厦门三维地质建模方法研究及其在工程应用

王丽芳(厦门地质工程勘察院，厦门 361008)

厦门三维地质建模方法研究及其在工程应用

王丽芳
(厦门地质工程勘察院，厦门 361008)

主要根据厦门城市发展的战略需求，针对厦门市社会经济在可持续发展过程中所遇到的资源、环境与安全等问题，在充分搜集与整合并数字化厦门已有地质勘察、调查等资料及成果的基础上，综合运用地质学、地球物理化学、钻探方法和计算机信息技术等手段，全面调查城市地质灾害点与地质地层环境，建立厦门三维可视化城市地质信息管理服务系统，实现全市地质数据的一体化多层次管理和三维可视化，为城市重要重点项目的规划、选线选址、勘察设计及施工建设与运营管理提供最基础的地质信息化资源与决策平台。

城市地质；三维地质建模；数字城市；地铁选线

1 前言

进入21世纪，信息化已成为实现厦门市政府决策、城市管理科学性、高效率的重要基础，部分行业已将信息化贯穿于整个政府工作的主流程。城市地质信息化工作已明显落后于其他行业(土地、水务、气象、公安等)。厦门自建国以来开展几十年的区域地质调查，完成了1∶20万、1∶5万区域地质调查、水文地质调查和工程地质调查。城市快速发展，建筑越来越多，开展过大量的城建工程、地下工程勘查，积累了海量的地下地质结构的资源数据，不同时期、不同单位完成的地质调查与研究成果分散管理，纸质及影像化保存状态制约了成果的利用效率。面对这些实测数据信息，地质技术人员提出如下问题：如何使用这些测得的数据，来推测利用该区域的各种地质研究信息[1]。面对大量的生产数据，地质学家将无从分析，并且他们习惯了用图件反映地质信息，自然希望能通过计算机统计出地质体分布规律。人们迫切希望对城市地下的地质条件和资源有一个更加清晰的认识和了解，希望通过建立新一代城市地质信息系统和进行信息集成来解决。三维地质可视化建模就是在这个背景下诞生并迅速发展，成为这些年来的研究热点[2,3]。

近10 a来，国土资源部先后在多个大城市启动了三维城市地质调查与信息化建设试点项目。试点城市均全面开展城市基础地质、工程地质、水文地质等地质环境调查工作，并建立了相应的地质信息系统[4]。而目前厦门市已开展“数字厦门”建设，是福建省首个城市地质调查项目，对促进厦门城市建设和经济社会可持续发展具有重要的作用。

2 厦门地质概况

厦门市位于福建省东南部，境域北纬24°23′12.7″～24°54′29.3″；东经117°52′53.8″～118°26′1.2″。全市陆地总面积1 573 km2，海域面积324 km2。厦门岛处于九龙江出海口的金门湾内，台湾海峡西岸的中段。台湾海峡是东北亚和东南亚海上交通必经之地，是“东北亚经济圈”和“东南亚经济圈”的结合部。

厦门市地处我国东南沿海，福建省东南部，九龙江北岸的沿海部分，背靠漳州、泉州平原，濒临台湾海峡，面对金门诸岛与台湾宝岛和澎湖列岛，自远古时为白鹭栖息之地而称“鹭岛”。

厦门全市由陆地和岛屿两部分组成，地势总体由北西向南东倾斜。陆地部分形成3个半封闭，向东南、西南敞开的海湾——马銮湾、杏林湾和同安湾。同安区北部的云顶山为厦门市最高峰，海拔高程1 175.2 m。南部岛屿星罗棋布，共有大小岛屿、岩礁52个。

厦门市港湾发育，海岸线迂回曲折，滩涂较发育。

厦门市所处的地貌类型为：构造侵蚀中低山、低山，侵蚀剥蚀丘陵、低丘、台地和堆积冲积阶地、洪积扇，冲海积三角洲、风积砂丘砂垅。

测区地层发育不全，仅出露部分中生界和新生界，出露面积占陆地总面积约五分之三。根据接触关系、层序、岩性、岩相、化石组合、火山喷发旋回及碳同位素资料，可分为上三叠统文宾山组、下侏罗统梨山组、上侏罗统长林组、上侏罗统南园组、第四系中更新统同安组、上更新统龙海组、全新统东山组和长乐组及第四系残坡积层。

