“地下三明治”：现代科技助力城市可持续发展

近年来，我国的快速工业化和城市化进程有力地推动了地质勘查事业的发展，地勘工作也由地质找矿向城市地质、农业地质、水文地质、工程地质、环境地质、旅游地质等新领域拓展，以满足城市建设对各种基础地学信息的需要，实现城市的可持续发展。

北京市地质矿产勘查开发局利用现代电脑网络技术研发的“地下三明治”技术，能够形象而直观地把地质信息转化为可视化信息，在保障首都城市安全、资源安全、生态安全方面发挥了先行性作用。北京也因此成为目前世界上第一个拥有智能化三维地质信息管理与服务系统的特大城市。

什么是“地下三明治”？

“地下三明治”是北京城市地质信息管理与服务系统的形象描述。该系统是一个集基础地理、数据输入、管理、可视化以及分析评价为一体的三维城市地质信息系统，利用现代数据库技术、GIS技术、三维可视化技术和网络技术开发研制而成。它能够像切开三明治蛋糕那样解剖我们脚下的土地，清晰地透视自然界赋予城市的生存与发展之根——水、土、灾害、环境、能源系统，洞悉人类活动与其相互作用所带来的种种挑战，故此得名。

为什么要建立“地下三明治”？

近年来，随着我国城市化进程的迅猛发展，地质工作如何更好地服务于现代社会和经济的发展，成为国土资源部门、地勘单位及相关科研院（所）一直在积极探索解决的问题。2004年7月，国土资源部与北京市政府合作开展城市地质调查项目——《北京市多参数立体地质调查》，希望通过该项目“查明城市地下三维地质结构，评价地质资源与地质环境对城市建设和发展的承载力，为北京城市发展提供坚强的地质技术支持和地质安全保障”。2008年12月，这项在全国首次开展具有示范意义的项目通过终审，其成果总体达到国际先进水平，部分达到国际领先水平。

“地下三明治”为谁而用？

作为基础地质调查成果和现代电脑网络技术开发的智能化三维地质信息管理与服务系统，“地下三明治”主要面向政府部门、企事业单位和社会公众，为城市规划、建设和管理提供了一个基础服务平台，为管理与技术人员提供了一个综合化、智能化、规范化的工具平台。

“地下三明治”由什么组成？

据该项目相关负责人介绍，“地下三明治”的基本任务是：一建立城市地质与国土资源的多源数据信息库，包括地质构造、地下水、地热、地质灾害（地面沉降、地裂缝、泥石流、崩塌、滑坡）、土壤环境、生活垃圾等监测和调查数据成果；二建立城市地质三维结构模型及属性模型；三研制信息管理与应用系统软件，所以，它主要由3个系统组成：

城市地质数据库及数据管理子系统

⑴城市地质数据库：主要包括基础地理数据、基础地质数据以及综合成果数据。

基础地理数据包括地理底图数据：1：25万全北京市地理底图、1：10万全北京市地理底图、1：5万全平原区地理底图。地形图数据：1：25万全北京市地形图共计6幅、1：5万全平原区地形图共计27幅、1：1万六环内地形图135幅。遥感影像数据：北京市全市域遥感影像数据，TIF格式，全彩色，数据量504G，六环外为1：1万比例尺，六环内为1：2000比例尺, 图幅数19876幅。DEM数据：北京市全市域1：5万DEM数据64幅。

基础地质数据共涉及各类调查点4万多个，其中已录入钻孔数据1万7千多个，建立数据表格113个，数据项1395项，记录数近50万条。

综合成果数据包括各类成果图件270余张，原始剖面图70余张，阶段性成果图件100余张。

⑵数据管理子系统。该子系统运行于局域网环境，对数据进行管理与分析使用，可进行数据的查询、统计、分析。主要用于创建数据表格、数据录入、编辑、修改；图形自动生成或导入；多功能的数据查询；数据统计与报表生成；多种时序曲线的生成；图形与属性数据互查，数据信息的多功能输出等。

