三维地质建模方法在区域地质调查中的应用研究

2019-09-10易宗旺胡力心陈彬彬

三峡生态环境监测 2019年3期

易宗旺，胡力心，陈彬彬，邓帆

（1.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队，重庆 401120；2.重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆 400065）

传统的地质信息是基于二维形式如地质平面图、剖面图来表达[1]，不能直观地对地质关系进行展示,也容易造成某些特殊地质信息的缺失。随着地学信息化的发展，数学地质正向“数字地质”发展[2]。人们开始关注含有丰富地质地貌等信息的三维地质模型[3]。

目前常见的三维地质建模方法主要有地质填图（point routing boundary，PRB）数据建模、钻孔数据建模[4]、三维地震资料建模、剖面数据建模[5]以及多源数据融合建模[6]等。前4种建模方法为单一数据建模方法，不能够充分地显示出地质要素之间的关系。而多源数据融合建模方法基于地质、物探、化探、遥感等数据，所构建的模型准确性高，是三维地质建模的主要发展趋势[7]。

伴随着三维建模技术的日益成熟，建模软件也应运而生，并且在各个领域中取得了很大的成果。GoCAD 软件具有强大的三维建模、可视化、地质解释和分析的功能[8]。但GoCAD 按年授权，价格昂贵，且功能繁杂，需要一定的时间熟悉并学会使用该软件，前期准备所需时间较长，人力成本、时间成本过高。三维地质建模系统（Geo-BIM）是专门根据地质工程专业特点研发的三维建模软件。GeoBIM 集成了常用CAD软件、数据库软件、GIS软件和三维可视化与三维分析软件的优秀功能，实现了地质勘察、设计的三维可视化和信息化。GeoBIM 功能丰富，中文界面友好，具有较高的安全性。GeoBIM 支持多人任务同时进行，人员协作完成项目，可以节约大量的人力、时间成本，极大地提高工作效率。

本研究主要以重庆市潼南区为例，在利用GeoBIM 平台进行多源数据处理、空间建库等基础上，建立地表三维模型与地下三维模型，探索面向区域地质调查的三维地质建模工作方案与方法。

1 研究区地质概况

研究区域为重庆市潼南区。潼南区被列为第三批国家新型城镇化综合试点地区，其地质图如图1所示。该区域属盆地浅丘地貌，地势平坦，海拔高度300～450 m，相对高度在50～100 m。地貌以丘陵为主，局部为河谷、台地，可开发利用空间广阔。涪江、琼江贯穿该区域，水资源非常丰富，矿产以天然气和岩盐为主。

图1 重庆市潼南区地质图Fig.1 Regional geological map of Tongnan of Chongqing

研究区地层区划属羌塘—扬子—华南地层大区、扬子地层区、四川盆地地层分区之荣昌地层小区，仅出露中、新生界地层，为侏罗系中统沙溪庙组二段、上统遂宁组及第四系。地表出露地层均为沉积岩，区内出露地层主要为侏罗系中统沙溪庙组二段、上统遂宁组及第四系。研究区大地构造属上扬子陆块之川中前陆盆地潼南穹褶束，区内构造简单，主要为龙凤场向斜和中心镇背斜。

2 三维地质建模

2.1 三维地质建模总体思路

三维地质建模的总体工作流程如图2所示。首先收集资料并进行整理，将有用的信息，如钻孔数据等，录入数据库。其次建立模型，包括地表三维模型和地下三维模型，并分开进行建模工作。最终得到三维地质模型、模型数据库与成果图件。

图2 三维地质建模工作流程图Fig.2 Workflow of 3D geological modeling

2.2 多源数据收集和预处理

进行三维建模工作，首先需要通过实地调查测量、多部门跨领域收集资料。收集到的资料主要包含地形测量类、地质测绘类、工程勘察类、地质灾害类、物化遥资料，以及其他辅助资料。

收集的资料繁多来源不同，格式不一样，时间不同，坐标系统、投影参数、比例尺不统一[9]。通过人工整理，将有用的文档、图片、图件，如遥感图像、地形图、地质图、钻孔资料等进行分类，主要分为平面地质图、剖面图、钻孔资料、地形图、遥感图像。对整理出来的地形数据、地质测绘数据进行数据预处理。将钻孔图中的数据录入Excel 表，并保存以方便后续工作的开展。主要对地形数据与遥感影像数据、钻孔数据、剖面数据进行处理。

整理得到的地形等数据是二维的，通过处理对具有等密度性质的等高线赋高程属性值以此来进行三维化处理。根据地形结构特征和区域大小来绘制原始地形等高线图，通过高程的属性赋值后转成建模软件可使用的DXF 格式并且导入Geo-BIM软件中，研究区等高线图如图3所示。

