城市三维空间地质数据库多元地学信息的构建法研究——以长株潭城市群核心区为例

毛 寅，曾玉清，贺安生，张 杨，范春玉

(湖南省自然资源事务中心，湖南 长沙 410000)

0 引言

城市地质作为地质工作的重要组成部分，是一项服务于城市规划、建设和管理的基础性工作。中央明确要求“要统筹城市地上地下建设，加强城市地质调查”，我国将以城市地质调查为先导，统筹地上地下，逐步将城市地下空间纳入土地利用规划并加强用途管制和完善使用权出让方式。国土资源部与中国地质调查局先后印发的《关于加强城市地质工作的指导意见》(国土资发〔2017〕104号)、《城市地质调查总体方案》(2017—2025年)都将城市地下空间三维调查作为重点工作之一，旨在查清城市地下三维地质结构，在三维地质建模的技术标准、技术攻关、技术应用等方面取得突破。因此，开展城市地质三维空间数据库建库研究，构建城市地质大数据共享平台，是实现城市地质数字化、信息三维可视化和服务网络化的坚实基础，可为城市的科学规划及可持续发展提供基础资料。

1 研究现状

三维地质建模技术起源于国外，最初应用于矿山管理和采矿设计工作中[1]。近些年各国将三维地质建模应用于城市地质调查、城市规划与建设等方面。加拿大通过三维地质填图调查盆地地下水，并进行了地下水的定量流动模拟[2]；英国系统地开展了国家级的三维地质建模工作，将1∶100万，1∶25万，1∶5万和1∶1万4种比例尺的地层模型框架无缝兼容到统一数据体系中，为城市地质调查、科学研究搭建了基础地质框架[3]；英国还通过整合三维工程地质模型和二维水文地质数据开展了伦敦 Earls Court 的城市地下空间总体规划研究[4]。

上海是我国最早开展城市地质数据库建设的城市，利用钻孔、地层平面分布图(含等值线)、剖面图等数据，采用地层分级划分的方式逐级建立三维地层实体模型，并根据钻孔中的各类测试试验数据、地球物理和地球化学数据建立了三维属性体模型[5-6]；广州采用人机交互的方法构建了较精细的基岩三维地质结构模型和第四系三维地质结构模型[7]；北京市、杭州市、合肥市均采用多元数据的使用问题、多方法集成和协同问题、多层次干预的问题“三多”的建模思路建立了三维地质模型[8]；福州市依据钻孔资料、遥感影像、数字高程模型及管网数据等建立了地下地质模型及地表精细模型，实现了地上地下的三维一体化[9]；重庆市利用多源地学数据构建地层包络面，建立了多基岩裸露的山区三维地质模型[10]；苏州市采用多地质数据约束下的层状地质体全自动建模技术，根据地质知识库约束条件和准则，结合地质学规律和数学算法模拟未知区域地质数据，建立了整个区域的地质模型[11]，并根据水文地质标准地层与第四纪标准地层的对应关系，建立了全区含水层与隔水层模型[12]。

2 城市三维空间地质数据库构建方法研究

2.1 建库方法选取

通过对国内外三维建模技术的研究，尤其是对国内城市地质三维建模方法的研究总结，国内多以计算机自动建模为主，采用数值分析模拟的方法构建三维地质模型，适用于小区域、地层构造简单的地区，对大范围或地质情况复杂的区域不能很好地反应实际地质情况。

项目组在长株潭雨湖区和天心区分别采用自动建模法和交叉剖面建模法开展了三维建模试点工作，其结果不能很好地反映丘陵地区的地质情况。因此，在实施长株潭城市群核心区地质资料信息服务集群化产业化项目中，全面集群了过去几十年积累的大量城市地质调查和工程勘察地质资料，以此为基础，利用多元地学信息开展了城市三维空间地质数据库建库工作。

2.2 建库方法

三维空间地质数据库建设不同于以工程地质钻孔数据为依据，采用数值分析方法(各种数学模型)构建三维地质模型，是基于大量第一手野外地质调查和大量钻孔编录获取的真实地质资料，经地质专业技术人员综合解译，构建符合当前研究区地质认识水平的三维地质实体，可借助计算机、大数据、云计算、GIS等现代技术手段进行可视化分析应用。

1)多元地学信息收集及数字化

收集资料包括：① 工作区最大比例尺的地质图，反映各地质体的地表空间展布关系；② 对应的实际材料图，补充区内产状信息；③ 最大比例尺的构造纲要图，反应断裂、褶皱构造的形态和空间展布，建立构造属性数据库；④ 数字高程模型，可快速建立地表三维地形；⑤ 工程钻孔资料，可校正深部各地质体的空间位置，反映特殊地质体。

2)剖面的选取及精度的确定

根据区内主体构造线方向确定平行剖面线走向。根据数据库精度要求或收集资料的精度，确定剖面线距和选用钻孔的点距。

3)选取钻孔并标准化

根据已确定钻孔点距优选钻孔，并对其标准化。

4)建立剖面图

根据选定的剖面线，按以下方法重构剖面图：① 以区域地质图、实际材料图、构造纲要图等面上区域性资料构建图切剖面；② 以钻孔数据为依据构建剖面图；③ 把上述两类剖面图综合在一起，相互校正，形成更加符合实际的综合剖面图。

