基于互联网的对地下水监控数据三维建模的分析整合系统外文翻译资料

英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于互联网的对地下水监控数据三维建模的分析整合系统

简·亨特，查尔斯·布鲁克林，露西·里德，苏·芬克

摘要：三维水化学关系数据库是一个直观的、开源的、基于Web的系统，使三维（3D）的地下水子表面的监测数据可视化，并符合当地的地理模型（地层及含水层）。本文首先介绍了现有的虚拟地球技术的评价结果，决定使用开源WebGL的虚拟地球和地图引擎作为底层平台。然后通过开源WebGL相关接口，介绍了后端数据库和搜索、过滤、浏览和分析等分析工具，使用户能交互式地探索地下水监测数据和解释在空间和时间上地质和含水层的构造变化。本系统方便环境管理者评价地下水条件，并从系统数据中得出影响与风险，也能从矿、气等资源、水资源再利用得出更多的信息决策。

1. 简介

在过去的5-10年内，澳大利亚政府与企业管理下的页岩气（CSG）产业虽然增长快速，然而暴露出了一些潜在的风险，特别是地层表面与地下的水层。页岩气开采的操作风险包括了逸散出的气体及其液体化、影响地下水的供应和对煤层中产水的状况。例如，在CSG操作时产生的水包含了多种盐分，不仅体积大，而且可能含有重金属和其他微量元素。

为了评价并最小化CSG操作时的风险以保证用水安全，在采矿或CSG操作前地下水监控需要建立在地下水水质趋势评价分析。这涉及了评价和安装监测装置，通过化学分析仪周期性地收集地下水样本。

为了减少澳大利亚CSG操作的潜在风险，广泛的监管框架在各个州和联邦被建立起来。例如，在昆士兰水法案2000版中要求公司在石油和天然气有生产或测试计划的地区建立水孔的基线评估。地下水影响评价办公室（OGIA）存储的基线评估资料（包括钻孔登记、含水层、套管、地层和水质分析记录），以其孔基线评估数据库（BBAD）生成地下水影响报告。此外，一些其他来源的地下水和地质信息（例如地下水数据库数据库[GWDB ]由州政府提供维护）对CSG提取对地下水的影响作补充的资料。然而，地下水数据库在过去的几十年里主要包括历史数据的收集，其来自农业用途的水孔基线，远比CSG产业要早，因此数据可能无法准确反映当前情况。

地下水在空间和时间上的变化，重要的数据管理也面临挑战，因为它需要集成和分析水文、化学、矿物学和地质资料，通常在不同的异构格式的数据库，只能通过商业软件访问。在昆士兰，整合来自地下水数据库与地质地层的BBAD数据（包括含水层层），并通过统一门户网站启用访问，提供一个以行业、研究和政府的利益相关综合决策的平台，为媒体提供素材，有助于减轻公众的担忧。此外，公司可以结合自己的机密数据集和汇总的公共数据集，以获得新的认知。因此，这个项目的主要目标是开发一个能够提供高质量地表水水质资料及资料来源的信息平台。

CSG行业环境管理者面临的另一挑战是缺乏自由的基于网络的可视化界面和解释工具，使公司、政府和环保部门监测地下水化学趋势在空间和时间的变化。对水空间分布的认知得到改进，化学和含水层的连通性将得到更好的评价和优化（包括基础设施、水处理费用、中水回用、重新注入选项）。为更好地理解其中的因素和过程（地质因素、水岩相互作用、补给量和质量），导致水化学变化被用来预测可能的水化学结果作为新领域的发展。

综上所述， CSG的累计影响或其他工业的累积影响对地下水系统的活动有下列要求：在多个方面改进数据整理组织和监控程序；更精简的质量保证（QA）/质量控制（QC）程序；易于访问且使用的工具，用于评估环境、地址因素在化学变化中的分析。

1. 研究目标

为了实现上述目标，三维水化学分析整合平台由昆士兰大学CSG中心、矿产行业水中心、地球科学学院和信息技术电气学院工程之间合作建立。第一期三维分析整合平台工程一年可行性研究集中在一个特定的区域（昆士兰中心苏拉特盆地）和有以下研究目标：

• 为制定一个统一的、质量可控的地下水化学数据库，需要一个可靠、一致的地质模型，以结合起来其他可用的和相关的地理空间层。例如卫星图像，道路网络，产权边界，采矿租赁边界。
• 开发新的可视化和分析工具，利用叠加水化学数据和三维（三维）地质资料。
• 开发一个网络接口，从空间和时间线访问水化学数据，提高公众对水化学趋势的认识保护商业敏感数据。
• 提供空间和时间水化学趋势的区域性解释，包括多元统计分析和反应化学的输出建模。
• 要找出现有的数据和认知的差距，可以用来引导监测。

