《城市地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)》是“地質(zhì)信息科學(xué)與技術(shù)叢書(shū)”的第二部，是作者團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)調(diào)查理論、方法和技術(shù)領(lǐng)域的探索性研究和開(kāi)發(fā)的成果積累。《城市地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)》著重介紹了城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查信息化的技術(shù)體系，即以對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，以“多S”集成和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)-地理、空間-屬性數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)、管理、處理和應(yīng)用。其主要構(gòu)成包括：野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、空間-屬性數(shù)據(jù)一體化管理技術(shù)、地質(zhì)圖件機(jī)助編繪技術(shù)、三維城市地質(zhì)環(huán)境建模技術(shù)、地質(zhì)特征空間分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)技術(shù)等。
第一章 城市地質(zhì)調(diào)查信息化概述
隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口急劇膨脹，城市范圍快速擴(kuò)張，城市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益突出，水資源短缺、水與土地污染、地面沉降、地表塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，成為影響城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，深化城市地質(zhì)工作，建立城市地質(zhì)調(diào)查信息系統(tǒng)，對(duì)實(shí)施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，全面推進(jìn)“數(shù)字城市”和“智慧城市”建設(shè)，提升城市規(guī)劃、建設(shè)、管理與運(yùn)行的水平，具有十分重要的意義。
1.1 城市地質(zhì)調(diào)查的發(fā)展及現(xiàn)狀
1.1.1 城市地質(zhì)調(diào)查工作的基本內(nèi)容
城市地質(zhì)調(diào)查工作的基本內(nèi)容，是在城市及其周?chē)貐^(qū)，或潛在城市化地區(qū)，綜合研究各種地質(zhì)要素對(duì)城市發(fā)展所提供的資源和所施加的約束，以及城市發(fā)展對(duì)各種地質(zhì)要素所產(chǎn)生的反作用，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理服務(wù)。具體地說(shuō)，城市地質(zhì)調(diào)查工作是研究城市的地質(zhì)構(gòu)造條件、工程地質(zhì)條件、地基巖土穩(wěn)定性，巖土體的出露和埋藏條件、城市土地合理利用、重大工程選址、地下空間可利用性等問(wèn)題；研究水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件、地下水埋藏和分布規(guī)律、地下水的水質(zhì)和水量、地下水的補(bǔ)給和排泄、地下水的可利用性和合理開(kāi)發(fā)利用，以及城市供水水源地評(píng)價(jià)和保護(hù)問(wèn)題；研究與城市有關(guān)的地震、活斷層、滑坡、泥石流、洪水、地面沉降與塌陷，以及水土流失等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題；研究城市建筑材料、地?zé)帷⒌V產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)問(wèn)題；研究城市中工業(yè)和生活垃圾的處理、地下水污染、土壤污染與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，開(kāi)展城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。
國(guó)際上的城市地質(zhì)工作的開(kāi)展，是與城市化進(jìn)程相伴隨的，大致開(kāi)始于20世紀(jì)初，中間因第二次世界大戰(zhàn)而陷于停頓。第二次世界大戰(zhàn)以后，許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家根據(jù)城市建設(shè)的需要，紛紛開(kāi)展系統(tǒng)的城市地質(zhì)調(diào)查工作。初期的城市地質(zhì)調(diào)查工作內(nèi)容，主要是基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)填圖，至20世紀(jì)60～70年代，工作內(nèi)容擴(kuò)大到水土污染調(diào)查評(píng)價(jià)，城市廢棄物危害調(diào)查評(píng)價(jià)，以及各種相關(guān)地質(zhì)資源的勘查評(píng)價(jià)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用信息技術(shù)，使各項(xiàng)專題研究水平和為社會(huì)服務(wù)的能力，得到迅速的提升。
美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）在21世紀(jì)初把加強(qiáng)城市地質(zhì)災(zāi)害研究，以及土壤污染問(wèn)題的研究列為主要工作內(nèi)容。他們借助GIS編制美國(guó)主要城市的多種災(zāi)害和污染狀況數(shù)字化圖件，還繪制出了描述城市土壤潛力與限制的“地質(zhì)潛力圖”。例如，在科羅拉多州格倫伍德斯普林斯市，開(kāi)展了城市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)項(xiàng)目。該市位于山區(qū)河谷地區(qū)，崩滑流地質(zhì)災(zāi)害制約著城市的發(fā)展，城市規(guī)劃部門(mén)委托科羅拉多州立大學(xué)，利用GIS進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)編圖研究。他們按14種土地利用適宜性等級(jí)，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行了土地利用區(qū)劃，圈出了未來(lái)城市發(fā)展的適宜地段和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在此基礎(chǔ)上建立了“城市整體化決策支持系統(tǒng)”。