5)构建三维地质体

根据相邻剖面图结合DEM数据和平面地质图的情况，构建三维地质体。

6)三维空间数据库精度评价

从钻孔数据库中选取没有参与三维地质体构建的钻孔从地层厚度、地层高程等几个方面对三维空间地质数据库进行精度评价。

3 在长株潭城市群核心区的应用

长株潭城市群核心区地处湖南省中东部、湘江下游，范围包括长沙、株洲、湘潭三市建成区和规划区，总面积4149 km2，为丘陵地区，地质条件较为复杂。

3.1 工作方法和流程

该区三维空间地质数据库建设步骤可分为数据准备、编制三维地质体的地层划分标准、布置剖面线、钻孔筛选及标准化、绘制地质剖面图、建立三维空间地质数据库等。

3.2 数据选取及剖面线布置

建库选取、使用的多元地学数据见表1。采用2 m×2 m格网的DEM数据来表达三维地质模型的地表形态；利用钻孔地层分层信息及1∶5万区域地质图数据库相互校正，建立全区1000 m×200 m网格的地质剖面图；根据1∶5万区域地质图，并参考1∶10万构造纲要图表达地层、地质构造在地表的分布形态。由于工程钻孔是建立三维空间地质数据库的主要依据，本次收集到的95.5%的工程钻孔深度都在0 m高程以上，因此本次三维地质建模底板都统一至0 m高程。

全区共布置剖面线83条(图1)。其中，以垂直主要构造走向即135°为剖面线方向，剖面间距1 km，布置了75条平行剖面；另选取了长沙市地铁1号线至5号线等8条重要工程线路作为本次建库的辅助剖面。

表1 建库使用的多元地学数据列表Table 1 A list of multiple geological data used in database construction

图1 剖面线布置图Fig.1 Profile line layout map1—三维建模范围 2—剖面线及编号 3—重要线路 4—河流

3.3 钻孔选取及标准化

剖面线原则上按200 m的间距选择钻孔。当钻孔密度较稀时，偏离剖面线50 m内可直接投影使用，偏离超过50 m可根据情况做短剖面插值。

根据精度要求及钻孔优选原则选取了7222个工程地质钻孔，并按照统一标准对其进行标准化。标准化主要是按地层时代的先后顺序统一钻孔中地层、岩性名称以及统改对应的颜色、花纹、地层代码。

3.4 标准剖面绘制

综合标准化的钻孔、数字高程模型(DEM)、基岩面的数字高程模型、1∶5万区域地质图数据库、1∶2.5万实际材料图、1∶25万构造纲要图等信息，相互校正，绘制标准剖面。

3.5 三维空间地质数据库建设

根据地表地质图、DEM、标准剖面构建地质实体。建成的长株潭城市群核心区三维空间地质数据库包含2266个地质体，数据量1.58 GB；在此基础上又细分了岩土体类型，建立了包含209类工程地质层，4305个地质体的三维空间工程地质数据库，数据量2.8 GB。

3.6 精度评价

数据库建成后，项目组随机选取了钻孔数据库中约10%，共计29507个实际孔与模型孔进行分层厚度、地层埋深误差分析，通过生成的误差等值线图来评价全区三维模型精度。按全区钻孔地层厚度误差生成的等值线图(图2a)，其计算结果平均误差为2.03 m，在主城区误差值较小，而在模型边缘部分，即宁乡县、长沙县、岳麓区西部误差较大。按全区钻孔地层埋深误差生成的等值线图(图2b)，其计算结果平均误差为2.58 m，与图2a类似，在主城区误差值较小，在模型边缘部分误差较大，这与钻孔分布的疏密情况大体一致。

图2 地层厚度误差等值线图(a)与地层埋深误差等值线图(b) Fig.2 Contour map of stratum thickness error (a) and stratum buried depth error (b)

4 结论

1) 本文基于已有地质调查成果、工勘资料，提出了通过收集资料并数字化、剖面的选取及精度的确定、选取钻孔并标准化、建立剖面图、构建三维地质体、数据库精度评价等6个步骤建立城市三维空间地质数据库的建库方法，并以长株潭城市群核心区为实例开展了建库工作，实现了内陆复杂地质条件建模。

2) 利用实际孔与模型孔分层厚度、地层埋深误差分析对建成的数据库进行了精度评价，形成的等值线图均显示主城区误差值较小，而在模型边缘部分，即宁乡县、长沙县、岳麓区西部误差较大，与钻孔分布的疏密情况大体一致。

本次建库所用数据多为城市建设多年来积累的资料，未增加其他工程地质实物工作量，对其他城市具有普适性及可操作性。采用本文提出的建库方法，实现了内陆复杂地质条件地区三维建模，但人机交互式建模对建模人员专业水平要求较高，且工作量较大，软件对复杂地质条件地区有限推断仍是目前亟待解决的科学难题。基于精度评价为数据库成果利用提供了可靠依据，若在城市新区适当补充工程地质工作量，即可大大提高整体城市地质工作水平。