基于GIS 的三维水文地质建模及应用——以咸阳市为例

万晓明 ，凌丹丹 ，马国玺 ，马宇梅 ，万小红

（1.陕西省水工环地质调查中心，西安710068； 2.武汉中地数码科技有限公司，武汉 430073； 3.运城学院，山西 运城 044000）

随着我国城市地质工作需求的日益增长，运用现代信息技术手段，建立更加灵活直观的地质数据信息服务平台变得更加迫切。 因此，三维建模逐步成为城市地质综合信息平台技术体系中的重要组成部分。 国内外就三维GIS 建模方法、三维可视化技术、三维数据模型等方面展开了大量研究[1－7]。 自Houlding 提出地质体三维建模与可视化以来，三维地质建模的研究逐渐开展，将三维地质建模与城市地质工作相结合， 众多学者也取得了丰富的成果，主要包括地铁真三维地质结构模拟，三维地理信息系统可视化管理和分析，城市三维空间数据库建设与管理，城市环境的可视化研究，三维水文地质模型研究等等[8－13]。

三维建模（3D Geosciences Modeling）技术是以计算机为基础，在三维环境下将地层、构造及其他地质现象尽可能真实地展现出来的一种技术[14]。 三维地质建模技术不仅能对地质工作研究提供大量的数据支撑，让人们直观地了解地质状况，还能够辅助和支持地质行业的技术决策[15－16]。 目前按不同的分类依据，有接近30 种的三维建模方法[17]，如基于数据源、基于尺度、基于建模的动态性和基于研究工具等分类，其中基于数据源方法可分为基于剖面[18－19]、基于离散点[20]、基于钻孔数据[21－22]、基于地球物理数据[23－24]和基于多源数据[25－26]等。各个方法都有自己的优缺点和适用情况， 如基于钻孔数据建模，自动化程度较高，但难以解决含断层等复杂的地质地层建模问题；基于剖面数据建模，具有较多专家经验，建模速度快，但内部结构难以表达，遇到复杂的地层建模精度较低；基于地球物理建模可以反映深部地质状况，但资料获取复杂，无法人工干预，反映地质信息不够详细；基于多源数据建模可以弥补单一数据的不足，通过综合利用现有数据，从而较大程度的提高建模精度，是目前三维地质建模研究的热点。

本文依托咸阳城市地质调查项目， 在MapGis10城市地质综合信息平台的支持下，以水文地质剖面为基础数据，加入水文地质钻孔、水文地质图、地表高程等多源数据作为约束，由地质专业人员利用人机交互式单元分割－拼接建模方法， 构建300 m 以浅水文地质结构模型，为研究咸阳地区地下水文地质结构、地下水资源赋存特征提供了三维可视化的数据支撑。

1 建模方法选择与操作

根据城市建设需求，本次水文地质三维建模需充分揭示咸阳地区从地表到地下300 m 的水文地质结构，包括综合表达由基岩山、黄土丘陵、黄土塬、冲洪积平原和冲击平原构成的地貌类型；综合揭示咸阳地区的从元古界－新生界的地下地层分布；综合反映新生代复式地堑型断裂盆地中的不同方向断裂切错地质构造现象； 以及综合分析含水层、弱含水层与隔水层的岩性、结构、厚度及其空间变化，全面提升已有地质资料信息化服务水平。

平台方面， 选取MapGis10 作为搭建平台。MapGis10 具有加载数据快、功能强大、操作相对容易等优点，可以较好的完成咸阳地区水文地质三维建模的需求。

方法方面，根据前文所述，多种方法中基于多源数据建模的精度较高， 是目前较热的建模方法，而由于地质结构的复杂性、 地质现象的不确定性、数据的多源性等原因，选择人机交互建模代替纯自动化建模更有益于建模的准确性。

因此，根据咸阳地区的水文地质结构特点及需求， 依据MapGis10 城市地质综合信息平台的支持下的三维地质模型构建技术优势，最终选定以水文地质钻孔、水文地质图、地表高程等多源数据作为约束， 以人机交互式单元分割－拼接的建模方法进行咸阳水文地质三维结构模型搭建。 建模过程中，先根据建模区域的地质地貌特点， 利用地质地貌图、地形图、地质测试分析数据等资料刻画多条平行或者横纵交叉的剖面，将建模区域分割为若干个独立的单元，借助GIS 软件工具，人工辅助对独立的单元格进行三维地质填图，最后将单元格系统拼接，形成整个工作区的地质三维结构模型（图1），具体方法与操作如下。

