城市區域三維地質結構模型建設與集成方法

李 敏，劉 釗，韓 征，張海龍，張 雪

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市地質礦產勘查開發局，北京100195）

0 引言

隨著計算機技術的發展和二維GIS行業應用的深入，人們使用三維地質模型來展現真實世界的渴望越來越強烈。三維地質模型的優勢在于能夠直觀直接地展示復雜的地理信息，同時具有強大的空間分析功能。隨著地質信息化的發展，三維地質模型建設逐步進入成熟階段。

近年來，地勘單位先后建立了一些三維模型系統，但每個地質工程獨立建模，割裂了相互聯系，缺乏地質工程的集成與聯動機制。城市地質協同開發利用的需求更新推動著三維集成建模技術的不斷發展，三維建模發展趨勢由單個地質層表面建模向三維地質“體”模型的綜合構建發展。本文以北京市通州區三維地質模型的建設為典型應用，充分利用不同的數據模型在描述不同空間實體所具有的優點將多個三維地質模型集成在一起，并通過三維地球方式進行地上地下一體化展示和管理，為提升城市地質成果的可視化表達提供新的手段和方式。

1 三維地質建模研究現狀

國外的三維地質建模發展較早，美國、英國、法國等在理論研究、軟件開發和實際應用等方面發展較為成熟，先后經歷了從簡單的線框建模、表面建模、塊體建模到集成建模的發展階段。國內對三維地學可視化研究起步較晚，但也做了大量有益的探索，近年來發展迅速，能夠滿足大多數三維地質建模的應用需求。

目前，一些城市已經構建了區域三維地質模擬系統，但僅僅是通過剖面進行三維模型的推演，難以實現地質、工程和特殊現象等的綜合表達，且數據模型單一，地表、地層、地下工程模型獨立建模，建模理論與方法的集成化程度較低。隨著三維技術以及地理信息技術的發展，構建區域空間形態復雜、拓撲關系一致的整體區域模型集成展示系統成為研究熱點。

2 三維地質模型的系統建設

2.1 數據梳理和標準化

由于地質數據及其應用本身所具有的幾何形態和拓撲關系的復雜性、不確定性、信息不完備性、處理算法復雜等特點，使得數據梳理成為三維地質結構建模的難點和核心。針對不同來源、不同尺度、不同時間和不同格式的數據進行集成、管理和質量評價是地學三維建模的基礎。

描述城市地質結構特征的數據，包括地面沉降、淺層地溫能、隱伏構造等所對應的地質調查、鉆探、物探數據，其格式多樣、質量不一。因此，選取數據源后，要實現地質體的三維建模應首先進行基本地質數據的規則化處理，將所有數據規則化成單一的點、線、面、向量等基本的幾何約束數據：篩選出所有可用的剖面數據、鉆孔數據、地面沉降數據、等值線數據、DEM、正射影像圖和地理底圖數據，進行必要的數據轉換、投影轉換等預處理工作。

數據標準化主要包括對剖面數據、鉆孔數據進行標準化處理，對地層沉降監測數據、水位監測數據、等值線數據進行格式轉換及標準化處理，具體包括以下3個方面：

（1）標準化鉆孔數據庫建設

根據地質構造和巖性特征，以及廣泛收集的遙感、物化探、鉆孔、編錄、測井、樣品測試等資料，針對不同的工作精度（1∶500～1∶50萬）、不同的建設用途（工程建設層、新生界、基巖等）、不同建模深度（0～50m、0～120m等）、不同范圍（規劃建設區、各區縣、平原區、全市）、不同地質時代，按照統一的分類命名規則和鉆孔概化規則對全部鉆孔進行標準化處理，建立針對不同垂向比例尺的標準化鉆孔數據庫，采用關系型數據庫進行存儲，并將比例尺要素納入空間數據倉庫的組織結構中。

（2）基準鉆孔庫的建設

建立基準鉆孔庫的主要目的是根據不同的垂向比例尺，為已有鉆孔資料的使用和區域三維地質的建模提供基準。具體方法，是在現有的標準化鉆孔數據庫中，優選具有代表性的、垂向可控制全段地層、水平上可控制特定地質單元的鉆孔作為基準鉆孔，并在區域內組成基準孔網。基準鉆孔無須單獨建庫，僅針對元數據進行補充編錄便可。