三维结构模型及三维地质体建模子系统

将点、线为基本形态的零散的、局部的勘查资料解释结果在三维空间中综合起来，重现地质界面和地质体的空间形态和组合关系，进而建设北京市平原区三维地质构造形态模型。通过三维地质结构模型的建立，将以往仅仅蕴涵于地质学者脑海中的地质体及其形态构造直观形象地展现在规划设计师和岩土工程师的面前，能够最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，从而减少地下工程设计、施工面临的地质风险，更好地为城市规划、建设、运行、管理服务。

利用该子系统，按“点－线－面－体”的建模思路，建立了基岩地层、新生界地层、工程建设层三维地质结构模型。可以进行模型数据的导入与管理；地表三维建模及可视化；三维地质模型交互建模过程；三维地质模型的分析应用：包括模型切割、开挖、地下漫游、生成虚拟钻孔、属性查询等功能。

基岩三维地质模型

基岩三维地质结构模型利用主干地质剖面17条，将地层以系为单位划分为14个地质对象，92个地质体，33条断层，模型范围为北京市城区，面积约1209平方公里。

新生界三维地质模型

新生界地层三维地质结构模型建设，利用412个钻孔，40条剖面，以地层的岩性为单位，生成681个地质体，面积约5328平方公里。

工程建设层三维地质结构模型

工程建设层三维地质结构模型以工程钻孔为基础，利用595个钻孔、绘制了剖面187条、辅助剖面214条，以岩性地层为建模单位，完成了平原区（1:10万），亦庄、顺义、通州三个新城区（1:2.5万）、奥运公园和CBD两个重点区（1:1万）共计6个三维地质结构模型，包括一千多个空间地质对象，面积5000多平方公里。为从三维角度分析、评价和研究各类土体的物理力学性质和工程地质条件提供平台，为城市规划、建设管理和预测工程建设与地质环境的相互影响等提供技术支持。

城市地下水流模型与仿真显示

城市地下水流模型是以地下水资源数值模型提供的地下水系统结构模型和水文地质参数为基础，建立城市地下水流模型与仿真显示，以仿真的形式从三维角度再现地下水含水介质的空间结构特征、地下水水位的动态变化和地下水流线的动态绘制。具体内容包括：从GIS、GMS等系统导入水位数据及其相关数据和信息；反映虚拟开采井条件下的流场变化，仿真地下水流动；连接时间历史资料或预测资料实现地下水流动的仿真显示；基于地下水水位动态监测资料实现水体垂向的动态变化。
该模型在导入水位数据基础上，输入几何参数、水文地质参数、边界条件和计算方法参数等必需的信息,进行有限元三角网格的自动剖分，形成流场、离散点插值等，重构北京市平原区2005-2019年分四个时期，各二套开采方案，共1538个水位模型。

“地下三明治”有哪些应用功能？

网络化分析研究与运行管理功能

管理人员和技术人员可以用台式计算机、便携计算机在办公室或信息大厅通过网络随时查看数据，进行分析或研究工作，大大提高了资料处理和数据分析的准确性，处理资料和生成结果更具深度和广度，可为城市规划和建设提供基础地质数据和成果。以北京大规模的地铁施工为例，按照地铁十六号线行进路线模拟隧洞开挖，地下漫游了解隧洞洞壁的地层情况，为地铁线路规划阶段的科学选线提供技术支撑。也可实时分析所挖土层的岩性、构造及空间分布情况，帮助解决施工中的地质问题。

可视化显示的空间分析功能

以往的地质分析和研究均在平面上进行，本系统使地下看不到的地层结构通过三维可视化技术，直观地展现出来，极大地提高了地质空间分析的准确性。如：平原区地下深部的黄庄-高丽营断裂、南口-孙河断裂和顺义断裂是城市规划中必须要关注的影响因素，通过本系统可以分析和研究断层的属性，空间分布、延伸长度和产状等，为城市规划和建设的地质安全提供服务。