加拿大的城市地質(zhì)工作已有100多年的歷史。Henry Arm在1900年發(fā)表的“加拿大東部主要城市的地質(zhì)”，被認(rèn)為是加拿大城市地質(zhì)的開(kāi)創(chuàng)性成果。但是，加拿大系統(tǒng)開(kāi)展城市地質(zhì)工作是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始的。其目的是為市政規(guī)劃和發(fā)展提供基礎(chǔ)信息，主要成果是填制溫哥華和蒙特利爾地區(qū)表層內(nèi)容豐富的地質(zhì)圖。1971年，加拿大科學(xué)委員會(huì)出版的“加拿大地球科學(xué)”報(bào)告，高度強(qiáng)調(diào)了城市地質(zhì)工作的重要意義。加拿大地質(zhì)調(diào)查局在渥太華—赫爾地區(qū)啟動(dòng)了環(huán)境地質(zhì)項(xiàng)目，出版了綜合地質(zhì)報(bào)告和一系列地質(zhì)圖。與此同時(shí)，加拿大地質(zhì)調(diào)查局還得到資助，在全國(guó)27個(gè)主要城市開(kāi)展了城市地質(zhì)計(jì)劃（WWSEP）。該計(jì)劃收集了大量的城市地區(qū)的巖土數(shù)據(jù)（包括11萬(wàn)個(gè)鉆孔資料），建立了城市巖土數(shù)據(jù)庫(kù)，但由于財(cái)力等原因沒(méi)有進(jìn)一步維護(hù)和開(kāi)發(fā)。目前，一半數(shù)據(jù)已經(jīng)遺失，一半數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PC格式，特別是在渥太華、溫哥華、圣約翰和多倫多地區(qū)，巖土數(shù)據(jù)已經(jīng)綜合到GIS系統(tǒng)之中。加拿大近期的城市地質(zhì)工作主要是解決海岸帶軟地基穩(wěn)定性、隧道開(kāi)挖、供水、廢物處置、岸邊侵蝕、冰磧物滑動(dòng)、地震、洪水和火山噴發(fā)等地質(zhì)問(wèn)題。未來(lái)的挑戰(zhàn)一是使市政管理者支持并參與城市地質(zhì)工作和計(jì)劃，二是開(kāi)發(fā)出用戶界面友好的城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，從而促進(jìn)在城市地區(qū)將地質(zhì)知識(shí)和信息直接應(yīng)用于解決城市環(huán)境與巖土工程問(wèn)題之中。
澳大利亞的城市地質(zhì)調(diào)查工作，基本是與全國(guó)系統(tǒng)化區(qū)調(diào)工作同步進(jìn)行的。在20世紀(jì)80年代，澳大利亞地學(xué)機(jī)構(gòu)在遙感技術(shù)應(yīng)用、地下水調(diào)查、核監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估方面獲得進(jìn)展，并建立了地震監(jiān)測(cè)活動(dòng)。隨后在20世紀(jì)90年代初期，制定了一項(xiàng)國(guó)家地球科學(xué)填圖協(xié)議（national geoscience mapping accord），進(jìn)一步將新的科學(xué)方法與新的空間信息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)始填制數(shù)字化的第二代澳大利亞陸地地質(zhì)圖。在此期間，為了減輕澳大利亞城市社區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提高城市社區(qū)安全，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，于1996年實(shí)施了一個(gè)“城市項(xiàng)目”。該項(xiàng)目以昆士蘭州凱恩斯市為首座試點(diǎn)研究的城市，開(kāi)展了一系列地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)試點(diǎn)研究，研發(fā)了城市地質(zhì)災(zāi)害填圖與評(píng)價(jià)的科學(xué)方法與技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年的努力，研究人員完成了包括地震、滑坡、洪水和颶風(fēng)等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與社區(qū)地質(zhì)災(zāi)害脆弱性綜合評(píng)價(jià)圖。試點(diǎn)完成后，便將所取得的新方法、新技術(shù)成果向全國(guó)推廣。至21世紀(jì)初，隨著“玻璃地球”建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)立和開(kāi)展，澳大利亞的城市地質(zhì)調(diào)查迅速采用了三維地質(zhì)信息技術(shù)，迄今為止，基本完成了全國(guó)各大城市的地質(zhì)調(diào)查。
德國(guó)也是最早開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作的國(guó)家之一。20世紀(jì)90年代，隨著工業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，德國(guó)地質(zhì)調(diào)查局也將工作重點(diǎn)由礦產(chǎn)資源勘查轉(zhuǎn)向環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究。所開(kāi)展的研究工作包括以下幾個(gè)方面：開(kāi)展城市及其周?chē)貐^(qū)的環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查、土壤污染評(píng)價(jià)；開(kāi)展垃圾場(chǎng)污染的調(diào)查、評(píng)價(jià)及污染監(jiān)控、治理；建立了城市行政機(jī)關(guān)、地質(zhì)調(diào)查所的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制出了描述城市土壤潛力與限制的“地質(zhì)潛力圖”，并獲取廣泛的其他地學(xué)知識(shí)，為城市規(guī)劃建設(shè)和地下水利用服務(wù)。與此同時(shí)，德國(guó)還與泰國(guó)、印度尼西亞、尼泊爾等開(kāi)展了城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與規(guī)劃的技術(shù)合作。