（3）基準剖面庫的建設

基準剖面的主要作用是在基準孔網的基礎上進行人工編繪，以作為建立三維地層結構的骨架。區域三維地質剖面需要由相互垂直的兩組剖面圖系完成，因此，不但需要考慮到鉆孔之間的地層連接問題，還需要考慮剖面圖之間的相互關系以及剖面圖中沉積物的橫向變化和相變。因此，應以基準孔網為標尺，利用大量標準化鉆孔，邀請經驗豐富的地質專家編繪對聯合剖面進行繪制，并在此基礎之上，為每條剖面添加多組坐標控制點，并以元數據的形式進行編錄，以備后期與其他基礎地質圖件進行集成。

2.2 三維地質模型的建立方法

三維地質模型是地質結構三維展示與空間分析的基礎，是對多種多樣區域地質情況綜合描述的關鍵手段，也是對原始數據進行檢驗的重要方式。常見的三維地質建模方法主要有∶ 基于鉆孔數據的建模方法（朱良峰等，2004；Lemon et al，2003）、基于剖面數據的建模方法、基于多源數據交互建模方法（屈紅剛等，2008）等。基于這些建模方法，通過局部的、精細的地質描述數據約束進行構建相應的地質界面模型，基于這些地質界面模型可以從區域地質格架中剝離出來各個地質體模型。

（1）鉆孔建模

鉆孔是最常見的地質勘察技術手段，從鉆孔數據出發建立地質模型也是最常見和最基本的三維地質建模方法之一。對經過標準化的excel格式的鉆孔數據進行入庫，建立鉆孔模型。通過鉆孔坐標及分層數據，快速建立起地層分層的基本參考信息，建立地層面及地質體。本方法自動化程度極高，可用于大規模鉆孔的快速建模。但這種建模方式交互程度低，一般只適用于簡單的工程類模型，無法處理斷層或倒轉褶皺等復雜地質現象。

（2）交叉折剖面建模

本方法是通過引入剖面中空間要素之間的拓撲關系來生成基于邊界表達的三維地質模型的方法，在用戶少量干預下，可以建立絕大多數復雜地質模型。該方法主要包括剖面數據準備、地質界面建模、建模區邊界面建模、地質界面修正及光滑、封閉成體五個步驟，不但實現了高精度三維地質模型的自動、快速構建，而且擴大了建模可利用的數據源，由更多的資料參與建模，構建的模型質量得以提高。

（3）多源交互復雜地質體建模

實際專業成果包括鉆孔數據、剖面數據、平面地質圖、等值線等多樣化數據，因此不同地質體應采用不同建模方法，最后進行多模型融合，實現多源交互復雜地質體建模。具體方法，是從地質圖、剖面圖中提取斷裂數據，生成的斷層面控制著地層界線的伸展位置及范圍（張院等，2015）。將復雜褶皺、透鏡體、巖體等輪廓線插值填充生成體模型，嵌入在地質模型中，從而形成合理的復雜地質體模型。建模過程伴隨著地質解譯過程，數據豐富，模型精度高，交互程度高，能處理各類復雜地質情況，建模結果符合建模者設想。但該種建模方法處理數據較為復雜，建模過程需要較多的人工干預。

3 三維地質模型的集成

隨著地質勘查的開發利用向大規模、大深度、綜合化、網絡化、立體化發展，迫切需要利用多種空間模型的整合，以實現對區域性地形的地上、地下一體化可視化分析，為地質資源環境承載能力評價提供技術支撐。

3.1 多專題地質模型集成

本文依托于自主研發的軟件平臺GeoBGS，建立了北京市通州區空間形態復雜、拓撲關系一致的三維地質綜合展示分析系統。系統面積覆蓋通州全區906km2（圖1），集成了通州區多個專題三維地質結構模型。GeoBGS可顯著提高海量三維空間數據高效管理的能力，滿足三維地質結構模型的綜合展示以及成果圖件的疊加展示，可實現不同區域、不同比例尺、不同建設目標模型集成，可實現與BIM建筑信息模型的數據交互。