图3 研究区等高线图Fig.3 Contour map of the research area

对于获取的遥感影像主要在ENVI 5.3 与Arc-GIS 10.0中进行图像预处理，包括辐射定标、大气校正、几何校正和地理空间坐标的配准等。其中，大气校正采用ENVI 自带的Flaash 模型，可以有效去除水蒸气、气溶胶散射与邻近效应的影响。地理空间坐标的配准通过ArcGIS 利用空间校正方法让遥感影像与DEM 的位置配准，使两者具有统一的空间坐标系。利用ENVI 5.3软件对处理后的遥感影像进行裁剪，得到适合研究区的遥感影像数据。

钻孔主要揭露地下深部地层和地质构造，整理出来的钻孔数据主要用于空间数据库建库。将每个钻孔的岩性分段数据单独提取出来，汇总到一起。剖面数据是从地质图上面提取的，采用人工操作，由地质专业人员结合实际的基岩厚度进行分层处理。

2.3 空间数据库建库

对地勘资料进行整理归类，整理出来的地勘资料共包含工程地质剖面图41 幅（比例尺为1∶200），勘探点（钻孔）103 个，钻孔柱状图103幅，其岩性主要为第四系素填土、粉质黏土以及侏罗系泥岩等。

将筛选整理出来的钻孔、地层岩性等信息整理录入Excel 表中。钻孔信息表主要含有钻孔编号、钻孔深度、钻孔坐标、孔径高程、钻孔时间等信息。钻孔分层表主要含有钻孔编号、泥层代号、泥层深度、强风化深度、中风化深度、钻孔所属区域等。将之前整理好的数据录入GeoBIM 的数据库。

2.4 三维模型建立

2.4.1 地表三维模型建立

地表三维模型建立是先将预处理后的地形数据以DXF格式导入GeoBIM中，经过计曲线高程差与首曲线高程差的设置、绘曲线高程差以及等高线的光滑程度的调整，由此生成潼南区内研究范围的地表DEM，叠加遥感影像生成地表三维模型，如图4所示。

图4 潼南地表DEM叠加遥感影像模型Fig.4 Model of surface DEM overlaid with remote sensing image for Tongnan of Chongqing

2.4.2 地下三维模型建立

地下三维建模与地表的三维建模技术有很大的不同[10]。地下三维模型的建立主要是对整个研究区域内的地层（岩层）进行划分，并主要利用曲面剪切与规则造面等的方法完成地下建模。

主要利用基岩的图切剖面与地质约束界线等地质数据构建三维地层模型，即“图切剖面+地质约束界线——地层实体”的思路。首先从地质图提取出地形等高线，预处理后导入软件，根据地形实际情况结合图切剖面与约束界线建立地下三维模型。具体过程是先将图切剖面正确放置相应位置，可根据获取图切剖面的端点坐标并在模型中建立钻孔线后生成勘探线，把预处理后的图切剖面导入相应正确的位置。将每层的图切剖面线条与相应层的地质约束界线以规则造面的方法拟合成面，从而建立相应层的基岩面。最后通过第四系约束界线裁剪地形面提取覆盖层上表面，根据勘探资料拟合具有相应高程的覆盖层下表面，并且以面面合并的方式形成覆盖层。

利用基岩约束界线裁剪相应层的遂宁层、砂体层、沙星层的基岩面，并且根据基岩的实际初露情况来围合每层的基岩面，再通过围合面转体即可构建出含体属性的每一层基岩。潼南区内研究范围的全局三维模型如图5所示，地下三维模型局部侧面图如图6所示。

图5 潼南区域全局三维模型Fig.5 Global 3D model of Tongnan of Chongqing

图6 潼南区地下三维模型局部侧面图Fig.6 Local lateral profile of 3D underground model in Tongnan of Chongqing

2.4.3 三维地质建模过程中的技术难点与解决方法

在各基岩面拟合时，由于初始建模时图切剖面网格间距较大，因此偏离约束界线控制的范围，拟合出来的效果不理想，如图7所示，这将会导致基岩面之间在局部区域出现穿插情况，可以通过简单辅助剖面方法加密局部区域，使穿出上表面的基岩面能够较好地拟合下去。另一方式就是在偏离约束界线控制较远地区域另加多条图切剖面，提高局部网格精度从而减少基岩穿插的情况发生，如图8所示。

图7 局部区域上下表面穿插情况Fig.7 Interlacement of upper and lower surfaces in local areas

图8 加密剖面拟合穿插层面Fig.8 Fitting interpolation layer of encrypted profile

在构建基岩围合面的过程中，会因为基岩上下两个表面形状复杂而导致计算机运算时无法较好地构建三角网，因此使用两面围合功能生成的围合面效果不理想，如图9所示。可以通过上下两个表面取边界线再加密，并且在上下两条线段密集的拐点处分别打断，保持两条线段的点顺序一致后再封闭，这样计算机才能够较好地连接两条边界线的点，从而形成较为准确的围合面，如图10所示。