研究区的地层结构复杂，第四纪松散层薄厚不均，基岩在地表出露时有发生。

3 三维地质建模方法研究

三维地质结构调查是厦门城市地质调查的核心工作内容，而三维地质结构调查的主要技术手段就是利用钻探、物探、实地调查和取样试验等，了解地质体的三维空间分布、结构及其特征。同时，通过利用三维模型的构建，直观反应地质体的空间变化。在本项目实施过程中，针对厦门三维建模的数据特点及建模要求，对模型建立所采用的数据源开展归并和数字化，并对建模技术进行多方多次论证，形成三维城市地质模型建立的完善的实施方案。

近年来,城市地质模型开发者不断研究发展，主要形成了以表面模型、实体模型与混合模型为基础的20多种空间建模理论[5-6]。为了较好地实现地质特征的三维可视化，地质模型的建立必须选用恰当的数据结构算法，并结合先进的计算机图形图像学技术，这样才能将地质特征以三维图像方式得以完整展示[8,9]。根据厦门市基础地质和工程地质特征，通过软件开发人员与专业人员的多次沟通，为了完成厦门市基础地质、工程地质三维模型的构建，通过整个项目组团队共同努力，系统研究了地质分区图约束下的多源地质数据耦合自动建模技术，开发了一系列的分区图构建、数据源检查、地质面构建、地质体构建、模型效果调整的工具，按照自上而下、由粗到精，先建大层，再建小层的思想进行模型构建。

3.1 建模的思路和过程

本文在建立三维地质模型中的主要思路为：每一层地层单独构建地质体，多层地质体构成地质模型。第一层由地表分区图和地形等高线建模。从第一层开始，上一层的底面作为下一层的顶面参与建模，根据顶面、钻孔数据和地层分区图(地质图)自动构建底面，然后将顶面、侧面和底面构成地质体(图1)。

具体建模过程如下：

3.1.1 实现地质分区图约束下的多源地质数据耦合的地表面地质子面建模

通过剥离当前需要处理的地质层，将后续地质表面建模转化为地表的地质子面建模。然后通过标准地层层序和地层分级两重循环，依次构建出所有地质体的地质子面模型；通过拓扑处理，构建出地层结构模型(图2)。

图1 地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模思路注：需要剥离地层L，以下都简称“地层L”。

图2 地层剥层示意图

3.1.2 出露到地表的地层子面构建(每次剥层以后形成的新的地表也是按照此方法处理)

(1) 河流地层：如果模型中包含河流，则将其作为标准地层中的最上面一层，根据河流的分布图和地形数据，构建河流的顶界面。

(2) 其他出露地层：根据地貌分区，在每个地貌单元内，找出其中的地形数据和钻孔出露地层顶界点数据，构建出露地层子面。

(3) 所有子面模型构建后，记录子面的上下地层属性，为后面构体做准备。

3.1.3 当前需要剥离地层L的确定方法

(1) 根据标准地层表的标准层序和当前建模的级别，自上而下，依次进行。河流地层为第一个需要剥离的地层。

(2) 地层L的顶板面在前面已经构建，底板面的构建方法：利用地层L的地层分区和钻孔底板点，构建地层L的初始底板地质面模型。

如果地层L是河流地层(将河流作为一类特殊的地层)，则根据河流的顶面和河床深度自动模拟出其底面模型。

(3) 如果地层L到达了建模边界，需要构建侧面模型。构建方法是将顶底面上下近似垂直连接。

3.1.4 地层L剥离后的处理工作

地层L剥离之后，又形成新的地表出露区，而且地层L的底板面将作为下一地层的顶板面的一部分。剥离时，需要进行的处理有：

(1) 地层L的底面的分割：根据地层L和M分区图的之间的切割关系，将地层L的地面分成两大部分A和B：A表示既是L的底又是M的顶，B表示是L的底和其他地层的顶。分割后，对地层L的地质体进行更新。

