基于GeoStation的城市片區地質三維建模技術研究

張家尹，王國光,魏志云,李成翔,3，李小州

(1.浙江華東工程數字技術有限公司，浙江杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122；3.浙江省工程數字化技術研究中心，浙江杭州 311122；4.數字城市CIM技術浙江省工程研究中心，浙江杭州 311122)

0 引言

在城市的發展進程中，科技不斷賦予城市建設新的技術手段，其中以BIM(何清華等，2012)、CIM(包勝等，2018；華東勘測設計研究院有限公司，2019)、VR/AR、AI、多S、數字孿生等為代表的先進技術正在給城市的信息化、數字化、智慧化發展進程賦能，工程師們正持續探索新技術對于城市規劃、建設、運營的應用和價值(張元好和曾珍香，2015；周瑜和劉春成，2018；高艷麗等，2019)。作為工程數字化領域中重要內容，城市地質工作的數字化是實現數字城市乃至智慧城市的重要基礎條件，同時可以為解決城市中遇見的各類復雜地質問題提供重要的地質空間數據和數字化手段(吳沖龍等，2003；朱良峰等，2004a)，并為城市規劃、建設與運營等應用提供豐富的、全面的地質信息。城市地質三維模型的構建是城市地質工作數字化的核心內容之一。

依據建模的數據來源的不同，常用的地質三維建模方法主要包含以鉆孔數據為主的建模方法(朱良峰等，2004b；向中林等，2009)、以地質剖面數據為主的建模方法(明鏡等，2008；屈紅剛等，2008)、以多源數據控制為主的建模方法(何滿潮等，2003；薛林福等，2014；吳志春等，2016；何紫蘭等，2018；魏明等，2019)。總的來看，目前已有的地質三維建模方法更多地停留在構建地質三維模型本身，而不同的應用領域對城市地質三維模型的精度、幾何類型、數據互通等要求不盡相同(李青元等，2016；周潔等，2017；范宇等，2019)，海量的建模數據如何高效管理，城市地質三維模型如何應用更多的地質分析來為政府決策提供參考，這些問題都沒有得到非常好地解決。

開展城市片區地質三維建模工作，是城市地質工作數字化的一個重要內容，其目的包括但是不限于提供易于實現各種空間分析和空間數據挖掘的地質三維可視化精細地質模型(陳麒玉等，2016)、海量龐雜地質建模數據的高效管理、基于城市地質數據的地質圖件快速生成、與城市BIM平臺(張斌等，2018；牛作鵬等，2019)、CIM平臺無縫銜接，從而給城市發展規劃、建設、運營提供基礎地質資料和決策依據。

針對存在的問題和開展城市片區地質三維建模工作的目的，本文基于華東院自主研發的GeoStation地質三維勘察設計系統(以下簡稱“GeoStation系統”)(王國光等，2014a，2014b；王國光和李成翔，2015；魏志云等，2016)，設計一種城市片區地質三維建模技術方法，該方法首先按照采用地質勘察剖面作為地質拓撲剖面，然后使用地質拓撲剖面將城市劃分為若干城市區塊，其次使用GeoStation系統的地層自動建模功能獨立構建城市區塊模型，最后將城市區塊拼合為整體模型。GeoStation是華東院重點研發的地質三維勘察設計系統，其工作流程貫穿于勘測數據管理、三維地質建模、二三維出圖、模型計算分析展示等全過程之中，并與下序設計專業一體化融合。GeoStation主要特點包括：勘測數據遠程信息化、三維建模數據驅動化、插值算法集成化、二三維出圖自動化、CAD/CAE一體化、地質全信息模型移交數字化。文中所提方法集成在GeoStation系統中，并在某城市級BIM應用中進行應用，結果表明該技術方法可行，實現了海量龐雜地質建模數據的高效管理，構建的地質三維模型可滿足某城市BIM平臺數據要求(陳沉和王馳，2019)，為城市地理空間信息建模提供新的手段，也為其他城市開展數字化建設和智慧化管理提供范例。

