基于多要素融合的南沙区真三维地质建模及应用

2019-07-05谭建辉周志远黄佳铭彭卫平

城市勘测 2019年3期

谭建辉，周志远，黄佳铭，彭卫平

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

1 引言

地质体中往往赋存着非连续性断层、覆盖层、褶皱和透镜体以及其他复杂地质构造特征，而以二维静态的方式描述其分布规律和构造形态，致使人们难以准确理解地下的地质状况。通常钻探是工程界了解地质状况的主要手段，但工程钻探资料是一系列空间分布不均的离散数据，对于城市规划和建设管理等非地质专业的工作者来说，难以通过这些数据达到精确的理解。因此，有必要采用更直观的方式描述地质体。地上与地下一体化三维地质可视化模型就是其中一种途径[1]。所谓地上地下一体化三维地质可视化模型，就是运用计算机技术，进行空间信息管理、地质学解译后，实现地上与地下三维模型的可视化[2]。

目前，将可视化技术应用于三维地质模型的软件主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，这些软件可应用于矿山模拟、开采评估、地质结构建模等领域，有些是通用型可视化系统，有些则是专门针对地质领域[3]。但对于大区域、复杂地质构造以及信息规范存储和管理等方面存在一定的不足[4]。而借助于ArcGIS的信息化管理技术，可实现不同工程地质信息的规范存储、有效管理和高效应用，同时也能为三维可视化提供数据支持。众所周知，三维地质建模的核心是精确拟合复杂的地质曲面，唯有得到符合勘察原始资料和地质解译的曲面，才能构建真三维地质的实体模型[5]。ItasCAD就是一个针对地球物理、地质工程应用的三维地质建模软件，其核心建模技术是DSI离散光滑插值技术，具有模拟非连续性和多值性地质界面，可根据约束条件构建复杂的褶皱、透镜体和非连续性的断层、覆盖层，且能根据地勘资料进行同步更新而不必重建模型的优势。

因此，本文基于ArcGIS平台实现空间数据库的管理和维护，调用DSI离散光滑插值技术的ItasCAD进行三维地质模型构建，最后再通过ArcGIS对模型进行三维渲染以及地上地下模型集成以及实现南沙区真三维地质实体模型的可视化、空间分析和应用，

2 南沙区基本地质概况

南沙区处于粤港澳大湾区的几何中心，位于珠江出海口虎门水道西岸，东与虎门隔海相望，西连中山市，是连接珠三角城市群的枢纽性节点。区内地层由覆盖层和基岩组成。经钻孔资料揭示：陆地面积占比最大的冲积平原主要由三角洲冲积土形成；低丘陵台地主要分布在南沙街道，某些孤丘由白垩系红色砾岩组成，而低洼区由第四纪河口相沉积物组成；中生代燕山运动使地台活化，形成的主要断裂有沙湾断裂、洪奇沥断裂、狮子洋断陷和万顷沙断陷以及大规模的岩浆活动；基底由古生界变质岩系构成，最老的为下古生界震旦系变质砂岩、板岩、片岩及硅质岩，分布于塘坑至南沙林场茸鹅山一带；加里东期的混合花岗岩分布于南沙深湾；大面积基岩为燕山期的细粒、中粒、粗粒(或班状)黑云母花岗岩，分布于黄山台一带以及黄阁的大山乸等地。

3 数据规范化入库

目前工程界常通过地质钻探等手段，在野外地质编录后，内业整理分析红纸和报表，绘制钻孔柱状图，再通过后期经验分析，得到连接各钻孔的地质断面图并编制勘察报告。对于大面积区域而言，各工程的地质资料是离散的且格式多样，不易于整合应用。而通过规范化统一格式使数据入库，具有格式统一、高效可靠、完整自同步等特性，是系统进行数据控制的最佳选择。城市地质调查数据规范化入库流程如图1所示。

图1 数据规范化入库流程图

根据研究区域，通过野外调查以及全面收集图形、图像、报告、数据等资料，并对资料进行系统的分析、整理及筛选。在此基础上，对属性类数据(柱状图、勘察报告附表)进行分类，编制属性表；其次对图形类数据(基岩地质图、地质构造图、水文系列图)进行矢量化，并数字化、配准校正后进行三维转换；然后，将建好的属性数据文件和编辑好的图形数据文件利用图元编号或特殊标识意义的关键字段进行挂接，按要求进行必要的分层处理，逐层进行拓扑重建，形成具有拓扑关系的多边形图层文件，并利用图形和属性一一对应的特点，对图形数据和属性数据进行全面检查和修改，直到全部对应。

资料来源类型表1

针对数据的存储形式与模型可视化的表现要求，可采用如下三种数据表：钻孔基本信息、分层信息表、地层属性表，其数据结构字段如表2、表3、表4所示。本次地质建模正是依据这三个链表数据进行。将规范化处理的数据整理成表文件，并且以点要素的方式导入ArcGIS里面，建立本模型需要的三维地质空间数据库，其最大的优点是使地质环境数据管理有序，使用方便，非常适合于城市规划管理工作者使用，但不足的是未能形成直观的三维模型，因此在建立上述数据库的基础上，若能再实现三维可视化模型，则将大大拓展其使用功能。

