù)包括地理底圖數(shù)據(jù)：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(qū)地理底圖。地形圖數(shù)據(jù)：1：25萬全北京市地形圖共計6幅、1：5萬全平原區(qū)地形圖共計27幅、1：1萬六環(huán)內(nèi)地形圖135幅。遙感影像數(shù)據(jù)：北京市全市域遙感影像數(shù)據(jù)，TIF格式，全彩色，數(shù)據(jù)量504G，六環(huán)外為1：1萬比例尺，六環(huán)內(nèi)為1：2000比例尺, 圖幅數(shù)19876幅。DEM數(shù)據(jù)：北京市全市域1：5萬DEM數(shù)據(jù)64幅。
基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)共涉及各類調(diào)查點4萬多個，其中已錄入鉆孔數(shù)據(jù)1萬7千多個，建立數(shù)據(jù)表格113個，數(shù)據(jù)項1395項，記錄數(shù)近50萬條。
綜合成果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)運行于局域網(wǎng)環(huán)境，對數(shù)據(jù)進行管理與分析使用，可進行數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析。主要用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)錄入、編輯、修改；圖形自動生成或?qū)耄欢喙δ艿臄?shù)據(jù)查詢；數(shù)據(jù)統(tǒng)計與報表生成；多種時序曲線的生成；圖形與屬性數(shù)據(jù)互查，數(shù)據(jù)信息的多功能輸出等。
三維結(jié)構(gòu)模型及三維地質(zhì)體建模子系統(tǒng)
將點、線為基本形態(tài)的零散的、局部的勘查資料解釋結(jié)果在三維空間中綜合起來，重現(xiàn)地質(zhì)界面和地質(zhì)體的空間形態(tài)和組合關系，進而建設北京市平原區(qū)三維地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)模型。通過三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立，將以往僅僅蘊涵于地質(zhì)學者腦海中的地質(zhì)體及其形態(tài)構(gòu)造直觀形象地展現(xiàn)在規(guī)劃設計師和巖土工程師的面前，能夠最大限度地增強地質(zhì)分析的直觀性和準確性，做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)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(zhì)風險，更好地為城市規(guī)劃、建設、運行、管理服務。
利用該子系統(tǒng)，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(zhì)結(jié)構(gòu)模型。可以進行模型數(shù)據(jù)的導入與管理；地表三維建模及可視化；三維地質(zhì)模型交互建模過程；三維地質(zhì)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(zhì)模型
基巖三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型利用主干地質(zhì)剖面17條，將地層以系為單位劃分為14個地質(zhì)對象，92個地質(zhì)體，33條斷層，模型范圍為北京市城區(qū)，面積約1209平方公里。
新生界三維地質(zhì)模型
新生界地層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)體，面積約5328平方公里。
工程建設層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型
工程建設層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(qū)（1:10萬），亦莊、順義、通州三個新城區(qū)（1:2.5萬）、奧運公園和CBD兩個重點區(qū)（1:1萬）共計6個三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，包括一千多個空間地質(zhì)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(zhì)和工程地質(zhì)條件提供平臺，為城市規(guī)劃、建設管理和預測工程建設與地質(zhì)環(huán)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(shù)值模型提供的地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和水文地質(zhì)參數(shù)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(xiàn)地下水含水介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征、地下水水位的動態(tài)變化和地下水流線的動態(tài)繪制。具體內(nèi)容包括：從GIS、GMS等系統(tǒng)導入水位數(shù)據(jù)及其相關數(shù)據(jù)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(xiàn)地下水流動的仿真顯示；基于地下水水位動態(tài)監(jiān)測資料實現(xiàn)水體垂向的動態(tài)變化。
該模型在導入水位數(shù)據(jù)基礎上，輸入幾何參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件和計算方法參數(shù)等必需的信息,進行有限元三角網(wǎng)格的自動剖分，形成流場、離散點插值等，重構(gòu)北京市平原區(qū)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(wǎng)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(wǎng)絡隨時查看數(shù)據(jù)，進行分析或研究工作，大大提高了資料處理和數(shù)據(jù)分析的準確性，處理資料和生成結(jié)果更具深度和廣度，可為城市規(guī)劃和建設提供基礎地質(zhì)數(shù)據(jù)和成果。以北京大規(guī)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(guī)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(gòu)造及空間分布情況，幫助解決施工中的地質(zhì)問題。