1 技術方法

1.1 勘察數據準備

城市地質數據獲取的手段越來越多，得到的地質數據也越來越豐富。如何充分管理并使用多源多類別的地質數據，使不同來源的地質數據可以相互協同、充分應用，從而實現對研究區地質情況的客觀、準確的表達和認識，進而為構建精細化的城市地質三維模型提供優質的數據是當前面臨的重要課題。

本文基于GeoStation系統創建地質數據庫，實現工程地質數據的海量存儲、共享、管理、使用(王國光等，2014c；唐海濤等，2015，2017)，將基礎地質數據進行標準化處理，給城市片區地質三維建模準備良好的數據源，其中地質數據庫的數據管理功能如表1所示。

表1 地質數據庫的數據管理功能

勘察數據準備即指收集城市片區地質勘察資料，整理成計算機可識別的格式化數據。城市片區勘察資料收集包括地形圖、點云、等高線、鉆孔數據、地質勘察剖面、物探試驗數據、觀測數據等。勘察數據整理的目的是將地質數據標準化，本文中地質數據的標準化主要包括：地形面網格化、地層標準化、其他地質數據標準化。

地形面網格化指的是根據建模精度要求將城市片區地形面進行網格化，網格密度在城市片區內部均勻過渡，及時剔除冗余數據，保證數據轉換過程中不發生數據損失、目的是準確地表達地形幾何形態的同時，也能較好地參與后期mesh面擬合、mesh面剪切等計算，最終得到幾何圖形表達的地形mesh模型。基于GeoStation系統構建的地形面模型和地層模型均采用mesh(Blacker and Stephenson,1991；Blacker and Meyers,1993；Roger et al.,1996；馬新武等，2015)表示幾何形狀。

地層標準化是根據鉆孔數據建立城市片區地層的總層序，即城市片區所有揭露地層總的地層年代新老順序。研究區的勘探資料主要為鉆孔、地質勘察剖面、物探試驗數據、觀測數據等。為了保證建模數據源的一致性、正確性和完整性，針對未完成打鉆的鉆孔數據和鉆孔孔深與周邊鉆孔嚴重不一致的數據，或者鉆孔點與地層控制點不一致的數據，在地層標準化過程中要將這些不良數據剔除。不同的勘察單位，不同的地質人員對地層的認識不盡相同，對地層單元的標準化就顯得十分重要。該工作需結合實測的數據以及經過分析、推測、包含地質人員經驗的數據統一分析，整理成一套標準地層(圖1)，并按照GeoStation的標準地層數據庫結構(圖2)將標準地層錄入數據庫。后期可以不斷更新該標準地層。數據庫中所有的鉆孔數據都將基于該標準地層進行入庫工作(圖3)。

圖1 地層標準化流程示意圖Fig.1 Sketch showing flow of stratum standardization

圖2 GeoStation數據庫結構Fig.2 GeoStation database structure

其他地質數據標準化是指在完成了地層標準化以后，將海量的地質數據(包括鉆孔、物探試驗數據、觀測數據等)整理成格式化數據，按照GeoStation的數據庫結構錄入數據庫(圖2、圖3)。