荷蘭也是開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作最早的國(guó)家之一。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，荷蘭地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)與本國(guó)土壤調(diào)查所、應(yīng)用地球科學(xué)研究所合作，進(jìn)行了基于GIS平臺(tái)的數(shù)字化區(qū)域工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)填圖。其中，環(huán)境地質(zhì)圖的比例尺主要是1∶5萬(wàn)和1∶25萬(wàn)，是根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)情況和用戶需求進(jìn)行生產(chǎn)的，其主題有水文地質(zhì)系統(tǒng)、草地土壤穩(wěn)定性、適宜于儲(chǔ)存核廢物的鹽丘構(gòu)造、適宜于地下建筑的深層黏土層性質(zhì)、地?zé)崮艿拈_(kāi)采與儲(chǔ)存、工業(yè)建材、受開(kāi)挖影響的地貌脆弱性、地下水遭受硝酸鹽污染的脆弱性、地下水水位波動(dòng)、由于地下水開(kāi)采易于發(fā)生土壤下沉的敏感性、建筑場(chǎng)地選址、城市擴(kuò)展的區(qū)域地基深度等。在土地利用規(guī)劃中，注重自然潛力和限制條件，以及土地復(fù)墾對(duì)地面沉降的影響。目前，已經(jīng)有200個(gè)城鎮(zhèn)進(jìn)行了底土技術(shù)質(zhì)量編圖，并建立了基礎(chǔ)地學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局很早就把資源、環(huán)境和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查放在同等重要地位。特別是在20世紀(jì)末，針對(duì)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，提出了加強(qiáng)與環(huán)境、自然資源和災(zāi)害相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查的21世紀(jì)新戰(zhàn)略，并先后提出了2000～2005年、2005～2010年和2009～2014年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃。這些規(guī)劃進(jìn)一步使地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容和作用走向多樣化，并促進(jìn)了空間信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加深了對(duì)環(huán)境及其過(guò)程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)革新了對(duì)新發(fā)現(xiàn)的解釋和傳播。例如，2005～2010年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃圍繞8個(gè)主題（英國(guó)大陸的3D地球科學(xué)框架；地球環(huán)境信息；海岸帶、大陸架及大陸邊緣的3D特征；可持續(xù)水資源管理；可持續(xù)土地管理；能源和礦產(chǎn)資源的可持續(xù)生產(chǎn)和安全供應(yīng)；巖石圈的物理、化學(xué)和生物災(zāi)害及其影響；監(jiān)測(cè)全球變化過(guò)程）和5個(gè)交叉性問(wèn)題（農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與土地利用和土地質(zhì)量、氣候變化、地球生命支持系統(tǒng)、能源和自然資源的安全性、國(guó)際發(fā)展）展開(kāi)，而2009～2014年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃則在前一個(gè)戰(zhàn)略規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步把重點(diǎn)放在海岸帶人口聚居地區(qū)的資源與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，以及建立多尺度三維地層框架。顯然，城市地質(zhì)調(diào)查是其重點(diǎn)。其中，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)的“倫敦計(jì)算機(jī)化地下與地表項(xiàng)目”（LOCUS），以2萬(wàn)多份鉆孔描述資料為基礎(chǔ)，建立城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了用于土地利用規(guī)劃、土木工程建設(shè)以及解決地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的各種地質(zhì)主題圖件。
與此同時(shí)，歐洲其他國(guó)家如西班牙、比利時(shí)和俄羅斯，以及日本、新加坡、泰國(guó)、印度尼西亞、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)香港等東亞和東南亞的一些國(guó)家和地區(qū)，也開(kāi)展了城市地質(zhì)調(diào)查工作，完成了不少城市的1∶2.5萬(wàn)的地質(zhì)填圖工作，并開(kāi)始了城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。
所有這些研究，促成了一門(mén)新的地質(zhì)學(xué)科——城市地質(zhì)學(xué)的誕生。
