基于GeoStation的城市片区地质三维建模技术研究

张家尹，王国光,魏志云,李成翔,3，李小州

(1.浙江华东工程数字技术有限公司，浙江杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；3.浙江省工程数字化技术研究中心，浙江杭州 311122；4.数字城市CIM技术浙江省工程研究中心，浙江杭州 311122)

0 引言

在城市的发展进程中，科技不断赋予城市建设新的技术手段，其中以BIM(何清华等，2012)、CIM(包胜等，2018；华东勘测设计研究院有限公司，2019)、VR/AR、AI、多S、数字孪生等为代表的先进技术正在给城市的信息化、数字化、智慧化发展进程赋能，工程师们正持续探索新技术对于城市规划、建设、运营的应用和价值(张元好和曾珍香，2015；周瑜和刘春成，2018；高艳丽等，2019)。作为工程数字化领域中重要内容，城市地质工作的数字化是实现数字城市乃至智慧城市的重要基础条件，同时可以为解决城市中遇见的各类复杂地质问题提供重要的地质空间数据和数字化手段(吴冲龙等，2003；朱良峰等，2004a)，并为城市规划、建设与运营等应用提供丰富的、全面的地质信息。城市地质三维模型的构建是城市地质工作数字化的核心内容之一。

依据建模的数据来源的不同，常用的地质三维建模方法主要包含以钻孔数据为主的建模方法(朱良峰等，2004b；向中林等，2009)、以地质剖面数据为主的建模方法(明镜等，2008；屈红刚等，2008)、以多源数据控制为主的建模方法(何满潮等，2003；薛林福等，2014；吴志春等，2016；何紫兰等，2018；魏明等，2019)。总的来看，目前已有的地质三维建模方法更多地停留在构建地质三维模型本身，而不同的应用领域对城市地质三维模型的精度、几何类型、数据互通等要求不尽相同(李青元等，2016；周洁等，2017；范宇等，2019)，海量的建模数据如何高效管理，城市地质三维模型如何应用更多的地质分析来为政府决策提供参考，这些问题都没有得到非常好地解决。

开展城市片区地质三维建模工作，是城市地质工作数字化的一个重要内容，其目的包括但是不限于提供易于实现各种空间分析和空间数据挖掘的地质三维可视化精细地质模型(陈麒玉等，2016)、海量庞杂地质建模数据的高效管理、基于城市地质数据的地质图件快速生成、与城市BIM平台(张斌等，2018；牛作鹏等，2019)、CIM平台无缝衔接，从而给城市发展规划、建设、运营提供基础地质资料和决策依据。

针对存在的问题和开展城市片区地质三维建模工作的目的，本文基于华东院自主研发的GeoStation地质三维勘察设计系统(以下简称“GeoStation系统”)(王国光等，2014a，2014b；王国光和李成翔，2015；魏志云等，2016)，设计一种城市片区地质三维建模技术方法，该方法首先按照采用地质勘察剖面作为地质拓扑剖面，然后使用地质拓扑剖面将城市划分为若干城市区块，其次使用GeoStation系统的地层自动建模功能独立构建城市区块模型，最后将城市区块拼合为整体模型。GeoStation是华东院重点研发的地质三维勘察设计系统，其工作流程贯穿于勘测数据管理、三维地质建模、二三维出图、模型计算分析展示等全过程之中，并与下序设计专业一体化融合。GeoStation主要特点包括：勘测数据远程信息化、三维建模数据驱动化、插值算法集成化、二三维出图自动化、CAD/CAE一体化、地质全信息模型移交数字化。文中所提方法集成在GeoStation系统中，并在某城市级BIM应用中进行应用，结果表明该技术方法可行，实现了海量庞杂地质建模数据的高效管理，构建的地质三维模型可满足某城市BIM平台数据要求(陈沉和王驰，2019)，为城市地理空间信息建模提供新的手段，也为其他城市开展数字化建设和智慧化管理提供范例。

1 技术方法

1.1 勘察数据准备

城市地质数据获取的手段越来越多，得到的地质数据也越来越丰富。如何充分管理并使用多源多类别的地质数据，使不同来源的地质数据可以相互协同、充分应用，从而实现对研究区地质情况的客观、准确的表达和认识，进而为构建精细化的城市地质三维模型提供优质的数据是当前面临的重要课题。

本文基于GeoStation系统创建地质数据库，实现工程地质数据的海量存储、共享、管理、使用(王国光等，2014c；唐海涛等，2015，2017)，将基础地质数据进行标准化处理，给城市片区地质三维建模准备良好的数据源，其中地质数据库的数据管理功能如表1所示。

表1 地质数据库的数据管理功能

勘察数据准备即指收集城市片区地质勘察资料，整理成计算机可识别的格式化数据。城市片区勘察资料收集包括地形图、点云、等高线、钻孔数据、地质勘察剖面、物探试验数据、观测数据等。勘察数据整理的目的是将地质数据标准化，本文中地质数据的标准化主要包括：地形面网格化、地层标准化、其他地质数据标准化。

地形面网格化指的是根据建模精度要求将城市片区地形面进行网格化，网格密度在城市片区内部均匀过渡，及时剔除冗余数据，保证数据转换过程中不发生数据损失、目的是准确地表达地形几何形态的同时，也能较好地参与后期mesh面拟合、mesh面剪切等计算，最终得到几何图形表达的地形mesh模型。基于GeoStation系统构建的地形面模型和地层模型均采用mesh(Blacker and Stephenson,1991；Blacker and Meyers,1993；Roger et al.,1996；马新武等，2015)表示几何形状。