1.1 数据收集

收集咸阳市水文地质和工程地质建模所需的数据， 整理成满足建模软件可使用的数据格式，主要包括图片、WORD 及纸质格式的水文、 工程钻孔数据；地下水位、水质监测井，城区供水井动态数据；地质地貌图、综合水文地质图、水化学类型、矿化度图等矢量图件数据；纸质水文、工程地质剖面图和剖面平面部署图数据；PDF 或WORD 格式成井报告数据等。

1.2 水文地质剖面预处理

在三维建模之前，需要对即将导入的水文地质剖面数据进行预处理，主要包括：

（1）水文地质剖面初始化制作：对于收集到的钻孔、监测井、水文地质图、地形地貌图、地质成果报告等，为了避免系统自动化生成剖面较“生硬”的现象，水文地质专业技术人员要结合自身丰富的地质工作经验在纸介质上刻画初始的水文地质剖面图，系统反应区域地表地形和地貌特征、地下地质和构造特征、地下水位变化特征、含水和隔水岩组分布特征等，形成剖面的边界线数据。

图1 复杂地质体交互式建模Fig.1 interactive modeling with complex geologic bodies

（2）图件矢量化：将纸质的水文地质剖面经过扫描成图，然后在MapGIS 地图编辑器中进行人工矢量化，对剖面边界线进行拓扑查错，再进行拓扑造区处理，形成矢量剖面数据。

（3）剖面区赋参数属性：结合钻孔数据，制定标准地层表，制作剖面区参数属性图例版，最终制作出带有标准化颜色、纹理和属性的标准地下水三维剖面数据。

其中， 本次建模剖面属性主要包括： 图元编号、地层序号、地质时代、地层岩性、岩性描述、是否含水、地下水类型、剖面代号和地层编码共9 个属性，这些属性最终传递至咸阳三维水文地质模型。

（4）制作钻孔轨迹线：根据剖面上钻孔信息，获取每条剖面导线的拐点和端点的横纵坐标值和地面高程值，最终绘制水文剖面的钻孔轨迹线。

1.3 三维交互建模

（1）剖面导入

三维建模是在二维剖面基础上建立的，本次建模以导入的交叉地质剖面为主体建模数据，控制整个建模区域的框架结构，内部以钻孔、地质剖面图、地层顶板等值线图、 平面地质图等多种数据源约束，完成研究区地下三维结构模型。

剖面数据主要是在垂直的折平面上反映地层的空间变换信息， 二维剖面入库建立三维剖面模型，需要三个要素：地层面文件、地层线文件和钻孔轨迹线文件[26]。 地层面文件与地层线文件可通过1.2 节预处理办法， 即由处理好的二维剖面直接获得（图2），钻孔轨迹线作为钻孔轨迹在剖面上的投影则通过收集的钻孔数据按1.2 节钻孔轨迹线制作方法完成。

二维数据入库前最重要的是对剖面数据进行一致性检查与平查处理。因为在没有导入三维空间之前，各剖面之间空间关系不够直观，而剖面上地层线的描述受到地质人员认知不同的约束，所以不能保证交叉处地层厚度和分层界线是一致的。 因此，需要进行剖面一致性检查，并在交叉处进行类似节点平查的微调处理，确保连接处地层类型完全一致。

剖面一致性检查就是在水文地质剖面中存在分层不相符或者有错位情况时， 参考相邻钻孔、地质剖面图、地层顶板等值线图、平面地质图等多种数据源信息，确定地层地下位置，以地面地形线为基准，由上向下检查，完成正确层位或者尖灭线的绘制。平查处理则是建模平台根据数据空间坐标信息，搜索一定区域内距离特别相近的点进行自动连接，二维数据入库检查后最终完成咸阳地区水文地质三维剖面模型（图3）。

图2 咸阳二维水文地质剖面图Fig.2 Two dimensional hydrogeological profile of xianyang

（2）断层的处理方法

当单元格内存在断层时， 必须优先构建断层面。 利用地质图和地层剖面上的地层线，形成网格内的断面；再利用断层面和剖面的约束来构建其他地层界面。

（3）分区交互建模方法

图3 剖面一致性检查处理Fig.3 consistency check of profile

分区交互式建模方法是在剖面划分的每个小单元格网内构面造体的过程，并采取层层构建的思想，自上而下（或自下而上）选择每一个层面的顶（底）部轮廓线进行构建。如果地层在某个或者若干个剖面单位格内尖灭，则结合钻孔、剖面、纸质资料以及野外勘查结果，确定尖灭线走势，构建地层顶底板，并封闭造体。