圖1 通州三維地質模型展示系統Fig.1 Tongzhou 3D geological model display system

通州區域的各個專題三維地質模型的建設多采用多源交互復雜地質體建模方法：以基準孔網為標尺，以基準剖面為骨架，利用數據庫中的大量標準化鉆孔充實聯合剖面的骨架結構，并參考地層剖面上地層的展布狀態，采用樣條法、雙線性插值法、最小二乘法、不規則三角網法等生成每個地層的頂板曲面，然后使用DEM數據聯合頂面曲面數據生成骨架內部的三維地質體。

系統地層結構涉及第四系、第三系和基巖。根據地質勘查研究的深度，從垂直上，分別對土壤地質環境、淺層地溫能、地面沉降、地下水動態、地下水環境、隱伏構造和地熱能等專題地質模型，疊加集成到通州三維地質模型展示系統中，進行一體化管理。各專題地質模型綜述了通州區地質環境的二維空間位置、總體狀態、調查研究歷史、最新調查成果，實現了經典的地質剖面圖，并在模型中疊加集成了地面沉降累積沉降量分布圖、地下水環境質量分區圖、土壤地質環境分區圖、地下水位埋深等值線圖、取樣點分布圖、監測設備、實景圖片等信息。地面沉降地質模型實現了預測功能，隱伏構造地質模型具有詳細的影響范圍說明，并實現了斷裂傾角的模擬仿真（圖2）。

圖2 專題應用地質模型Fig.2 Special subject application 3D geological model

3.2 地上地下一體化模型集成

為實現區域性地形的地上、地下一體化集成分析，基于三維地質綜合展示分析系統和地表建筑模型、管線模型、規劃模型等，采用StampGis平臺可完成一體化模型，還原真實場景，實現傳統的基礎二維數據與城市三維建筑模型的一體化管理與顯示，達到強大的三維可視化效果（圖3）。

圖3 地上地下一體化模型Fig.3 Integrated ground and underground model

如圖4所示地上地下一體化集成流程。首先將三維地質綜合展示分析系統進行數據導出，轉換為一體化模型平臺所需的三維地質模型格式。然后將現有模型按照設定范圍進行裁剪，確保邊界相契合。由于地表模型和地下模型坐標系統涉及了WGS84、北京54、北京地方等坐標系，因此，進行集成前需要進行空間配準，以確保模型可以在同一坐標系統下進行無縫集成。然后將全部模型轉換至WGS84坐標系統。由于地表模型和地下模型采用的DEM版本不一致，造成地下模型的表層、第二層不能與地表形態完全貼合在一起，因此需要對地下模型進行拓撲修復，以消除地下空洞、剖面錯誤等問題。最后按照國標要求對底層紋理進行處理，以DEM為界面實現地上地下一體化模型的數據集成。

圖4 地上地下一體化建模技術總體框架圖Fig.4 Overall framework diagram of integrated modeling technology on ground and underground

系統具有基本的三維可視化和分析功能，包括：場景的放大、縮小、平移、旋轉、單軸放大/縮小、配置可視化參數、地質體開挖仿真模擬，地上地下一體化空間分析、屬性分析、統計查詢、瀏覽展示等功能，支持鉆孔的自動提取和任意剖面的切割分析，實現了全方位的地上地下三維建模（韓征等，2017），并將水位、沉降、淺層地溫能等成果數據進行集成模型管理，為城市地質規劃提供信息支撐（圖5）。

圖5 地上地下一體化模型地下水場景Fig.5 groundwater scene of integrated ground and underground model

4 結論

（1）多源交互復雜地質體建模法的建模精度最優，適用于城市區域地質建模。

（2）城市地質三維模型的集成方法不勝枚舉，但采用一體化數據模型、一體化空間表達、一體化空間分析、一體化開發方式的集成設計，將會實現地上地下無縫漫游和深度應用，是未來的發展趨勢。

（3）在大數據、物聯網、云計算蓬勃發展的新時代，三維建模應順勢而為，借助于新一代的信息化技術，實現功能更為強大的模型建設。