苏拉特盆地作为可行性研究的焦点，因为它是一个地区强烈的探索和发展的行业，因为CSG大量的水质数据，钻孔/数据，以及详细的地质模型可用于该地区。图1显示了苏拉特盆地的位置，一个澳大利亚西南部的沉积盆地。气体将从瓦隆煤矿系300–之间的600米深中提取。地下水监测平台的意思是十分重要的，因为上层和底层的煤炭层是重要的圈层，如赫顿油田、斯普林博克油田、股本拉牡丹砂岩地层和康达明冲积层拥有大量利用冲积灌溉和城镇供水，是当地的重要经济资源。

图 1在昆士兰的苏拉特盆地的位置，澳大利亚（上）

本文的其余部分介绍了系统的设计和开发，从日期上反馈用户的意见。其结构如下：第2节提供现有的潜在的三维可视化和分析平台的评价和所选择的虚拟地球仪软件的概述；第3节提供技术体系结构描述；第4节介绍了数据集集成和数据库实现；第5节介绍了用户界面和功能分析服务；第6节介绍了相关用户的反馈；最后一节提供一些结论性的概念，并概述了未来的研究计划发展。

1. 现有的三维可视化系统综述

一所发展三维CSG水分析相关数据库企业的首要任务是评估现有的三维可视化平台，以确定最合适地下水化学数据和钻孔数据的地下水化学数据探索（如地质及地球物理测井资料）及地质/水文地质地层模型通过规定的网络接口（可访问公共、研究人员和工业）的平台。

虽然有大量的“虚拟地球”软件系统，他们主要的支持在地球表面上方显示的空间信息层，如街道图，数字高程模型，卫星图像，甚至气象模型。一般情况下，他们不支持三维地下数据或地层可视化。

也有一些研究成果，如SolidEarth，使地下三维可视化地质支持覆盖结构和钻孔，但SolidEarth仍在发展，不开放源代码，目前还没有出现支持X3D格式或WebGL。

回顾现有的产品，列出一个简短的系统列表，对提供必要的可视化和所需的三维水化学相关数据表中有着很重要的作用，如下所示：

1. NASAWorld Wind，包括澳大利亚地球科学的World WindSuite和EarthSci 。
2. 谷歌地球
3. ParaViewGeo
4. QUT的地下水可视化系统
5. Cesium

分别评估五个候选系统，需要获得三组相对容易获取、精度较高的数据（OGIA的基线评估数据，地质层/模型的地下水数据库和GOCAD），运用这些数据搜索、浏览、并对可视化进行评估。对每个系统的评价标准包括以下：

1. 效率
2. 精度
3. 是否开源
4. 免费
5. 易于安装
6. 跨平台
7. 实用性和交互性
8. 对常用格式的兼容性
9. 可视化程度
10. 定制——是否易于定制
11. 支持互联网环境——软件应不需下载而能直接运行于浏览器，包括火狐、谷歌等浏览器

对上述五个系统的评价的摘要，对这些标准的评价都在表1中得到记录。

• 1. 美国航天局World Wind

World Wind和GA版本中最突出的特点为：它是免费的、开源的、并且可以由用户自行拓展；World Wind支持地理空间协会发布的标准（WMS/WFS），并且支持时空数据与动画。

• 1. 谷歌地球

谷歌地球最常规也是最优势的是：它支持了Windows、Mac、Linux各种操作系统；易于安装；同时提供了一套易于使用的用户接口；谷歌地球已在大范围被接受且使用。

谷歌地球也有主要的劣势：它不支持地球地下表面的可视化，在表面地理要素的三维化是十分有限的，而且它不开源所以也无法被拓展，最后它也不支持GOCAD模型。

最近的研究已经证明了谷歌地球的模型是有效地使用KML来建模和可视化钻孔数据。然而，这项工作并没有支持地下三维表面的可视化或符合水文地质地层模型。

• 1. ParaViewGeo

ParaViewGeo的主要优点为：免费且开源，因为它是基于ParaView；并且它声明支持了各种格式的文件，包括ARC、DEM和ESRI系列格式。

而ParaViewGeo的缺点为：不支持虚拟地球的视图数据；因为它不是一个支持浏览器的软件产品，所以还需要实时下载客户端来安装。最后ParaViewGeo也无法获取GOCAD和TSurf等模型，可能是由于部分格式不兼容。