当每个单元格内地质界面构建完成后，将相同地层的地质界面进行闭合处理，生成单独的地质块体，每个块体都具有一定的地层属性（本次建模共包含 9 个属性如上 1.2 节所述）， 将单元格内具有相同地质属性的相邻块体进行合并，最终形成以地层为单位的地质体模型。这些地质体的属性是从弧段属性传递到面属性，再传递给块体模型的。

2 咸阳城市三维水文地质模型

按上述步骤，本次建模采用人机交互式单元分割－拼接建模方法，选用主要钻孔331 个，刻画19条骨架剖面和6 条外围虚拟剖面，将咸阳市及南部地区分成79 个单元格数据建立了水文地质建模。构建了包括潜水含水层、浅层承压含水层、深层承压含水层、泥岩夹砂岩裂隙孔隙水、隔水层等水文地质特征的三维结构模型，建模深度300 m，建模面积3714 km2，建立单个地质体要素1136 个，建模精度1∶50000。总体上，较好的完成了咸阳城市水文地质三维结构模型（图4，图5）。

图4 研究区水文地质模型－水文剖面－断层－钻孔综合展示Fig.4 The Comprehensive figure of 3D hydrogeological model，profile，Fault model and Drilling model

图4 为水文地质模型、水文剖面、断层、钻孔等综合展示效果， 图件左侧为整体水文地质模型，右侧为三维地质剖面模型，可以清晰看出颜色表示的地层岩性和地下水类型等信息，点击每个地层面都可以详细显示其属性内容，剖面模型内还加载了断层数据（红色切片）、钻孔数据（竖条状）以及位置数据（绿色地名）。图5 为水文地质模型与地表遥感综合展示，在搭建的三维地质模型上，加载地表遥感数据与位置数据（绿色地名）。图4 和图5 直观透明的显示咸阳市地形地貌特征和地下水文地质结构，深化地质工作者对咸阳市水文地质认识，帮助工作者及时掌握地下水环境变化信息，为地下水资源合理开发利用提供决策依据。

另外，隧道作为地下空间合理利用一个主要形式，也是本次建模中重要的成果之一。 本次建模提供了基于三维模型的隧道开挖模拟及漫游功能，三维模型隧道漫游支持对地质体模型的内部空间结构按线路进行展示，可以对感兴趣的路径、位置进行路径穿越模拟，可以自动演示，也可以点击观看隧道穿越的地层属性。

图6 隧道模型切割Fig.6 Tunnel model cutting

如图6a 为在三维模型中自定义的一条隧道（入口见蓝色圆圈）；图6b 为此隧道的详细信息，右侧为路径坐标表，包含横纵坐标及高程，图6b 中红点即所设路径的坐标点；下方为隧道所在地层属性表，包含地层序号、地质时代、地层岩性、岩性描述、是否含水、地下水类型、地层编码、剖面编号等信息。 点击隧道中任意地层面都显示其详细属性信息，依据隧道的走向、长度、深度等属性，通过对水文地质三维结构模型的切割、属性拾取和隧道的三维可视化， 可以实现对地下空间开发过程的模拟，综合评价地层结构变化对隧道工程的影响，具有一定的参考意义。

3 结论

（1）本文基于专业的GIS 平台，在咸阳地区地质背景下选用人机交互式单元分割－拼接的三维建模方法， 结合地质专家经验和野外实地勘探结果，最终成功构建了咸阳水文地质三维结构模型，以数字化形式还原了咸阳城市地下的水文地质面貌。

（2）本次构建的咸阳水文地质三维结构模型深度 300 m、面积 3714 km2的，建模精度 1∶50000。 模型每个地层面都包含图元编号、地层序号、地质时代、地层岩性、岩性描述、是否含水、地下水类型、剖面代号和地层编码共9 个属性，充分显示地下潜水含水层、浅层承压含水层、深层承压含水层、泥岩夹砂岩裂隙孔隙水、隔水层等水文地质特征。

（3）通过三维可视化技术系统提供的多样化的三维地质模型查询展示分析功能，为地质工作者研究咸阳地下水文地质结构特征， 支撑咸阳城市建设、合理开发利用地下空间和城市地质环境调查评价提供了科学的依据，本次建模的工作顺利完成也为其他城市开展类似建模工作提供借鉴。