圖3 鉆孔數據表結構Fig.3 Structure of drilling data

1.2 城市片區拓撲分區

城市片區的范圍一般比較大，一次性生成整個地質三維模型對計算機要求比較高，難度比較大。本文將城市片區的建模數據源分成多個區域，分塊處理海量數據，構建地質三維模型，一方面提高城市片區地質三維建模的精度和地質三維模型整體重構的效率；另一方面解決城市片區三維地質模型分區塊構建在區塊邊界處模型不一致的問題。城市片區可以被劃分為若干個城市區塊，每個城市區塊可包含一個或者多個城市單元地塊。城市片區拓撲分區的過程為：提取橫縱交錯的交通軸線的交點及軸線上的節點作為拓撲節點，拓撲節點依序相連構成拓撲邊界，拓撲邊界劃分的多邊形范圍構成城市區塊(圖4)。選擇交通軸線的交點及軸線上的節點作為拓撲節點主要是因為新城區開發進程中，交通路網的勘察工作一般都會先行開展，此時路網上的地質數據相對多一些，可以作為地質三維建模的初始數據，后期開發單元內開展的勘察工作繼續參與到城市片區地質三維模型更新中。本文的拓撲分區與一般分區不同之處在于，本文中的城市區塊在拓撲結構上須滿足以下相容條件：①所有的城市區塊不應獨立于相鄰城市區塊存在，須與其相鄰城市區塊有共邊關系；②所有城市區塊的外邊界應該是自封閉，即：區塊之間不是獨立的，區塊之間共享城市區塊界面地質剖面，實現區塊連續自封閉。其地質含義在于：(1)相鄰的區塊共享同一段地質剖面，每一個城市區塊在單獨構建地質三維模型中都有此地質剖面參與，相鄰區塊在使用插值算法構建地層界面時能完好銜接，不會造成兩側地層界面不一致，導致后續地層單元不能對應的情況，地質三維模型的精度和準確性更高；(2)對于后期地質模型更新，因邊界處有地質剖面控制，所以邊界處更新后的地層界面會得到控制，與相鄰的城市區塊地層界面依然能完好銜接，不影響相鄰城市區塊的地質三維模型。城市片區地質三維模型整體重構的效率得到極大提升，為城市片區規劃、建設、運營期間地質模型的維護打下堅實的基礎。城市片區拓撲分區后的城市區塊可以包含城市片區中的一個或者多個單元地塊。一般分區的方法多采用鉆孔資料生成的剖面、野外實測剖面、地震解譯剖面等各種剖面資料等地質資料作為分區的主要依據。本文在這些實測地質數據的基礎上，解譯出分區塊地地質剖面，而且在建模過程中將地質剖面線做加密處理，折線上有更多節點，模型精度更高，同時考慮分區后的區塊內部地質數據一起參與地質三維建模過程，充分利用可用的地質數據實現快速、準確構建地質模型的目的。

圖4 分區塊示意圖Fig.4 Sketch of block subdivision

1.3 城市區塊界面地質剖面繪制

完成拓撲分區后，就需要依據城市區塊分界面附近的勘察數據。結合地質人員的地質經驗，沿著所有城市區塊分界面繪制地質剖面，使鄰接的城市區塊共享一個地質剖面，鄰接的地質剖面地質線連續，且地質線賦予地質屬性，賦予的地質屬性即為GeoStation數據庫中標準地層信息。城市區塊分界面附近的勘察數據可能是鉆孔數據，也可能是地質剖面數據，兩種數據都可以在GeoStation中解譯成建模所需的地質線條數據，并直接參與后續步驟的地質曲面擬合，即按照由點成線、由線成面、由面成體的邏輯構建三維模型進行建模。

1.4 城市區塊地質三維建模與動態更新

此時，可以進行各區塊地質三維模型的構建。建模數據源包括直接從數據庫中讀取的所有鉆孔地層數據，以及在城市區塊分界面上繪制的帶有地質屬性的地質剖面，該地質屬性同數據庫中地層數據一致。鉆孔作為數據源構建單個城市區塊地質三維模型的算法已經集成在GeoStation系統中。本文在此算法的基礎上，加密邊界線條，使邊界線條向下與帶地質屬性的地質剖面線條求交，虛擬成與數據庫中數據結構一樣的虛擬鉆孔(圖5)，并與數據庫中實際鉆孔一起參與地質三維模型的構建。

圖5 地質剖面處理成虛擬鉆孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of processing geological section into virtual drilling1-虛擬鉆孔及編號；2-地層分界線1-virtual drilling and number; 2-stratigraphic boundary

自動建模過程中，需要提取完整層數據和非完整層數據，先根據每個城市區塊內的鉆孔地層數據和拓撲結構地質剖面建立地層總層序，亦即城市區塊內所有揭露地層總的地層年代新老順序。

完整層數據提取流程如下：對所有鉆孔地層數據和拓撲結構地質剖面上賦有地質屬性的地質線進行搜索，從第一個鉆孔的第一個鉆孔段開始，統計所有鉆孔中首次出現與第一個鉆孔當前鉆孔段的地層代號相同的鉆孔段的次數。若該次數與鉆孔個數相同，且城市區塊邊界上拓撲結構地質剖面上賦有相同地質屬性的地質線連續出現，則認為存在完整層數據，提取完整層的底部位置數據、最底層地層代號、起始鉆孔段序號集合、終止鉆孔段序號集合作為完整層數據。