再如：地下水是北京十分重要的战略资源，利用新生界三维地质模型，可以将平原区含水层独立显示，分析其空间分布情况，附上水文地质参数，可进行地下水资源评价，为合理开采和保护地下水提供基础地质信息和决策支持。

北京的地热主要贮存在蓟县系雾迷山组地层中，通过模型可单独显示其在地下的空间展布特征，分析其埋藏深度，厚度，估算资源储量，可为地热开发利用规划和管理提供科学数据。

快速分析和应急决策支持功能

当遇到工程施工事故或发生地质灾害等紧急事件时，通过该系统可进行紧急会商和地质判定，事发后紧急会商和地质判定的时间明显缩短，为事故处理措施提供的技术支持水平也明显提高。如：地铁施工在某一地段发生坍塌或掩埋时，利用该系统可快速在事发地点切地质剖面、或打虚拟的地质钻孔、或地下隧洞漫游，了解地下岩土体的特征，分析事发地区的地质条件和地质灾害情况，确定紧急救援的最佳地质条件地段，模拟救援过程中可能遇到的地质问题，为紧急救援工作快速提供详实的地质数据和决策支持。

现代会商演示和远程交互会商功能

无论是管理人员还是专业人员，只需拿着便携电脑，坐在信息大厅的会商桌前，通过桌上的网线与其电脑相连，就可调用系统中任何数据，并集中控制系统通过软件，把每台电脑的内容切换到大屏幕上。该系统使信息大厅成为以城市地质信息管理、监测、分析、预报、决策支持和情况会商为主，兼顾一般性会议、学术交流和人员培训等的多功能信息大厅。

数据共享与社会化服务功能

系统运行于Ｂ/Ｓ环境，通过用户授权方式实现不同用户服务的差异性。功能主要包括：基于权限的用户分级管理、数据库集成与管理、数据及图形信息的显示、网络数据库应用：包括数据的查询、统计、报表生成、图形生成，数据信息的下载等。当遇匿名登录时，只能看到目录树中的数据结点，以及各种数据表中的数据项，而看不到具体的数据和图形，只有注册用户才可以根据所拥有的权限查看系统中的数据．可以进行数据的下载，统计图、等值线图，柱状图，剖面图生成等，也可以查询他们所关心的内容，如所居住地区的水质情况、是否有垃圾场的分布，地下是否有断层通过等，从而为社会公众提供信息服务。

未来地质工作还能为城市提供哪些服务？

北京地勘局相关负责人表示，“地下三明治”技术的研发成功只是万里长征的第一步。未来，还将在以下几个方面进一步探索，为首都经济社会快速发展提供坚实的保障。

搭建快速反应平台   纳入城市运行指挥和监测系统

在此系统的基础上，盘活大量地质资料和成果，搭建城市地质安全监测与快速反应平台，满足城市发展和政府管理决策对地质信息不断增长的需求，满足社会公众的需求，以加强城市公共安全的地质风险控制，确保市政设施运转良好，地质灾害应急处置快速高效。

加强地质成果应用  建立信息共享长效机制

加强地质调查成果在规划、国土、环保、水务、市政、建设、农业等管理和决策工作中的应用。城市规划和城市管理应听取地质专家的意见，工作中充分考虑地质因素，要有地质专家的参与。在政府部门的主导下，积极推动地质勘察资料的汇缴，与相关勘查部门建立合作机制，加强地质信息共享的长效机制建设。

推进地质监测工作  建设预警预报系统

推进地下空间开发、浅层地温能、突发性地质灾害、隐伏活动断裂、生态农业地质、矿山环境防治等方面的地质监测和调查工作。优化地下水资源、地面沉降和地裂缝、地质环境容量的三维数学模型，建设预警预报系统，实现基础与应用、专业与通用、数字与可视、静态与动态、常规监测与应急反应的紧密结合。