城市三維地質建模方法研究*

張 源

(廣東省地質調查院，廣東 廣州 510080)

城市地質調查是一項服務于城市規劃、建設和管理的基礎性工作，目的是查明城市地質條件、資源狀況和環境承載能力等基本元素，為城市規劃建設和經濟社會發展提供重要的基礎支撐。黨的十八大以來，黨中央、國務院作出了推進生態文明建設和新型城鎮化建設的戰略決策，提出了“補齊城市地質工作短板”的要求。2017年，中國地質調查局發布《城市地質調查總體方案(2017-2025年)》，對新一輪城市地質調查進行了部署。

城市三維地質模型是城市地質調查工作最直觀的表達成果，是貫徹落實城市地質調查工作指導意見中的“一模、一網、一平臺”工作，補齊城市規劃、建設與管理的地質工作短板的重要一環。如何根據城市具體地質情況和已有的鉆孔、剖面、地質圖、地表高程、物探資料等地質調查成果數據，選擇合適的三維模型構建方法，實現二維地質資料向三維應用轉變是城市三維地質建模需要研究的問題。本文詳細論述了國內外三維地質結構建模技術研究現狀、城市三維地質建模的地質條件和建模數據源以及各種城市三維地質建模方法特點、適用條件和局限性，能夠為城市三維地質建模提供參考。

1 三維地質建模技術研究現狀

三維地質建模是指采用適當的數據結構在計算機中建立能反映地質構造的形態和各要素之間關系以及地質體物理、化學屬性空間分布等地質特征的數學模型。三維地質建模是一種基于勘探鉆孔、地質剖面圖、地質平面圖、地表等值線、物探資料等稀疏數據進行空間插值形成地質立體模型的三維可視化方法，其本質是一個用于模擬地下空間結構和地質現象的數學建模過程。

自1993年加拿大學者Houlding正式提出三維地學建模的概念以來[1]，各國學者對地質建模及地學信息可視化技術進行了深入的研究與探討，提出了一系列的建模算法。法國Nancy大學的J.L.Mallet教授提出了離散光滑插值(DSI)算法，并基于該算法研發了國際上最著名的三維地質建模軟件GoCAD[2-3]。DSI算法是三維地學可視化領域內里程碑式的技術，標志著三維地質曲面建模技術取得了重大突破。三維地質建模最先在油氣勘探、采礦設計和礦山管理中得到應用，然后擴展到其他相關領域，如水文地質 、工程地質、環境地質、城市地質勘探、城市地下空間管理等。經過多年的發展，國外在理論、程序開發以及實例應用等方面均取得了大量的成果，也開發出不少商業軟件，如GoCAD、Earth Vision、MineSight、Micromine、Surpac vision等三維建模軟件[4]。

國內關于三維地質建模相關的研究起步較晚，但近年發展迅速，并取得了一系列的研究成果。吳沖龍在90年代提出了盆地三維地層格架建模方法以建立沉積盆地的地質模型，隨后其團隊在基于鉆孔、剖面及多源數據的建模、矢量剪切技術等方面進行了深入的研究，并將其集成到了國產礦山建模軟件GeoView中[5-7]。潘懋研究了一種基于邊界表達的三維建模方法，通過剖面上空間要素的拓撲關系來生成地質體的邊界[8-9]。吳信才等基于TIN和TEN混合數據結構構建了早期的城市三維地質建模系統，探討了城市三維地質數據的采集、管理與發布等問題，其團隊逐漸發展了以鉆孔數據為主，融合DEM、地質平面圖、地質剖面圖等多源數據的自動建模方法，并將其集成到MapGIS軟件的三維建模工具中[10-12]。侯衛生針對地質模型的不確定性展開研究，采用熵權法分析建成模型的誤差，基于蒙特卡羅模擬研究地質模型中地層分界位置的不確定性[13]。郭甲騰將基于徑向基函數的三維隱式建模技術成功運用到礦山建模中建立三維礦體模型，并開始了基于SVM及其他分類算法的隱式建模的初步探索[14]。