钻孔基本信息表表2

钻孔分层信息表表3

地层属性表表4

4 南沙区真三维地质实体建模

三维地质实体建模是一门通过空间信息管理理论研究地质实体的物理、化学属性数据及几何结构，并应用数字化可视技术对其进行真三维再现的科学与技术。广义的三维地质建模包括三维地质模型的生成、可视化、空间分析和应用等。

目前，国际上将可视化技术应用于真三维地质模型的系统主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，这些软件系统可应用于矿山模拟、开采评估、地质结构建模等领域，有些是通用型可视化系统，有些则是专门针对地质领域。其中ItasCAD就是一个针对地球物理、地质工程应用的三维地质建模软件，其核心建模技术是DSI离散光滑插值技术，具有能模拟非连续性和多值性地质界面，可根据约束条件构建复杂的褶皱、透镜体和非连续性的断层、覆盖层，且能根据地勘资料进行同步更新而不必重建模型的优势。

因此，本文基于ArcGIS平台实现空间数据库的管理和维护，调用DSI离散光滑插值技术的ItasCAD进行三维地质模型构建，最后再通过ArcGIS对模型进行三维渲染以及地上地下模型集成以及实现南沙区真三维地质实体模型的可视化、空间分析和应用，其建模流程如图2所示。

图2 三维地质实体建模流程图

4.1 地层面模型的构建

地层面模型的构建可采用ItasCAD软件的DSI离散光滑插值技术，调用基于ArcGIS建立的空间数据库，对离散的点数据进行插值计算形成连续的三维曲面，如图3所示。本次地层面模型的构建分为土层面模型和基岩面模型。

图3 地层面模型

地表面模型的构建，采用DEM面构建，构建地表面的数据源是具有高程值的地理数据，包括水系、等高线、边界等。在使平面比例尺与高程比例尺一致后，在软件中先将高程的线数据转换成离散点数据，再以离散点数据生成面，从而创建地表面。

土层面模型的构建，采用钻孔数据构建。首先将南沙区约1 000个钻孔的土层归纳为填土、软土、砂土、黏性土四种类型；然后将钻孔的每一个土层抽取作为一个空间采样点，其X、Y为钻孔坐标，Z值为孔深；再对同一层的采样点，分析是否连续分布或者尖灭，ItasCAD可通过建模算法对尖灭界限进行自动识别，自动生成尖灭层，如图4所示，图中地层3-1和7为尖灭层；最后按照ItasCAD软件的格式导入软件之中，进行离散光滑插值，生成地层面。

基岩面模型的构建，利用基岩地质图和地质构造图构建。从基岩地质图提取各地层边界线的离散点，从地质构造图中提取各断裂边界的离散点，设置好产状，导入ItasCAD，利用“点与产状”功能，构建基岩层面。

图4 尖灭处理示意图

4.2 地质体模型的构建

地质体模型由一系列的地层面模型封闭构成。由于ItasCAD构建出地层的顶面、底面、侧面在进行插值时，并未考虑边界条件和地层的分布范围，所以对于ItasCAD生成的地层面，需要再次导入到ArcGIS软件，运用ArcGIS的裁剪、连接等功能进行空间运算，从而生成闭合的三维地质体。然后，将所有单个地质体进行拼装，构成南沙区三维地质模型，如图5、图6所示。最后，运用ArcGIS强大的色彩渲染功能实现三维地质模型的可视化，如图7所示。

图5 地质体模型

图6 南沙区三维地质实体模型

图7 南沙区三维地质实体模型

4.3 地上与地下模型一体化集成

随着国家大力推进数字化城市的建设，地上与地下一体化三维可视化模型的集成势在必行。与传统三维地质模型相比，三维城市在立体层次、视觉效果等感官效果有着很大改进，也能提升城市地质调查工作成果可视化的表达能力。地上与地下模型集成的主要步骤如下：

(1)将基于3ds Max建立的地上精细模型转换成ArcGIS平台所需的三维模型格式；

(2)对地上模型进行坐标系统转换和空间配准，以确保地上与地下模型可以在相同坐标系下进行无缝集成；

(3)将地上与地下模型按照边界范围进行裁剪，并拓扑修复地下模型，以消除地下与地上模型不能完全贴合的问题。

按照上述步骤，即可实现地上与地下模型的一体化集成，南沙区地上与地下模型集成的效果图如图8所示。

图8 地上地下模型一体化集成

集成展示系统能够集成海量的异构三维实体数据，包括地下地质体模型、地下构筑物模型(管线、地铁、人防设施等)、地上建(构)筑物等。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、属性分析、统计查询、浏览展示、飞行漫游、动画生成等功能，支持地质体开挖仿真模拟、任意剖面的切割分析、地上地下一体化空间分析，可实现全方位的地上地下三维数据管理和应用分析。