非完整層數據提取流程如下：對地層單元的完整層分段進行遍歷，從地層單元的完整層分段中每一個鉆孔的起始鉆孔段和拓撲結構地質剖面上開始，找出地層序號最小的鉆孔段，搜索所有鉆孔中和拓撲結構地質剖面上與該地層序號最小的鉆孔段的地層代號相同的鉆孔段，將城市區塊界面地質剖面上部分賦有相同地質屬性地質線、部分鉆孔當前鉆孔段的終點坐標和地層代號定義為非完整層數據。

基于勘察數據和拓撲結構地質剖面，完成所有城市區塊地質三維建模，其中還包含地層界面的創建。通過地層單元數據，采用Kriging插值算法，擬合生成較光滑的地質曲面，包括完整層界面和非完整層界面。完整層界面指的是所有鉆孔及拓撲地質剖面所均揭露某地層的分界面，它是基于完整層數據創建。非完整層界面指的是所有鉆孔及拓撲地質剖面所部分揭露的地層分界面，對于地層缺失的鉆孔引入虛擬揭露點，對非完整層數據進行補充。該虛擬揭露點定在鉆孔地層缺失點位的上方，且高出距離為累計虛擬厚度，能對非完整層界面的空間形態加以約束，使地層非完整層實體在鉆孔之間的位置合理尖滅。

城市區塊地質三維建模是通過創建的完整層界面和非完整層界面，對原始地形體分別進行完整層實體切分和非完整層實體切分，并對切分后的地層

實體賦予地質和顏色屬性，最終完成地層模型的自動建模。

城市區塊地質三維模型動態更新是指先根據更新的鉆孔數據的幾何坐標遍歷查找其所屬的城市區塊，將更新的鉆孔數據與其所屬的城市區塊中已有的鉆孔數據整合，聯合城市區塊地質剖面上帶地質屬性的地質線，采用上述城市區塊地質三維建模方法完成有鉆孔數據更新的城市區塊地質三維建模。如果只是城市區塊內部有鉆孔更新，則只需再重新構建該城市區塊的地質三維模型，周邊相鄰城市區塊因為有邊界控制，無需更新其地質三維模型。如果城市區塊邊界處的地質剖面有數據更新，則需更新相鄰兩個城市區塊的地質三維模型。通過這樣的一種更新機制，可以實現局部地質三維模型的快速更新，這在城市開發進程中能夠非常快速適應海量地質數據的持續更新帶來的地質三維模型更新，而不至于在城市的不同開發階段都需要重新構建整個城市片區地質三維模型。同時，還可隨時追溯不同時期積累的地質數據源，將海量的地質數據進行高效管理并使用。

2 實現流程

上文所述方法已在GeoStation系統中實現，圖6為基于GeoStation的城市片區地質建模技術方法的實現流程。

圖6 地質三維建模技術方法的實現流程Fig.6 Implementation process of 3D geological modeling technology

首先將城市片區按照拓撲分區規則劃分成若干個城市區塊，在相鄰區塊界面上繪制共享的地質剖面，然后利用勘察數據和地質剖面進行所有城市區塊地質三維建模，最后通過無縫拼接進行城市片區地質三維建模。總的來說主要包括以下步驟：

勘察數據準備。收集城市片區地質勘察資料，整理成計算機可識別的格式化數據。城市片區勘察資料收集包括地形圖、點云、等高線、鉆孔數據、地質勘察剖面、物探試驗數據、觀測數據等。實現地質數據標準化。

城市片區拓撲分區。以城市片區內橫縱交錯的交通軸線作為分區邊界，按照拓撲分區規則和勘察數據充足條件，將城市片區管理的空間劃分為若干個城市區塊，每個城市區塊可包含一個或者多個城市單元地塊。

城市區塊界面地質剖面繪制。以城市區塊分界面附近的勘察數據為依據，按照傳統方式在所有城市區塊分界面上繪制地質剖面，使鄰接的城市區塊共享一個地質剖面，鄰接的地質剖面地質線連續，且地質線賦予地質屬性。