在中國(guó)，城市地質(zhì)調(diào)查起步較晚，直到近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程加快，城市人口急劇膨脹，城市范圍迅速擴(kuò)大，城市地質(zhì)資源、環(huán)境和地災(zāi)問(wèn)題突出，城市地質(zhì)調(diào)查才成為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作及其信息化的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。
中國(guó)較為正式、系統(tǒng)的城市地質(zhì)工作開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。最初于1983年，由北京市、地質(zhì)礦產(chǎn)部和城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合，開(kāi)展了北京地區(qū)航空遙感方法調(diào)查。接著，在國(guó)家“七五”計(jì)劃期間（1986～1990年），地質(zhì)礦產(chǎn)部組織了上海、天津、丹東、大連、福州、廣州、深圳、珠海、溫州、寧波等21個(gè)沿海城市的城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。從21世紀(jì)初開(kāi)始，在全國(guó)更大范圍內(nèi)開(kāi)始大、中城市的1∶5萬(wàn)、1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，其內(nèi)容包括城市生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查與城市工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查。另外地震、石油、化工、煤炭、建材、農(nóng)業(yè)、城建、水利、航運(yùn)、交通等部門(mén)，也從各自專業(yè)角度積累了大量的城市地質(zhì)資料。隨著地質(zhì)信息科學(xué)技術(shù)的迅速興起，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在2006～2010年完成了北京、上海、天津、南京、杭州和廣州六大城市的三維地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查試點(diǎn)，在相關(guān)高等學(xué)校的協(xié)助下，分別建立了這些城市的地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)和三維地層框架模型。在總結(jié)這些新成果的基礎(chǔ)上，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2013年出版了《中國(guó)城市地質(zhì)調(diào)查工作指南》（程光華等，2013a）和《中國(guó)城市地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法》（程光華等，2013b）。
綜上所述，開(kāi)展城市地質(zhì)環(huán)境、地災(zāi)和資源主題的綜合地學(xué)填圖工作，促進(jìn)地學(xué)信息為城市規(guī)劃、管理和運(yùn)行服務(wù)，已經(jīng)成為世界各國(guó)城市地質(zhì)工作的要內(nèi)容。基于三維地質(zhì)信息平臺(tái)，開(kāi)展以主題式數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的城市地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)環(huán)境、地災(zāi)和資源評(píng)價(jià)與決策的信息化，成為城市地質(zhì)工作的發(fā)展趨勢(shì)。
1.1.2 城市地質(zhì)調(diào)查信息化的概念與方法
城市地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容，主要涉及環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土地利用和廢棄物處理等多個(gè)領(lǐng)域。由于研究對(duì)象與研究?jī)?nèi)容存在顯著差異，所采用的工作方法和工作手段有明顯的差異。其中，環(huán)境地質(zhì)調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、化探、遙感等方法；工程地質(zhì)調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、鉆探等方法；水文地質(zhì)（含地?zé)幔┱{(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、鉆探等方法；土地利用調(diào)查常采用遙感、測(cè)繪等方法；廢棄物處理場(chǎng)地調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、遙感、物探和鉆探等方法。在進(jìn)行城市地質(zhì)調(diào)查時(shí)，還需要搜集、整理并采用大量的前期物探、化探和鉆探資料。除了地質(zhì)觀測(cè)之外，這種情況與傳統(tǒng)的野外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查（填圖）有明顯差異。為了提高這些多源異構(gòu)異質(zhì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、處理、建模和應(yīng)用的效率和水平，需要采用三維地質(zhì)信息科技，全面實(shí)現(xiàn)其信息化。
1. 地質(zhì)調(diào)查信息化的概念
地質(zhì)科學(xué)的發(fā)展、地質(zhì)調(diào)查和其他地質(zhì)勘查工作的深入開(kāi)展，以及計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的應(yīng)用，各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)資料和知識(shí)以空前的速度在積累著，使得已有地質(zhì)圖內(nèi)容迅速變得陳舊。同時(shí)，社會(huì)的進(jìn)步和需求的提高，又要求地質(zhì)調(diào)查提供更多豐富的地質(zhì)信息服務(wù)。因此，地質(zhì)調(diào)查需要定期重復(fù)進(jìn)行，地質(zhì)圖需要?jiǎng)討B(tài)地填制和更新。