(2) 新的地表出露子面的确定：确定新的地貌分区单元。剥离地层L后，下一个地层M的出露地表的地貌分区单元会发生变化，地层M出露的范围会扩大，扩大部分用新的子分区表示。确定新的地表DEM曲面模型(由一系列的子面拼接而成，每个子面带有上下地层属性信息)。

3.1.5 下一级地层面的构建方法

在大层的地质体内构建这一地层的亚层地质体。这样可避免对其他地质体的干扰。

假设现有地层L1、L2、L3……，以地层L1为例。L1中有L1-1，L1-2，L1-3……。以L1为例，介绍其构建方法：

(1) 首先找出出露地表的DEM。L1的顶面即为地表的DEM。

(2) 地表的地质分区：由用户提供当前级别的L1-1、L1-2、L1-3……的地质分区图。

(3) 按照上述方法逐层构建顶底子面(保证拓扑一致)。

3.2 建模的基本要求

地质模型的建立过程中，在对地层和地质体分布特征进行分析处理时，应遵守基本的建模要求，否则将与工程地质实际情况相差甚远，地质模型的权威性与实用性将大打折扣。

(1) 模型地表面的地层与地表地形和地质剖面图要完全吻合

第四系沉积物地层因其具有标准的沉积层序，构建模型可采用自顶至底逐层剥离的方法，并要求处理好与地形图和剖面图的吻合关系。

(2) 某些地层的缺失要符合地层的沉积、搬运和侵蚀规律

在完全地质整合下，各个地层均按沉积序列规律分布，一般某一地层的缺失或尖灭，主要是由搬运或侵蚀作用引起的。因此在对缺失地层的分布特征和分界线进行插值和推断时，要充分考虑缺失地层在研究区的原始沉积序列和搬运侵蚀规律。

(3) 第四系地质模型的构建还要考虑基岩面约束作用

在研究区的不同地区，基岩面与第四系地层的相互位置关系各不相同。基岩面在某些地区会穿入第四系地质中，在别的地区又会出露到地表。故而在对第四系地层模型建立时还应充分考虑基岩面的约束作用。

4 三维地质模型的构建

提供自动建模工具，对陆域、海域整体建模，先建立第四系三维模型，再建立基岩三维模型；孤石、断层模型单独构建。基于钻孔数据，地层分区图，并约束地表地质图，构建陆域、海域第四系三维模型(反映成因类型与岩性)。在第四系模型的基础上，提取第四系顶面作为基岩面，并结合产状数据等，自动构建基岩三维模型。建模还考虑地层厚度与距离，进行自动尖灭处理；从上往下构建，当地层发生相交时，新地层切割老地层等其他规则。

4.1 建模工具开发

研发地质图、钻孔、分区图(细分到成因类型)共同约束的三维地质结构自动建模工具(一种全新的建模工具)。采用自顶向底的思想构建地层面，利用基于地质分区的三维地质快速建模方法的建模工具来构建工程地质1级、2级模型，通过这种方式，可以在今后地质工作中，随着数据的丰富和完善，能够及时重构更新模型，随时对模型形态进行快速调整。经过厦门地质工程勘察院专业人员共同的讨论和研究，最终厘定了厦门地区工程地质地层层序。

4.2 建模数据源

建模中需要利用到的数据包括：具有标准层序的钻孔数据、地表等高线、地层分区图(地质图)、剖面图、地层埋深等值线等(图3)。其中钻孔数据、地表等高线数据和地层分区图(地质图)是必需数据，各类数据用途如下：

·地形图数据——用于构建地表的三维曲面；

·地质图——反映地层在地表的分布情况；

·钻孔——反映钻孔上每个地层分界点的高程；

·隐伏地层平面分区图——根据钻孔的地层分界点的分布范围，结合其他资料等，绘制生成隐伏地层的平面分布图；

·地质剖面图——反映两个钻孔之间的地层连接规律，属于建模的可选数据；

·地层的标准层序表——根据建模区域地层情况，划分的标准地层，第四纪地层自上而下，有严格的沉积规律，老地层在下，新地层在上，地层一般按照地层成因和岩性分为两级。

图3 建模数据源之间的关系

4.3 地层分区图的绘制

地质图显示的则为出露地层，经判定，若完全出露，则地质图上显示范围就是该层的分区图；如果判定为隐伏地层或是部分出露，则需要根据实际情况利用系统提供的工具绘制那层地层分区图，每一层的顶面都由出露在地表的部分与上一层的底面构成。绘制地层分区图的工具可以根据剖面数据、钻孔提取地层界线，约束工作区边界、空洞区，通过地质专业人员人工筛选，生成可以编辑的地层分区图(图4)。