2 城市三維地質建模特點

2.1 城市三維地質建模的地質條件

城市一般建立在地質條件良好、地基穩定的沉積層平原上，也有少數城市受地理條件等自然因素制約，建立在盆地、丘陵或低緩山地等區域上。城市三維地質建模的平面范圍一般是城市建成區和周邊的規劃區，面積通常為數百至數千平方公里。建模深度一般考慮是當前地下空間開發的主流深度范圍和工程地質鉆孔的一般深度范圍內，通常為數十米至百十米的量級。超過這個平面范圍和深度的建模一般只需要構建粗粒度的框架結構模型，作為城市三維地質模型的背景條件存在。

對于城市三維地質建模而言，城市淺層地質空間結構多為幾何形態簡單的第四系沉積層，其地質結構簡單，地層分布較為規則。第四系地層中最為常見的復雜地質現象為透鏡體，且當地層劃分到巖土名稱或更細的級別時，地層沒有固定的順序，地層重復倒序問題極為常見，而斷層褶皺等構造在城市地質的第四系沉積層中極少出現。當建模深度較深或第四系沉積層較薄時，會涉及到第四系以下基巖部分的地質體的構建。基巖中地質結構較為復雜，常存在斷層、侵入巖、褶皺等特殊構造。

城市三維地質建模的地層分層級別一般精確到巖性(或稱“巖土名稱”)，局部重點區域可以精確到巖土狀態級別，可以反映出土層的顆粒大小、密實度、可塑性等土層狀態，以及基巖地層的風化程度。框架結構模型一般只需精確到地質年代即可，通常以組作為地層劃分單位。

2.2 城市三維地質建模的數據源

用于城市地質建模的數據源一般有：鉆孔、剖面、地質圖、地表高程、物探資料。能直接反應地下地質情況的數據源主要是鉆孔和物探資料，而當前城市地質建模中的主要數據源還是以鉆孔數據，尤其是工程地質鉆孔為主，水文孔、地熱孔等其他類型鉆孔相對較少。這主要是因為城市建設活動需要以工程勘探為前提，大量的城市建設活動積累了巨量的工程地質鉆孔，國內大中型城市的工程地質鉆孔有數萬甚至數十萬數量級的情況極為普遍。而物探數據尤其是三維地震解譯資料在城市地質結構建模中有很大的應用前景，但物探數據來源較少，主要原因是物探技術難度較高，準確度和分辨率相比鉆探要差，不滿足工程建設的需要，所以物探資料積累較少。

在城市地質數據空間分布方面，城市三維地質建模工作廣泛面臨著建模數據分布不均衡的現象。在水平方向上，中心建成區由于開發力度大，獲取到的地質數據多、密度大，而新城區或尚處于規劃中的地區建設力度相對較小，建模數據少、密度小。同時，數據的采集往往是沿著規劃的路線進行的。在垂直方向上，靠近地表的淺層區域數據分布相對密集，而深部區域的數據難以獲取，因此數據較少甚至缺失，且越靠近地表，支撐建模的數據類型越多，數據精度越高。

3 城市三維地質建模方法

在城市地質調查工作過程中，獲取到鉆孔、剖面、地質圖、地表高程、物探資料等相關資料，可以應用于城市三維地質建模。根據利用的數據源，衍生出基于鉆孔、基于地質剖面圖、基于地球物理數據和基于多源數據融合等三維地質建模方法。各建模方法的特點、適用條件和局限性如表1所示。

表1 各建模方法特點、適用條件和局限性

3.1 基于鉆孔的建模方法

鉆孔數據真實客觀地反映了鉆探地點的巖性、地層、結構、構造等重要的地質信息，是地質工作開展的原始數據和重要支撐數據。鉆孔數據建模的核心是對鉆孔柱狀圖進行地層劃分處理和層面插值，即從鉆孔柱狀圖上獲取詳細的地層分布信息，再將相同地層的層面插值處理生成地層面。基于鉆孔數據的方法適合地質構造簡單的層狀地質體建模，自動化程度和建模效率較高，但模型精度受鉆孔分布影響很大，當鉆孔分布不均勻或建模區域地質構造比較復雜時，建成模型不能準確地反映斷層和褶皺等特殊地質現象。

