基于多层DEM建立小比例尺三维地质模型的方法——以山东省滨州市沿海地区为例

逯光明，刘扬

(山东省地质测绘院，山东 济南　250002)

基于多层DEM建立小比例尺三维地质模型的方法

——以山东省滨州市沿海地区为例

逯光明，刘扬

(山东省地质测绘院，山东 济南250002)

在钻孔数据较少时，为提高小比例尺三维地质模型的精度，利用GMS软件根据多层DEM建立模型。该文通过分析实际条件下地层分布特点，提出了不同数据精度下DEM相交计算的原则。将修改后的DEM导入原模型中，再次插值形成三维地质模型。利用GMS软件得到的三维地质模型，具有可查询，可任意角度任意位置切割剖面的功能。

GMS软件；三维地质模型；钻孔数据；DEM地层；SOLID模块；TIN网格；山东滨州

引文格式：逯光明，刘扬.基于多层DEM建立小比例尺三维地质模型的方法——以山东省滨州市沿海地区为例[J].山东国土资源，2015,31(10)：79-82.LUGuangming,LIUYang.MethodofEstablishingSmallScale3DGeologicalModelBasedonMulti-layerDEM——SettingCoastalAreainBinzhouCityofShandongProvinceasanExample[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):79-82.

在地质勘察与稳定性评价中，三维地质模拟应用较为广泛。区域地质模型的建立往往需要大量的钻孔作为依托，而实际工作中，取得足够密度的钻孔资料很难实现。区域小比例尺的地层具有面积大、地质分层界线不清晰、地层连续性较差和透镜体较多等特点，在钻孔数据密度较小的条件下，单纯依靠GMS软件自动生成的模型与实际条件相差较大，难以满足生产及生活要求。该文旨在探索一种新的建模方法，针对沿海地区层状发育的特点，利用地层钻孔的属性数据建立地层DEM，通过实际情况修改DEM数据，形成符合精度要求的三维地质模型。

1　GMS软件

GMS软件(GroundwaterModelingSystem)是由美国BrighamyoungUniversity的环境模型研究试验室在综合MODFLOW，MODPATH等已有地下水模型基础上研发而成的。它能利用钻孔数据，建立一种平面延展到空间的地质模型或水文地质模型[1]。

BOREHOLE模块是GMS软件中的重要模块，它将钻孔数据集合管理，建立钻孔数据中相同地层的数据资料库，并通过插值数据库的同类数据生成地质体，以建立地质结构模型。由该模块建立的地质结构模型，依据钻孔资料进行插值计算，确定钻孔之间的地层展布情况，真实准确地反映地质结构[2]。

2DscatterPoint是用来管理离散点数据的模块。该模块可将钻孔资料中的同类数据归纳分类并进行管理[3]。在模块中，可通过不同的插值方法生成该地层的高程数据。

TIN(triangulatedirregularnet-works)即三角不规则网格，是表示相邻地层单元界面的面，它是由钻孔内精选的地层界面组成的[4]。多个TIN就可以被用来建立实体模型或三维网格。该文建立的地面TIN模型是选用相应的方法(如克里金法)将地面高程点(X，Y，Z)进行插值所得，得到地面高程TIN分布图。

Solid是GMS软件区别于其他同类软件特有的模块，它的功能主要是对地质结构体进行管理。在Solid模块中可根据需要分解和组合不同的层，在任意层位、任意位置切剖面，查看剖面上地层的展布情况，并可对模型进行空间上的旋转，从不同的角度观察模型结构[5]。

2　三维地质建模的数据整理

2.1钻孔布置

该文的工作区位于山东省滨州市沿海地区，总面积约760km2。钻孔数据是支持三维地质建模的最重要数据[6]。根据搜集的(包括工作区内地质报告及剖面图等)资料，将工作区内的钻孔数据调整为17个。17个钻孔深度均为20m，利用该钻孔建立深度20m的三维地质模型。由于模型区面积较大，深度较小，可视效果较差，因此，为达到层次清晰的可视效果，该模型将深度Z轴放大500倍。钻孔在工作区内的分布情况见图1。

图1　模型区内钻孔分布图

2.2数据调整

由于工作区面积较大，钻孔密度较小，GMS软件在生成地层时自动规避层序有误的地层，插值过程中，对于地层尖灭及出现透镜体的地层不予显示，因此需要通过手动修改调整生成的地层。根据钻孔实际情况，将海拔-20m至地表范围从上到下依次分为素填土、粉质粘土、粉土、粉砂、粉质粘土、粉土、粉砂、粉质粘土、粉土、粉砂和粉质粘土11层。将每个钻孔地层赋值为层序值(horizon)，并将钻孔数据输出为钻孔数据组。

地层中常常存在地层尖灭，为了描绘地层尖灭的特性，按照地层顺序，修改钻孔中地层层序值，将钻孔中地层缺失部分的层序值依序赋在相同位置。例如图2，钻孔A与钻孔B地层层序完整，而钻孔C缺失1～2地层，为使每一钻孔都有完整地层层序，该文将钻孔C中层序1的位置同时赋予层序2的值，以显示出1～2地层在钻孔C处的尖灭效果。依据上述原则，对17个钻孔中每一地层层序值(horizon)散点坐标及高程进行归类处理，分出11个含有相同层序值的数据组。