图4 地表地层分区图

4.4 数据源一致性处理

钻孔的孔口标高与地形的高程可能存在不吻合的情况。而三维地质建模要求地质面严格过地形等值线数据，也严格过钻孔的地层分界点，因此先必须保证数据的一致性。系统开发了数据源一致性检查的工具，使得专业人员可以快速检查出数据存在的问题，并开发出一些针对厦门数据特征的统改工具，辅助进行修改和调整，包括钻孔与地层分区图的一致性检查、钻孔与地质图的一致性检查、人工填土分布的检查、地层倒转数据的处理、地质图的更新。共提供如下几种数据检查工具：

·地层倒转统计工具

·钻孔与地层分区图检查工具

·钻孔与地质图检查工具

·人工填土分布检查工具：指定范围内的人工填土才考虑，其他均归并到下一层，并将地质图做相应的修改。人工填图按一层建立，再将吹填土、其他类型填土等用不同的属性和颜色区分。

4.5 构建三维模型

地质分区图约束下的多源地质数据耦合自动建模技术的主要思路：获得每一层顶面分区，利用“顶面边界+钻孔约束”构建底面，最后形成块体模型。根据开发的该建模工具，在本项目中，由系统根据提取出的4 000多个标准化后的建模钻孔自动生成各地层分区图，经过专业人员的校对和系统检查工具的检查与修改，再作为建模的约束数据参与建模。

为了更真实的反映厦门复杂的地层情况，研究区基础地质、工程地质各个建模区的三维模型均基于该方法完成三维模型构建工作，并首次建立松散层和基岩协调统一的地层结构模型如图5。

图5 松散层和基岩协调统一的地层结构一级成员模型

5 三维地质建模工程实例应用

三维城市地质建模在城市地质空间资源评价、在地铁选线和站台选址、地铁地下工程建设等领域具有很强的实用性。利用三维地质模型并叠加城市遥感影像，可直观定位查询地质信息，实现选址自动化，模拟钻孔打钻，节约成本，提高工作效率，更好的为城市规划建设服务。

5.1 在地铁选线和选址上的应用

对地铁线路比选及各车站选址，需要通过勘察手段和已有资料的收集来确定线路上的地质情况、地下水分布特征等工程地质信息来研究项目的可行性，并为地铁的设计提供最基础的一手资料。而刚建成的厦门三维城市地质信息系统将为地铁线路选线及各车站具体选址，提供较大的便利。

厦门三维城市地质信息系统在地铁线路选线及各站台具体选址上的应用主要有以下几个优势：

(1) 利用三维城市地质信息系统提供的“切剖面”功能，规划师在城市三维地质模型上按初步选定的地铁线路划线，就可以清晰地得到具体线路地下的地质信息，如图6和图7所示。这在城市地铁等线型地下空间线路比选中能发挥很大的作用。而利用三维城市地质信息系统提供的“隧道开挖模拟、隧道漫游”等功能，规划设计师在模型平面图内按规划设计的路线设定对应漫游路径，就可以清晰直观地查看“沿途”的地质构造特征，见图8所示。这在地铁车站及周边商业配套等块型地下工程的选址及设计中作用巨大。通过城市地质信息系统能省去用于地铁项目规划时的可行性研究勘察和部分初步勘察工作所需的大量的时间和成本，能快速得到地铁线路上的地层地质情况、地下水情况、地质灾害点等情况，为地铁选线和站台选址高效地完成提供保证。

