城市区域三维地质结构模型建设与集成方法

2018-06-26张海龙

城市地质 2018年2期

李敏，刘钊，韩征，张海龙，张雪

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京100195）

0 引言

随着计算机技术的发展和二维GIS行业应用的深入，人们使用三维地质模型来展现真实世界的渴望越来越强烈。三维地质模型的优势在于能够直观直接地展示复杂的地理信息，同时具有强大的空间分析功能。随着地质信息化的发展，三维地质模型建设逐步进入成熟阶段。

近年来，地勘单位先后建立了一些三维模型系统，但每个地质工程独立建模，割裂了相互联系，缺乏地质工程的集成与联动机制。城市地质协同开发利用的需求更新推动着三维集成建模技术的不断发展，三维建模发展趋势由单个地质层表面建模向三维地质“体”模型的综合构建发展。本文以北京市通州区三维地质模型的建设为典型应用，充分利用不同的数据模型在描述不同空间实体所具有的优点将多个三维地质模型集成在一起，并通过三维地球方式进行地上地下一体化展示和管理，为提升城市地质成果的可视化表达提供新的手段和方式。

1 三维地质建模研究现状

国外的三维地质建模发展较早，美国、英国、法国等在理论研究、软件开发和实际应用等方面发展较为成熟，先后经历了从简单的线框建模、表面建模、块体建模到集成建模的发展阶段。国内对三维地学可视化研究起步较晚，但也做了大量有益的探索，近年来发展迅速，能够满足大多数三维地质建模的应用需求。

目前，一些城市已经构建了区域三维地质模拟系统，但仅仅是通过剖面进行三维模型的推演，难以实现地质、工程和特殊现象等的综合表达，且数据模型单一，地表、地层、地下工程模型独立建模，建模理论与方法的集成化程度较低。随着三维技术以及地理信息技术的发展，构建区域空间形态复杂、拓扑关系一致的整体区域模型集成展示系统成为研究热点。

2 三维地质模型的系统建设

2.1 数据梳理和标准化

由于地质数据及其应用本身所具有的几何形态和拓扑关系的复杂性、不确定性、信息不完备性、处理算法复杂等特点，使得数据梳理成为三维地质结构建模的难点和核心。针对不同来源、不同尺度、不同时间和不同格式的数据进行集成、管理和质量评价是地学三维建模的基础。

描述城市地质结构特征的数据，包括地面沉降、浅层地温能、隐伏构造等所对应的地质调查、钻探、物探数据，其格式多样、质量不一。因此，选取数据源后，要实现地质体的三维建模应首先进行基本地质数据的规则化处理，将所有数据规则化成单一的点、线、面、向量等基本的几何约束数据：筛选出所有可用的剖面数据、钻孔数据、地面沉降数据、等值线数据、DEM、正射影像图和地理底图数据，进行必要的数据转换、投影转换等预处理工作。

数据标准化主要包括对剖面数据、钻孔数据进行标准化处理，对地层沉降监测数据、水位监测数据、等值线数据进行格式转换及标准化处理，具体包括以下3个方面：

（1）标准化钻孔数据库建设

根据地质构造和岩性特征，以及广泛收集的遥感、物化探、钻孔、编录、测井、样品测试等资料，针对不同的工作精度（1∶500～1∶50万）、不同的建设用途（工程建设层、新生界、基岩等）、不同建模深度（0～50m、0～120m等）、不同范围（规划建设区、各区县、平原区、全市）、不同地质时代，按照统一的分类命名规则和钻孔概化规则对全部钻孔进行标准化处理，建立针对不同垂向比例尺的标准化钻孔数据库，采用关系型数据库进行存储，并将比例尺要素纳入空间数据仓库的组织结构中。

（2）基准钻孔库的建设

建立基准钻孔库的主要目的是根据不同的垂向比例尺，为已有钻孔资料的使用和区域三维地质的建模提供基准。具体方法，是在现有的标准化钻孔数据库中，优选具有代表性的、垂向可控制全段地层、水平上可控制特定地质单元的钻孔作为基准钻孔，并在区域内组成基准孔网。基准钻孔无须单独建库，仅针对元数据进行补充编录便可。

（3）基准剖面库的建设

基准剖面的主要作用是在基准孔网的基础上进行人工编绘，以作为建立三维地层结构的骨架。区域三维地质剖面需要由相互垂直的两组剖面图系完成，因此，不但需要考虑到钻孔之间的地层连接问题，还需要考虑剖面图之间的相互关系以及剖面图中沉积物的横向变化和相变。因此，应以基准孔网为标尺，利用大量标准化钻孔，邀请经验丰富的地质专家编绘对联合剖面进行绘制，并在此基础之上，为每条剖面添加多组坐标控制点，并以元数据的形式进行编录，以备后期与其他基础地质图件进行集成。

2.2 三维地质模型的建立方法

三维地质模型是地质结构三维展示与空间分析的基础，是对多种多样区域地质情况综合描述的关键手段，也是对原始数据进行检验的重要方式。常见的三维地质建模方法主要有∶ 基于钻孔数据的建模方法（朱良峰等，2004；Lemon et al，2003）、基于剖面数据的建模方法、基于多源数据交互建模方法（屈红刚等，2008）等。基于这些建模方法，通过局部的、精细的地质描述数据约束进行构建相应的地质界面模型，基于这些地质界面模型可以从区域地质格架中剥离出来各个地质体模型。