在一般情況下，1∶25萬(wàn)的地質(zhì)圖更新周期為20年左右，而1∶5萬(wàn)的地質(zhì)圖更新周期為10～15年。然而，由于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查方式效率極低，嚴(yán)重地阻滯了地質(zhì)圖的更新速度。一些發(fā)達(dá)的西方大國(guó)的地質(zhì)圖更新率，通常每十年只有 10%左右。另外，最初的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查成果比較單一，通常只要求填繪出一張區(qū)域地質(zhì)圖。近年來(lái)，隨著
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第一章 城市地質(zhì)調(diào)查信息化概述
隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口急劇膨脹，城市范圍快速擴(kuò)張，城市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益突出，水資源短缺、水與土地污染、地面沉降、地表塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，成為影響城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，深化城市地質(zhì)工作，建立城市地質(zhì)調(diào)查信息系統(tǒng)，對(duì)實(shí)施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，全面推進(jìn)“數(shù)字城市”和“智慧城市”建設(shè)，提升城市規(guī)劃、建設(shè)、管理與運(yùn)行的水平，具有十分重要的意義。
1.1 城市地質(zhì)調(diào)查的發(fā)展及現(xiàn)狀
1.1.1 城市地質(zhì)調(diào)查工作的基本內(nèi)容
城市地質(zhì)調(diào)查工作的基本內(nèi)容，是在城市及其周?chē)貐^(qū)，或潛在城市化地區(qū)，綜合研究各種地質(zhì)要素對(duì)城市發(fā)展所提供的資源和所施加的約束，以及城市發(fā)展對(duì)各種地質(zhì)要素所產(chǎn)生的反作用，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理服務(wù)。具體地說(shuō)，城市地質(zhì)調(diào)查工作是研究城市的地質(zhì)構(gòu)造條件、工程地質(zhì)條件、地基巖土穩(wěn)定性，巖土體的出露和埋藏條件、城市土地合理利用、重大工程選址、地下空間可利用性等問(wèn)題；研究水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件、地下水埋藏和分布規(guī)律、地下水的水質(zhì)和水量、地下水的補(bǔ)給和排泄、地下水的可利用性和合理開(kāi)發(fā)利用，以及城市供水水源地評(píng)價(jià)和保護(hù)問(wèn)題；研究與城市有關(guān)的地震、活斷層、滑坡、泥石流、洪水、地面沉降與塌陷，以及水土流失等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題；研究城市建筑材料、地?zé)帷⒌V產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)問(wèn)題；研究城市中工業(yè)和生活垃圾的處理、地下水污染、土壤污染與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，開(kāi)展城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。
國(guó)際上的城市地質(zhì)工作的開(kāi)展，是與城市化進(jìn)程相伴隨的，大致開(kāi)始于20世紀(jì)初，中間因第二次世界大戰(zhàn)而陷于停頓。第二次世界大戰(zhàn)以后，許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家根據(jù)城市建設(shè)的需要，紛紛開(kāi)展系統(tǒng)的城市地質(zhì)調(diào)查工作。初期的城市地質(zhì)調(diào)查工作內(nèi)容，主要是基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)填圖，至20世紀(jì)60～70年代，工作內(nèi)容擴(kuò)大到水土污染調(diào)查評(píng)價(jià)，城市廢棄物危害調(diào)查評(píng)價(jià)，以及各種相關(guān)地質(zhì)資源的勘查評(píng)價(jià)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用信息技術(shù)，使各項(xiàng)專題研究水平和為社會(huì)服務(wù)的能力，得到迅速的提升。
美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）在21世紀(jì)初把加強(qiáng)城市地質(zhì)災(zāi)害研究，以及土壤污染問(wèn)題的研究列為主要工作內(nèi)容。他們借助GIS編制美國(guó)主要城市的多種災(zāi)害和污染狀況數(shù)字化圖件，還繪制出了描述城市土壤潛力與限制的“地質(zhì)潛力圖”。例如，在科羅拉多州格倫伍德斯普林斯市，開(kāi)展了城市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)項(xiàng)目。該市位于山區(qū)河谷地區(qū)，崩滑流地質(zhì)災(zāi)害制約著城市的發(fā)展，城市規(guī)劃部門(mén)委托科羅拉多州立大學(xué)，利用GIS進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)編圖研究。他們按14種土地利用適宜性等級(jí)，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行了土地利用區(qū)劃，圈出了未來(lái)城市發(fā)展的適宜地段和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在此基礎(chǔ)上建立了“城市整體化決策支持系統(tǒng)”。