可視化顯示的空間分析功能
以往的地質(zhì)分析和研究均在平面上進行，本系統(tǒng)使地下看不到的地層結(jié)構(gòu)通過三維可視化技術，直觀地展現(xiàn)出來，極大地提高了地質(zhì)空間分析的準確性。如：平原區(qū)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(guī)劃中必須要關注的影響因素，通過本系統(tǒng)可以分析和研究斷層的屬性，空間分布、延伸長度和產(chǎn)狀等，為城市規(guī)劃和建設的地質(zhì)安全提供服務。
再如：地下水是北京十分重要的戰(zhàn)略資源，利用新生界三維地質(zhì)模型，可以將平原區(qū)含水層獨立顯示，分析其空間分布情況，附上水文地質(zhì)參數(shù)，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(zhì)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(fā)利用規(guī)劃和管理提供科學數(shù)據(jù)。
快速分析和應急決策支持功能
當遇到工程施工事故或發(fā)生地質(zhì)災害等緊急事件時，通過該系統(tǒng)可進行緊急會商和地質(zhì)判定，事發(fā)后緊急會商和地質(zhì)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(fā)生坍塌或掩埋時，利用該系統(tǒng)可快速在事發(fā)地點切地質(zhì)剖面、或打虛擬的地質(zhì)鉆孔、或地下隧洞漫游，了解地下巖土體的特征，分析事發(fā)地區(qū)的地質(zhì)條件和地質(zhì)災害情況，確定緊急救援的最佳地質(zhì)條件地段，模擬救援過程中可能遇到的地質(zhì)問題，為緊急救援工作快速提供詳實的地質(zhì)數(shù)據(jù)和決策支持。
現(xiàn)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(yè)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(wǎng)線與其電腦相連，就可調(diào)用系統(tǒng)中任何數(shù)據(jù)，并集中控制系統(tǒng)通過軟件，把每臺電腦的內(nèi)容切換到大屏幕上。該系統(tǒng)使信息大廳成為以城市地質(zhì)信息管理、監(jiān)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(shù)據(jù)共享與社會化服務功能
系統(tǒng)運行于Ｂ/Ｓ環(huán)境，通過用戶授權方式實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫集成與管理、數(shù)據(jù)及圖形信息的顯示、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫應用：包括數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、報表生成、圖形生成，數(shù)據(jù)信息的下載等。當遇匿名登錄時，只能看到目錄樹中的數(shù)據(jù)結(jié)點，以及各種數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)項，而看不到具體的數(shù)據(jù)和圖形，只有注冊用戶才可以根據(jù)所擁有的權限查看系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)．可以進行數(shù)據(jù)的下載，統(tǒng)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(nèi)容，如所居住地區(qū)的水質(zhì)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(zhì)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(fā)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(jīng)濟社會快速發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)
在此系統(tǒng)的基礎上，盤活大量地質(zhì)資料和成果，搭建城市地質(zhì)安全監(jiān)測與快速反應平臺，滿足城市發(fā)展和政府管理決策對地質(zhì)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(zhì)風險控制，確保市政設施運轉(zhuǎn)良好，地質(zhì)災害應急處置快速高效。
加強地質(zhì)成果應用 建立信息共享長效機制
加強地質(zhì)調(diào)查成果在規(guī)劃、國土、環(huán)保、水務、市政、建設、農(nóng)業(yè)等管理和決策工作中的應用。城市規(guī)劃和城市管理應聽取地質(zhì)專家的意見，工作中充分考慮地質(zhì)因素，要有地質(zhì)專家的參與。在政府部門的主導下，積極推動地質(zhì)勘察資料的匯繳，與相關勘查部門建立合作機制，加強地質(zhì)信息共享的長效機制建設。
推進地質(zhì)監(jiān)測工作 建設預警預報系統(tǒng)
推進地下空間開發(fā)、淺層地溫能、突發(fā)性地質(zhì)災害、隱伏活動斷裂、生態(tài)農(nóng)業(yè)地質(zhì)、礦山環(huán)境防治等方面的地質(zhì)監(jiān)測和調(diào)查工作。優(yōu)化地下水資源、地面沉降和地裂縫、地質(zhì)環(huán)境容量的三維數(shù)學模型，建設預警預報系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎與應用、專業(yè)與通用、數(shù)字與可視、靜態(tài)與動態(tài)、常規(guī)監(jiān)測與應急反應的緊密結(jié)合。