（1）钻孔建模

钻孔是最常见的地质勘察技术手段，从钻孔数据出发建立地质模型也是最常见和最基本的三维地质建模方法之一。对经过标准化的excel格式的钻孔数据进行入库，建立钻孔模型。通过钻孔坐标及分层数据，快速建立起地层分层的基本参考信息，建立地层面及地质体。本方法自动化程度极高，可用于大规模钻孔的快速建模。但这种建模方式交互程度低，一般只适用于简单的工程类模型，无法处理断层或倒转褶皱等复杂地质现象。

（2）交叉折剖面建模

本方法是通过引入剖面中空间要素之间的拓扑关系来生成基于边界表达的三维地质模型的方法，在用户少量干预下，可以建立绝大多数复杂地质模型。该方法主要包括剖面数据准备、地质界面建模、建模区边界面建模、地质界面修正及光滑、封闭成体五个步骤，不但实现了高精度三维地质模型的自动、快速构建，而且扩大了建模可利用的数据源，由更多的资料参与建模，构建的模型质量得以提高。

（3）多源交互复杂地质体建模

实际专业成果包括钻孔数据、剖面数据、平面地质图、等值线等多样化数据，因此不同地质体应采用不同建模方法，最后进行多模型融合，实现多源交互复杂地质体建模。具体方法，是从地质图、剖面图中提取断裂数据，生成的断层面控制着地层界线的伸展位置及范围（张院等，2015）。将复杂褶皱、透镜体、岩体等轮廓线插值填充生成体模型，嵌入在地质模型中，从而形成合理的复杂地质体模型。建模过程伴随着地质解译过程，数据丰富，模型精度高，交互程度高，能处理各类复杂地质情况，建模结果符合建模者设想。但该种建模方法处理数据较为复杂，建模过程需要较多的人工干预。

3 三维地质模型的集成

随着地质勘查的开发利用向大规模、大深度、综合化、网络化、立体化发展，迫切需要利用多种空间模型的整合，以实现对区域性地形的地上、地下一体化可视化分析，为地质资源环境承载能力评价提供技术支撑。

3.1 多专题地质模型集成

本文依托于自主研发的软件平台GeoBGS，建立了北京市通州区空间形态复杂、拓扑关系一致的三维地质综合展示分析系统。系统面积覆盖通州全区906km2（图1），集成了通州区多个专题三维地质结构模型。GeoBGS可显著提高海量三维空间数据高效管理的能力，满足三维地质结构模型的综合展示以及成果图件的叠加展示，可实现不同区域、不同比例尺、不同建设目标模型集成，可实现与BIM建筑信息模型的数据交互。

图1 通州三维地质模型展示系统Fig.1 Tongzhou 3D geological model display system

通州区域的各个专题三维地质模型的建设多采用多源交互复杂地质体建模方法：以基准孔网为标尺，以基准剖面为骨架，利用数据库中的大量标准化钻孔充实联合剖面的骨架结构，并参考地层剖面上地层的展布状态，采用样条法、双线性插值法、最小二乘法、不规则三角网法等生成每个地层的顶板曲面，然后使用DEM数据联合顶面曲面数据生成骨架内部的三维地质体。

系统地层结构涉及第四系、第三系和基岩。根据地质勘查研究的深度，从垂直上，分别对土壤地质环境、浅层地温能、地面沉降、地下水动态、地下水环境、隐伏构造和地热能等专题地质模型，叠加集成到通州三维地质模型展示系统中，进行一体化管理。各专题地质模型综述了通州区地质环境的二维空间位置、总体状态、调查研究历史、最新调查成果，实现了经典的地质剖面图，并在模型中叠加集成了地面沉降累积沉降量分布图、地下水环境质量分区图、土壤地质环境分区图、地下水位埋深等值线图、取样点分布图、监测设备、实景图片等信息。地面沉降地质模型实现了预测功能，隐伏构造地质模型具有详细的影响范围说明，并实现了断裂倾角的模拟仿真（图2）。

图2 专题应用地质模型Fig.2 Special subject application 3D geological model

3.2 地上地下一体化模型集成

为实现区域性地形的地上、地下一体化集成分析，基于三维地质综合展示分析系统和地表建筑模型、管线模型、规划模型等，采用StampGis平台可完成一体化模型，还原真实场景，实现传统的基础二维数据与城市三维建筑模型的一体化管理与显示，达到强大的三维可视化效果（图3）。

图3 地上地下一体化模型Fig.3 Integrated ground and underground model

如图4所示地上地下一体化集成流程。首先将三维地质综合展示分析系统进行数据导出，转换为一体化模型平台所需的三维地质模型格式。然后将现有模型按照设定范围进行裁剪，确保边界相契合。由于地表模型和地下模型坐标系统涉及了WGS84、北京54、北京地方等坐标系，因此，进行集成前需要进行空间配准，以确保模型可以在同一坐标系统下进行无缝集成。然后将全部模型转换至WGS84坐标系统。由于地表模型和地下模型采用的DEM版本不一致，造成地下模型的表层、第二层不能与地表形态完全贴合在一起，因此需要对地下模型进行拓扑修复，以消除地下空洞、剖面错误等问题。最后按照国标要求对底层纹理进行处理，以DEM为界面实现地上地下一体化模型的数据集成。

图4 地上地下一体化建模技术总体框架图Fig.4 Overall framework diagram of integrated modeling technology on ground and underground

系统具有基本的三维可视化和分析功能，包括：场景的放大、缩小、平移、旋转、单轴放大/缩小、配置可视化参数、地质体开挖仿真模拟，地上地下一体化空间分析、属性分析、统计查询、浏览展示等功能，支持钻孔的自动提取和任意剖面的切割分析，实现了全方位的地上地下三维建模（韩征等，2017），并将水位、沉降、浅层地温能等成果数据进行集成模型管理，为城市地质规划提供信息支撑（图5）。