城市區塊地質三維建模與動態更新。基于勘察數據和拓撲結構地質剖面，完成所有城市區塊地質三維建模，當某個城市區塊內勘察數據發生變化時相應的地質三維模型動態更新。通過這樣的方法可以高效快速的更新城市片區的地質三維模型，將海量的地質數據高效的存儲、共享、管理、使用。

3 應用實例

3.1 工程概況

某城市片區為扇形區域，長度8.2 km，寬度2.1 km，面積17.22 km2，為填海造地形成。該城市處于新近填海區，地下淤泥層深厚、填石散亂，工程地質條件復雜。地下空間、地下環路、市政設施以及地鐵樓宇項目縱橫交錯，面臨地上地下群體性項目整體開發所帶來的諸多挑戰，且勘探孔分布不均勻，由多家單位施工，最大孔深81.8 m，最小孔深8.5 m，地質建模及模型更新難度極大。

采用GeoStation系統的地質數據管理模塊、地質剖面工具、地形體建模、地層建模系列工具實現某城市片區的地質三維建模。按照文中所述方法首先構建城市區塊地質三維模型，并將所有的城市區塊地質模型組裝在一起展示，同時展示部分地層信息(圖7)。構建的地質三維模型可與地理測繪、工程規劃基礎模型整理在統一的城市BIM平臺中展示(圖8)，構建了BIM+GIS一體化電子沙盤，真實反饋地上地下整體情況。該城市的所有地質數據可以存儲在統一的地質數據庫里，實現了海量龐雜地質建模數據的高效管理。構建的地質三維模型可滿足該城市BIM平臺數據要求，可進行二維圖件快速編繪、開挖方量統計、設計方案安全性分析等等，為城市的規劃、建設、運營期提供豐富的地質信息。后期可以持續補充收集城市發展進程中的地質數據，形成該區域城市級的地質數據檔案館，動態更新地質模型，為打造數字化和智慧化的城市打下堅實的基礎。

圖7 城市片區地質三維模型地層分層示意圖Fig.7 Stratigraphy layering of 3D geological model in urban area

圖8 BIM+GIS一體化電子沙盤Fig.8 BIM + GIS integrated electronic sand table

地質三維模型完成建模后，需要對其合規性、合理性、準確性、完整性等四個方面進行檢查。本文構建的地質三維模型參照行業標準進行審查，結果滿足要求。

4 結論

本文基于華東院自主研發的GeoStation地質三維勘察設計系統，設計一種基于拓撲分區的城市片區地質三維建模技術方法，該方法首先采用地質勘察剖面作為地質拓撲剖面，然后使用地質拓撲剖面將城市劃分為若干城市片區，其次使用GeoStation系統的地層自動建模功能獨立構建城市片區模型，最后將城市片區拼合為整體模型。

基于GeoStation系統的城市片區地質三維建模技術方法具有以下技術特點和優勢：

(1)多源海量數據控制的城市片區三維地質建模方法，兼顧了城市區塊內鉆孔數據和區塊之間的地質剖面數據，將多源數據作為城市片區三維建模的原始數據，解決了地質模型精度控制問題。

(2)基于交通路網軸線、地塊單元劃分對城市片區進行拓撲分區建立地質三維模型，符合城市劃分單元漸進開發和城市單元勘察深度不一致的實際工作情況。

(3)考慮了城市地質三維模型在城市勘察、規劃、建設、運維全周期過程中動態更新需求，通過方法中的更新機制，可以實現局部地質三維模型的快速更新，在城市開發進程中能夠快速適應海量地質數據的持續更新帶來的地質三維模型更新。

綜上所述，基于GeoStation系統的城市片區地質三維建模技術方法，實現了海量龐雜地質建模數據的高效管理，構建的地質三維模型可滿足某城市BIM平臺數據要求，使得城市片區地質三維模型表達的地質信息更加豐富，給未來城市地質工作提供更有力的參考。這為城市地理空間信息建模提供新的手段，也為其他城市開展數字化建設和智慧化管理提供范例。