加拿大的城市地質(zhì)工作已有100多年的歷史。Henry Arm在1900年發(fā)表的“加拿大東部主要城市的地質(zhì)”，被認(rèn)為是加拿大城市地質(zhì)的開(kāi)創(chuàng)性成果。但是，加拿大系統(tǒng)開(kāi)展城市地質(zhì)工作是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始的。其目的是為市政規(guī)劃和發(fā)展提供基礎(chǔ)信息，主要成果是填制溫哥華和蒙特利爾地區(qū)表層內(nèi)容豐富的地質(zhì)圖。1971年，加拿大科學(xué)委員會(huì)出版的“加拿大地球科學(xué)”報(bào)告，高度強(qiáng)調(diào)了城市地質(zhì)工作的重要意義。加拿大地質(zhì)調(diào)查局在渥太華—赫爾地區(qū)啟動(dòng)了環(huán)境地質(zhì)項(xiàng)目，出版了綜合地質(zhì)報(bào)告和一系列地質(zhì)圖。與此同時(shí)，加拿大地質(zhì)調(diào)查局還得到資助，在全國(guó)27個(gè)主要城市開(kāi)展了城市地質(zhì)計(jì)劃（WWSEP）。該計(jì)劃收集了大量的城市地區(qū)的巖土數(shù)據(jù)（包括11萬(wàn)個(gè)鉆孔資料），建立了城市巖土數(shù)據(jù)庫(kù)，但由于財(cái)力等原因沒(méi)有進(jìn)一步維護(hù)和開(kāi)發(fā)。目前，一半數(shù)據(jù)已經(jīng)遺失，一半數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PC格式，特別是在渥太華、溫哥華、圣約翰和多倫多地區(qū)，巖土數(shù)據(jù)已經(jīng)綜合到GIS系統(tǒng)之中。加拿大近期的城市地質(zhì)工作主要是解決海岸帶軟地基穩(wěn)定性、隧道開(kāi)挖、供水、廢物處置、岸邊侵蝕、冰磧物滑動(dòng)、地震、洪水和火山噴發(fā)等地質(zhì)問(wèn)題。未來(lái)的挑戰(zhàn)一是使市政管理者支持并參與城市地質(zhì)工作和計(jì)劃，二是開(kāi)發(fā)出用戶界面友好的城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，從而促進(jìn)在城市地區(qū)將地質(zhì)知識(shí)和信息直接應(yīng)用于解決城市環(huán)境與巖土工程問(wèn)題之中。
澳大利亞的城市地質(zhì)調(diào)查工作，基本是與全國(guó)系統(tǒng)化區(qū)調(diào)工作同步進(jìn)行的。在20世紀(jì)80年代，澳大利亞地學(xué)機(jī)構(gòu)在遙感技術(shù)應(yīng)用、地下水調(diào)查、核監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估方面獲得進(jìn)展，并建立了地震監(jiān)測(cè)活動(dòng)。隨后在20世紀(jì)90年代初期，制定了一項(xiàng)國(guó)家地球科學(xué)填圖協(xié)議（national geoscience mapping accord），進(jìn)一步將新的科學(xué)方法與新的空間信息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)始填制數(shù)字化的第二代澳大利亞陸地地質(zhì)圖。在此期間，為了減輕澳大利亞城市社區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提高城市社區(qū)安全，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，于1996年實(shí)施了一個(gè)“城市項(xiàng)目”。該項(xiàng)目以昆士蘭州凱恩斯市為首座試點(diǎn)研究的城市，開(kāi)展了一系列地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)試點(diǎn)研究，研發(fā)了城市地質(zhì)災(zāi)害填圖與評(píng)價(jià)的科學(xué)方法與技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年的努力，研究人員完成了包括地震、滑坡、洪水和颶風(fēng)等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與社區(qū)地質(zhì)災(zāi)害脆弱性綜合評(píng)價(jià)圖。試點(diǎn)完成后，便將所取得的新方法、新技術(shù)成果向全國(guó)推廣。至21世紀(jì)初，隨著“玻璃地球”建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)立和開(kāi)展，澳大利亞的城市地質(zhì)調(diào)查迅速采用了三維地質(zhì)信息技術(shù)，迄今為止，基本完成了全國(guó)各大城市的地質(zhì)調(diào)查。
德國(guó)也是最早開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作的國(guó)家之一。20世紀(jì)90年代，隨著工業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，德國(guó)地質(zhì)調(diào)查局也將工作重點(diǎn)由礦產(chǎn)資源勘查轉(zhuǎn)向環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究。所開(kāi)展的研究工作包括以下幾個(gè)方面：開(kāi)展城市及其周?chē)貐^(qū)的環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查、土壤污染評(píng)價(jià)；開(kāi)展垃圾場(chǎng)污染的調(diào)查、評(píng)價(jià)及污染監(jiān)控、治理；建立了城市行政機(jī)關(guān)、地質(zhì)調(diào)查所的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制出了描述城市土壤潛力與限制的“地質(zhì)潛力圖”，并獲取廣泛的其他地學(xué)知識(shí)，為城市規(guī)劃建設(shè)和地下水利用服務(wù)。與此同時(shí)，德國(guó)還與泰國(guó)、印度尼西亞、尼泊爾等開(kāi)展了城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與規(guī)劃的技術(shù)合作。