图2　钻孔层序值的赋值示意图

3　DEM的调整

利用2DScatterpoint模块，采用反距离加权法对整理出的11个数据组进行插值，形成独立的TIN，即相邻地层接触面的DEM。按照从上到下的地层顺序依次命名DEM为H11到H1，模型底层设定为-20m。由于插值后的地层相互交错，形成高低交叉的地层，不符合实际情况。因此，需要将TIN数据导出，手动修改出现错误的地层DEM。考虑到模型底层为-20m，将要修改的地层DEM分为3类。

3.1与地表DEM相交的其他DEM

由于地表DEM的生成数据是采用的遥感解译数据，精度较高，因此地表DEM与其他DEM采用“顶层为标准，下层交叉减头发”的方法对相交DEM进行减运算。

3.2与地层-20m相交的其他DEM

由于模型底层-20m为固定值，因此，插值后的地层深度大于20m的DEM采用“底层为标准，上层交叉减尾巴”的方法对相交DEM进行减运算。

3.3其他相交DEM

由于插值后的DEM精度都是相同的，因此采用“交叉求平均值”的方法进行平均值运算。将修改后的DEM数据导入GMS中，生成每一地层的TIN。由于地层模型厚度为20m，为达到较好的可视效果，本模型将垂向Z轴放大500倍(图3)。

图3　相邻地层接触面DEM图

4　地质模型的建立

利用生成的TIN建立地质模型，将H11作为地质模型的顶层，-20m作为地质模型的底层进行反距离加权计算，生成研究区的地质模型(图4)。该模型可以查询任意地层的展布情况，还可以查询任意剖面的形态及地层分布。按Z轴放大500倍，效果见图5。

图4　地质模型的建立

图5　任意切割的地层剖面图

5　结语

(1)GMS是一款集地质模型与水文模型于一体的建模软件[7]，地质模型作为水文地质模型的前身，其精确的建立成为保证水文地质模型准确的前提条件，地质模型能否准确建立直接影响了后续工作的进展程度。

(2)地质模型建立中，DEM建模方法是一种传统的较为成熟的方法，在构建小比例尺模型中，钻孔数据不足成为制约模型精准度的最大问题。利用钻孔数据对每一层进行插值计算，并根据实际情况修改DEM，是使模型精准度提高的最有效办法。

(3)该建模方法思路清晰，可操作性强，建立的模型能够很好地反应地层之间的相互关系，通过任意角度的剖面切割可以查询计算地层数据，为后续的数值模拟计算提供了很好的数据平台。该方法自动化程度较低，手动修改操作要求较高，还需进一步完善。

[1]方海东，刘义怀，施斌，等.三维地质建模及其工程应用[J].水文地质工程地质，2002，(29)：12-13.

[2]黄新迎.GMS软件在三维地质建模的测量应用[J].现代测量与实验室管理，2011，(4)：10-12.

[3]沈爱俊，李伟波，国洪艳.基于多层DEM与GTP混合数据模型研究与应用[J].软件导刊，2007，(11)：23-24.

[4]王李管，何昌盛，贾明涛.三维地质体实体建模技术及其在工程中的应用[J].金属矿山，2006，(2)：58-62.

[5]姜川，曲宝杰，董强，等.基于GIS的淄博市地质灾害预警预报系统建设[J].山东国土资源，2014，30(3)：89-91.

[6]张珊珊，刘志辉.基于多层DEM表面模型的地层结构的三维可视化[J].测绘信息与工程,2003，28(3)：14-15.

[7]程朋根，王承瑞，甘卫军，肖根如.基于多层EM与QTPV的混合数据模型及其在地质建模中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版)，2005，35(6)：806-811.

MethodofEstablishingSmallScale3DGeologicalModelBasedonMulti-layerDEM——SettingCoastalAreainBinzhouCityofShandongProvinceasanExample

LUGuangming,LIUYang

(ShandongGeologicalSurveyingandMappingInstitute,ShandongJinan250002,China)

Onthepremiseoflessboreholedata,inordertoimprovetheaccuracyofsmallscale3Dgeologicalmodel,multi-layerDEMmodelusingGMSshouldbeestablished.Inthispaper,throughanalysingdistributioncharacteristicsoflayersunderactualcondition,theprincipleofDEMintersectioncalculationunderdifferentdataaccuracyhavebeenputforward.AftermodifyingtheoriginalDEM,importingthemintotheoriginalmodel,andinterpolatingagain, 3Dgeologicalmodelhasbeenformed. 3Dgeologicalmodelhasthefunctionofcuttingsectionatanypositionandatanyarbitraryangle.Itshigheraccuracylayagoodfoundationforthenextstepofhydrologysimulation.

GMS; 3Dgeologicalmodel;boreholedata;DEM;SOLIDmodule;TINgrid;BinzhouinShandongprovince

2014-12-09；

2014-12-30；编辑：曹丽丽

逯光明(1965—)，男，山东临沂人，高级工程师，主要从事水文地质工程地质环境地质工作；E-mail：646959927@qq.com

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