3.2 基于剖面的建模方法

地質剖面圖是地質工作人員根據實地考察資料、地質經驗，或依據地質平面圖編制而成的二維圖形，用于直觀地表達地層分層和地質構造，是重要的地質成果圖。基于地質剖面圖的方法是通過人機交互方式在地質剖面圖上進行剖面間的地質層面拓撲重建或拓撲連線以生成地質模型。通過人機交互方式將地質知識和專家經驗引入到模型中，減少了地層信息和地質結構的不確定性，提高了建模精度，適用于地質結構復雜的地質體的構建。但由于人機交互方式需要大量的人工操作，剖面建模法建模效率較低。

交互式剖面建模可以理解為將二維矢量編輯提升至三維，只是依據軟件自動化程度的不同，可編輯的對象和編輯方式有所不同。建模精度和建模效率受建模人員的地質知識、數據精度、數據密度和軟件操作影響，但由于其交互操作中高自由度的特性，原理上可以將地質人員對建模數據的認識完全反映在模型上，可以適用于任何地質情況。

3.3 基于地質圖分區建模方法

地質圖是地質專家根據掌握的地形數據、鉆孔、剖面等地質資料，融入相關經驗及認識繪制而成的反應沉積巖層、火成巖體、地質構造等的形成時代的二維圖件。已知信息相對比較多，是人眼能夠直接觀察到的部分。第四系地質的地層一般具有上下的標準層序，建立地表第一個地層模型之后，剝離該層，剩下的地層的構建方法與原來的一致，因此可采用自上而下逐層剝離的方法進行模型構建，該方法即為基于地質圖的分區建模方法。

3.4 基于基巖產狀下推的建模方法

基巖產狀指的是基巖地質圖上巖層的延展方位，包含走向、傾向和傾角三個要素。通過基巖地質圖和圖面上的產狀信息，利用基巖產狀下推自動建模實現地質塊體的走向、大小及形態，自動完成塊體的三維地質模型構建工作，并反映建模區域內地層、斷層、褶皺構造的三維地質結構模型構建方法。

3.5 基于多源數據融合的建模方法

基于多源數據融合的方法綜合利用地質、鉆探、基礎地理等多源數據建立三維地質模型，多源數據的融合能夠較好地彌補單一數據源的不足，使得建立的模型更加符合實際地質情況。鉆孔數據和剖面數據的融合比較精確地確定了研究區的地層框架，地質圖和地表等值線的使用可進一步為研究區內存在斷層、褶皺等特殊地質現象的區域提供建模依據。目前主流的建模方法及軟件通常采用基于多源數據融合的建模方式，而如何有效地將不同維度、不同來源、不同表達形式的多種數據結合起來以表達城市地質的真實情況，是多源數據建模法的關鍵，也是各國學者一直研究的熱點問題。

4 結 語

本文詳細論述了國內外三維地質建模技術研究現狀、城市三維地質建模的地質條件和建模數據源以及各種城市三維地質建模方法特點、適用條件和局限性，取得如下結論：

(1)城市三維地質建模對象由簡單的層狀地質建模逐步轉入了含斷層、褶皺、透鏡體等特殊地質構造的復雜地質體建模，具有了解決復雜地質現象的建模方案；

(2)城市三維地質建模數據源由單一數據向多源數據融合階段過渡，以期能夠更好地融入專家經驗和地質知識；

(3)城市三維地質模型的精細程度不斷提高，不但能夠表達整體的地層格架，而且對于微觀的地質屬性、地質紋理的表達也成為了可能，由最初的靜態建模逐步發展為動態模擬與局部動態更新；

(4)物探技術在城市地質調查中的應用還有很大的進步空間，近年開始成為國內城市地下空間調查中的熱門研究方向，如何在城市三維地質建模中應用物探資料是下一步要研究的問題；

(5)城市地質調查數據在水平方向和垂直方向存在數據分布不均衡的情況，一方面需要盡可能地融合多源數據，另一方面需要選擇合適的建模方法或進一步優化現有建模算法；

(6)隨著城市地質調查數據的積累、城市范圍的擴大和大數據、云計算等IT技術的發展[15]，城市三維地質建模正經歷著從需要人機交互的顯式建模階段向自動化建模(尤其是隱式自動建模)階段過渡的發展歷程。