荷蘭也是開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作最早的國(guó)家之一。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，荷蘭地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)與本國(guó)土壤調(diào)查所、應(yīng)用地球科學(xué)研究所合作，進(jìn)行了基于GIS平臺(tái)的數(shù)字化區(qū)域工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)填圖。其中，環(huán)境地質(zhì)圖的比例尺主要是1∶5萬(wàn)和1∶25萬(wàn)，是根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)情況和用戶需求進(jìn)行生產(chǎn)的，其主題有水文地質(zhì)系統(tǒng)、草地土壤穩(wěn)定性、適宜于儲(chǔ)存核廢物的鹽丘構(gòu)造、適宜于地下建筑的深層黏土層性質(zhì)、地?zé)崮艿拈_(kāi)采與儲(chǔ)存、工業(yè)建材、受開(kāi)挖影響的地貌脆弱性、地下水遭受硝酸鹽污染的脆弱性、地下水水位波動(dòng)、由于地下水開(kāi)采易于發(fā)生土壤下沉的敏感性、建筑場(chǎng)地選址、城市擴(kuò)展的區(qū)域地基深度等。在土地利用規(guī)劃中，注重自然潛力和限制條件，以及土地復(fù)墾對(duì)地面沉降的影響。目前，已經(jīng)有200個(gè)城鎮(zhèn)進(jìn)行了底土技術(shù)質(zhì)量編圖，并建立了基礎(chǔ)地學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局很早就把資源、環(huán)境和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查放在同等重要地位。特別是在20世紀(jì)末，針對(duì)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，提出了加強(qiáng)與環(huán)境、自然資源和災(zāi)害相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查的21世紀(jì)新戰(zhàn)略，并先后提出了2000～2005年、2005～2010年和2009～2014年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃。這些規(guī)劃進(jìn)一步使地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容和作用走向多樣化，并促進(jìn)了空間信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加深了對(duì)環(huán)境及其過(guò)程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)革新了對(duì)新發(fā)現(xiàn)的解釋和傳播。例如，2005～2010年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃圍繞8個(gè)主題（英國(guó)大陸的3D地球科學(xué)框架；地球環(huán)境信息；海岸帶、大陸架及大陸邊緣的3D特征；可持續(xù)水資源管理；可持續(xù)土地管理；能源和礦產(chǎn)資源的可持續(xù)生產(chǎn)和安全供應(yīng)；巖石圈的物理、化學(xué)和生物災(zāi)害及其影響；監(jiān)測(cè)全球變化過(guò)程）和5個(gè)交叉性問(wèn)題（農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與土地利用和土地質(zhì)量、氣候變化、地球生命支持系統(tǒng)、能源和自然資源的安全性、國(guó)際發(fā)展）展開(kāi)，而2009～2014年科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃則在前一個(gè)戰(zhàn)略規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步把重點(diǎn)放在海岸帶人口聚居地區(qū)的資源與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，以及建立多尺度三維地層框架。顯然，城市地質(zhì)調(diào)查是其重點(diǎn)。其中，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)的“倫敦計(jì)算機(jī)化地下與地表項(xiàng)目”（LOCUS），以2萬(wàn)多份鉆孔描述資料為基礎(chǔ)，建立城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了用于土地利用規(guī)劃、土木工程建設(shè)以及解決地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的各種地質(zhì)主題圖件。
與此同時(shí)，歐洲其他國(guó)家如西班牙、比利時(shí)和俄羅斯，以及日本、新加坡、泰國(guó)、印度尼西亞、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)香港等東亞和東南亞的一些國(guó)家和地區(qū)，也開(kāi)展了城市地質(zhì)調(diào)查工作，完成了不少城市的1∶2.5萬(wàn)的地質(zhì)填圖工作，并開(kāi)始了城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。
所有這些研究，促成了一門(mén)新的地質(zhì)學(xué)科——城市地質(zhì)學(xué)的誕生。
在中國(guó)，城市地質(zhì)調(diào)查起步較晚，直到近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程加快，城市人口急劇膨脹，城市范圍迅速擴(kuò)大，城市地質(zhì)資源、環(huán)境和地災(zāi)問(wèn)題突出，城市地質(zhì)調(diào)查才成為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作及其信息化的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。