图6 服务于轨道交通安全

图7 模型沿地铁线路切割

图8 隧道开挖模拟、隧道漫游

(2) 及时发现和规避不良工程地质、特殊地质区域和不利的水文地质条件范围，为地铁线路选线及站台选址提供最优的方案，为地铁线路的初步设计、隧道支护及开挖方案提供最准确的勘察资料，并为今后地铁建设节约大量的时间和经济成本。

5.2 在地铁项目施工建设中的应用

在地铁项目施工建设中，地铁周边的地质构造分布及其特征的准确性和直观性对项目施工建设至关重要。如果对地质情况掌握不足或不到位的话，将会对施工质量造成较多安全隐患和施工安全事故。三维城市地质模型在城市地铁等地下工程施工建设中的应用主要表现如下：

(1) 利用三维城市地质模型，事先掌握地铁及其周边影响区域的地下水三维空间分布特征，可以提前做好降水、排水措施，可防止出现因地下水渗透所引发的安全事故，避免因地下水处理不当而拖延工期、浪费成本。

(2) 利用三维城市地质模型，掌握地铁及其周边影响范围的岩溶和土洞分布状况，可以事前设计出岩溶区的开挖及支护措施，有效地避免出现岩溶塌陷等事故，极大地节约施工成本。

(3) 利用厦门三维城市地质信息系统的“隧道开挖模拟”功能，可直接对城市地铁隧道等地下工程进行模拟开挖。结合相应模块，系统能便捷地提供具体开挖支护方案、施工流水和所需工期的建议。

(4) 利用三维地质建模系统的“虚拟钻探”功能，人们就可以在地铁项目施工过程中所对应的具体任意位置实现“钻孔”，从而得到相应钻孔的地质分布情况。这种方法所需的成本几可忽略，而且简便快速，极大地提高了效率。

5.3 集美新城规划区上的应用

利用城市三维地质信息系统，建立规划区的三维地质结构模型(图9、图10)。通过此模型可快速获取规划区范围内的工程地质及水文地质分布特

图9 厦门集美新城规划区钻孔分布

图10 厦门集美新城规划区三维模型

点，全方位、较便捷地分析不良地质地层情况对地下基础工程建设的影响，提前评估拟建工程的可行性和安全性。为城市规划建设和重大工程选址提供基础性工程地质资料；为城市规划、建设和管理工作提供地质依据，避免重大工程建设的决策失误；为土地利用规划、城市规划建设、政府管理决策等提供强有力的地质支撑。

6 总结

三维地质模型与传统的二维图件及地质概念模型相比,在可视化及对地质结构的精确表达上都有着无可比拟的优势。它能更有效的帮助人们认清地质条件,方便交流,多方面地分析地质情况对地下建设开发的影响，快速了解规划工程的地质情况，对工程可行性进行评估，为城市规划建设和重大工程选址提供基础性工程地质资料，为城市规划、建设和管理工作提供地质依据，避免重大工程建设的决策失误。因此,开展三维地质建模技术的研究有着重要的意义。

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作者简介：王丽芳(1985- )，女，汉族，工程师，2008年毕业于成都理工大学地质学专业，工作于厦门地质工程勘察院地环所，长期从事水工环地质、三维城市地质研究等工作。E-mail：403848668@qq.com

RESEARCH ON 3D GEOLOGICAL MODELING METHOD IN XIAMEN AND ENGINEERING APPLICATION

WANG Li-fang
(Xiamen Institute of Geological Engineering,Xiamen 361008,China)

In this paper, according to the strategic needs of sustainable socio-economic development process in Xiamen, resources, environment and safety issues have been met. In base of fulling collection and integration and digitized the already existing geological investigation, survey and other data in Xiamen, the integrated use of geology, geophysics chemical, drilling methods, and computer information technology and other means, a comprehensive survey of urban geological hazards and geological formations environments, established geological information visualization management service system in Xiamen city, the city's geological data integrated multi-level management and 3D visualization have been implementation, for the planning of important urban projects, lines selection and sites selection, geological investigation, design and construction of the building and operations management providing the most basic geological information resources and decision-making platform.

urban geology； three-dimensional geological modeling； digital city； metro lines selection

1006-4362(2016)04-0084-07

2016-09-19改回日期： 2016-10-17

X3;P642

A