• 1. QUT地下水可视化系统

地下水可视化系统的优势在于：它是一个商用产品并经5-10年的开发研究，现在已经为CSG公司在国际上使用，在浏览器端游相当丰富的接口。

而其缺点也很明显：GSV并不是一个开源的产品，所以它不具有开发人群，在高价购买前也难以定制。因为它的商用性质，用户需要购买通行证。GSV现在还没有一个正式的浏览器版本，现今正在被开发中。其中的输入文件格式包括GOCAD、GMS、LeapFrop模型等，也要求输入版本被预先上传。

• 1. Cesium

Cesium是一款WebGL搭建的虚拟地球，它的优点包括：它是免费并且开源的，而且具备了一个十分活跃的开发社区。Cesium是可以定制的，易于编程，因为他可以被HTML、JavaScript、CSS、WebGL等所构建；WebGL的利用意味着纹理的读取速度是非常快的；它能快速导入GOCAD模型和OGIA数据并使之可视化；Cesium支持打开OGC标准的时空数据和动画。最后，一个叫做“地面推”插件的可用性使钻孔数据与水文地质地层的次面可视化。

Cesium的缺点是：Chrome框架插件可以在早期的IE浏览器上运行，而Cesium不允许其上的多边形存在不同高度的节点。

• 1. 虚拟地球软件的评价结果

软件的评价过程如上所述，得出结论：Cesium是对于构建三维水相关数据分析整合平台较好的方式。

Cesium较其他平台系统的关键优势在于：它是免费并且开源的；它不仅基于浏览器端、跨平台不需要任何下载；Cesium快速且精度优秀；Cesium只读并且有开发者的活跃社区拓展软件；Cesium支持购买GOCAD模型和其他GIS标准的数据；Cesium支持地下三维数据展示和交互。Cesium也是基于WebGL，其3D接口是当前浏览器端最先进的三维格式构建。Cesium也可以从OGC标准的地图服务上可视化数据，并绘制ESRI等产品格式的矢量数据。最后Cesium支持时间序列的动画数据。

Cesium最大的优势是其为“地面堆”的特有插件，使得用户定义的矩形区域能够带有空间的可视化属性。这个特点是由NICTA在三维空间数据中对地下水建模使我们本次选择Cesium的主要原因。

1. 系统设计与实现

根据基本可视化平台的软件选择，下一步将涉及到后端数据库的设计和整体系统架构。图2中提供了系统架构视图中的高级层次。它主要包括三个部分：

• PostgreSQL数据库，储存地下水的索引与基线评估数据集和CSG公司的钻孔数据。
• Cesium是一个三维可视化平台，使地下水化学资料与地质地层的“地推”三维可视化，与WebGL运行的浏览器兼容，如当前版本的Chrome或Firefox。
• 可导入Cesuim的地质模型、地图数据和数字地形模型。

图 2三维水化学数据库的高层架构。

1. 数据库的建立和功能

对于数据库的组成过程分成下列几项：

1. 识别并获取相关数据集。
2. 执行数据集上的质量保证/质量控制。
3. 开发通用数据模型，将数据集映射到公共数据模型。
4. 开发脚本将数据上传到数据库中。
5. 实现搜索/过滤的数据集和检索/演示的结果。
   1. 相关数据集的选择与获取

下面的数据集被确定为最相关的和关键的集成在项目的第一阶段：

• 州政府地下水数据库（昆士兰政府2014）由国家政府开发并维护的公共可用的数据库（自然资源和矿山部门），包含了昆士兰的所有注册的水孔信息包括：地层，水化学，水位，钻孔套管信息，屏幕/穿孔深度。
• BBAD——由OGIA主办，在开发期间由CSG公司搜集的集成数据。公司通常都分配一组现有注册孔（已经在地下水数据库中）以及已经建立的新监测孔。它们需要提供数据，验证位置，套管信息，水化学成分，水高，并对每个深度的绘制。
• CSG数据（水位和化学数据）收集的CSG公司从天然气生产井和提供OGIA持续监控的一部分和合规检查过程。
• 地质（或地层）模型被使用是苏拉特超级模型，由OGIA的汉密尔顿，伊斯特勒、史里华和泰森等人开发。该模型利用了井资料、电缆测井和地平线标记，其工作流来自地面水影响评估的办公室。由此产生

  剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

  ---

  资料编号：[150507]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word