中國(guó)較為正式、系統(tǒng)的城市地質(zhì)工作開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。最初于1983年，由北京市、地質(zhì)礦產(chǎn)部和城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合，開(kāi)展了北京地區(qū)航空遙感方法調(diào)查。接著，在國(guó)家“七五”計(jì)劃期間（1986～1990年），地質(zhì)礦產(chǎn)部組織了上海、天津、丹東、大連、福州、廣州、深圳、珠海、溫州、寧波等21個(gè)沿海城市的城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。從21世紀(jì)初開(kāi)始，在全國(guó)更大范圍內(nèi)開(kāi)始大、中城市的1∶5萬(wàn)、1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，其內(nèi)容包括城市生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查與城市工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查。另外地震、石油、化工、煤炭、建材、農(nóng)業(yè)、城建、水利、航運(yùn)、交通等部門(mén)，也從各自專業(yè)角度積累了大量的城市地質(zhì)資料。隨著地質(zhì)信息科學(xué)技術(shù)的迅速興起，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在2006～2010年完成了北京、上海、天津、南京、杭州和廣州六大城市的三維地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查試點(diǎn)，在相關(guān)高等學(xué)校的協(xié)助下，分別建立了這些城市的地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)和三維地層框架模型。在總結(jié)這些新成果的基礎(chǔ)上，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2013年出版了《中國(guó)城市地質(zhì)調(diào)查工作指南》（程光華等，2013a）和《中國(guó)城市地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法》（程光華等，2013b）。
綜上所述，開(kāi)展城市地質(zhì)環(huán)境、地災(zāi)和資源主題的綜合地學(xué)填圖工作，促進(jìn)地學(xué)信息為城市規(guī)劃、管理和運(yùn)行服務(wù)，已經(jīng)成為世界各國(guó)城市地質(zhì)工作的要內(nèi)容。基于三維地質(zhì)信息平臺(tái)，開(kāi)展以主題式數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的城市地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)環(huán)境、地災(zāi)和資源評(píng)價(jià)與決策的信息化，成為城市地質(zhì)工作的發(fā)展趨勢(shì)。
1.1.2 城市地質(zhì)調(diào)查信息化的概念與方法
城市地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容，主要涉及環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土地利用和廢棄物處理等多個(gè)領(lǐng)域。由于研究對(duì)象與研究?jī)?nèi)容存在顯著差異，所采用的工作方法和工作手段有明顯的差異。其中，環(huán)境地質(zhì)調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、化探、遙感等方法；工程地質(zhì)調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、鉆探等方法；水文地質(zhì)（含地?zé)幔┱{(diào)查常采用地質(zhì)觀察、物探、鉆探等方法；土地利用調(diào)查常采用遙感、測(cè)繪等方法；廢棄物處理場(chǎng)地調(diào)查常采用地質(zhì)觀察、遙感、物探和鉆探等方法。在進(jìn)行城市地質(zhì)調(diào)查時(shí)，還需要搜集、整理并采用大量的前期物探、化探和鉆探資料。除了地質(zhì)觀測(cè)之外，這種情況與傳統(tǒng)的野外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查（填圖）有明顯差異。為了提高這些多源異構(gòu)異質(zhì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、處理、建模和應(yīng)用的效率和水平，需要采用三維地質(zhì)信息科技，全面實(shí)現(xiàn)其信息化。
1. 地質(zhì)調(diào)查信息化的概念
地質(zhì)科學(xué)的發(fā)展、地質(zhì)調(diào)查和其他地質(zhì)勘查工作的深入開(kāi)展，以及計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的應(yīng)用，各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)資料和知識(shí)以空前的速度在積累著，使得已有地質(zhì)圖內(nèi)容迅速變得陳舊。同時(shí)，社會(huì)的進(jìn)步和需求的提高，又要求地質(zhì)調(diào)查提供更多豐富的地質(zhì)信息服務(wù)。因此，地質(zhì)調(diào)查需要定期重復(fù)進(jìn)行，地質(zhì)圖需要?jiǎng)討B(tài)地填制和更新。
在一般情況下，1∶25萬(wàn)的地質(zhì)圖更新周期為20年左右，而1∶5萬(wàn)的地質(zhì)圖更新周期為10～15年。然而，由于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查方式效率極低，嚴(yán)重地阻滯了地質(zhì)圖的更新速度。一些發(fā)達(dá)的西方大國(guó)的地質(zhì)圖更新率，通常每十年只有 10%左右。另外，最初的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查成果比較單一，通常只要求填繪出一張區(qū)域地質(zhì)圖。近年來(lái)，隨著
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