地层标准化是根据钻孔数据建立城市片区地层的总层序，即城市片区所有揭露地层总的地层年代新老顺序。研究区的勘探资料主要为钻孔、地质勘察剖面、物探试验数据、观测数据等。为了保证建模数据源的一致性、正确性和完整性，针对未完成打钻的钻孔数据和钻孔孔深与周边钻孔严重不一致的数据，或者钻孔点与地层控制点不一致的数据，在地层标准化过程中要将这些不良数据剔除。不同的勘察单位，不同的地质人员对地层的认识不尽相同，对地层单元的标准化就显得十分重要。该工作需结合实测的数据以及经过分析、推测、包含地质人员经验的数据统一分析，整理成一套标准地层(图1)，并按照GeoStation的标准地层数据库结构(图2)将标准地层录入数据库。后期可以不断更新该标准地层。数据库中所有的钻孔数据都将基于该标准地层进行入库工作(图3)。

图1 地层标准化流程示意图Fig.1 Sketch showing flow of stratum standardization

图2 GeoStation数据库结构Fig.2 GeoStation database structure

其他地质数据标准化是指在完成了地层标准化以后，将海量的地质数据(包括钻孔、物探试验数据、观测数据等)整理成格式化数据，按照GeoStation的数据库结构录入数据库(图2、图3)。

图3 钻孔数据表结构Fig.3 Structure of drilling data

1.2 城市片区拓扑分区

城市片区的范围一般比较大，一次性生成整个地质三维模型对计算机要求比较高，难度比较大。本文将城市片区的建模数据源分成多个区域，分块处理海量数据，构建地质三维模型，一方面提高城市片区地质三维建模的精度和地质三维模型整体重构的效率；另一方面解决城市片区三维地质模型分区块构建在区块边界处模型不一致的问题。城市片区可以被划分为若干个城市区块，每个城市区块可包含一个或者多个城市单元地块。城市片区拓扑分区的过程为：提取横纵交错的交通轴线的交点及轴线上的节点作为拓扑节点，拓扑节点依序相连构成拓扑边界，拓扑边界划分的多边形范围构成城市区块(图4)。选择交通轴线的交点及轴线上的节点作为拓扑节点主要是因为新城区开发进程中，交通路网的勘察工作一般都会先行开展，此时路网上的地质数据相对多一些，可以作为地质三维建模的初始数据，后期开发单元内开展的勘察工作继续参与到城市片区地质三维模型更新中。本文的拓扑分区与一般分区不同之处在于，本文中的城市区块在拓扑结构上须满足以下相容条件：①所有的城市区块不应独立于相邻城市区块存在，须与其相邻城市区块有共边关系；②所有城市区块的外边界应该是自封闭，即：区块之间不是独立的，区块之间共享城市区块界面地质剖面，实现区块连续自封闭。其地质含义在于：(1)相邻的区块共享同一段地质剖面，每一个城市区块在单独构建地质三维模型中都有此地质剖面参与，相邻区块在使用插值算法构建地层界面时能完好衔接，不会造成两侧地层界面不一致，导致后续地层单元不能对应的情况，地质三维模型的精度和准确性更高；(2)对于后期地质模型更新，因边界处有地质剖面控制，所以边界处更新后的地层界面会得到控制，与相邻的城市区块地层界面依然能完好衔接，不影响相邻城市区块的地质三维模型。城市片区地质三维模型整体重构的效率得到极大提升，为城市片区规划、建设、运营期间地质模型的维护打下坚实的基础。城市片区拓扑分区后的城市区块可以包含城市片区中的一个或者多个单元地块。一般分区的方法多采用钻孔资料生成的剖面、野外实测剖面、地震解译剖面等各种剖面资料等地质资料作为分区的主要依据。本文在这些实测地质数据的基础上，解译出分区块地地质剖面，而且在建模过程中将地质剖面线做加密处理，折线上有更多节点，模型精度更高，同时考虑分区后的区块内部地质数据一起参与地质三维建模过程，充分利用可用的地质数据实现快速、准确构建地质模型的目的。

图4 分区块示意图Fig.4 Sketch of block subdivision

1.3 城市区块界面地质剖面绘制

完成拓扑分区后，就需要依据城市区块分界面附近的勘察数据。结合地质人员的地质经验，沿着所有城市区块分界面绘制地质剖面，使邻接的城市区块共享一个地质剖面，邻接的地质剖面地质线连续，且地质线赋予地质属性，赋予的地质属性即为GeoStation数据库中标准地层信息。城市区块分界面附近的勘察数据可能是钻孔数据，也可能是地质剖面数据，两种数据都可以在GeoStation中解译成建模所需的地质线条数据，并直接参与后续步骤的地质曲面拟合，即按照由点成线、由线成面、由面成体的逻辑构建三维模型进行建模。

1.4 城市区块地质三维建模与动态更新

此时，可以进行各区块地质三维模型的构建。建模数据源包括直接从数据库中读取的所有钻孔地层数据，以及在城市区块分界面上绘制的带有地质属性的地质剖面，该地质属性同数据库中地层数据一致。钻孔作为数据源构建单个城市区块地质三维模型的算法已经集成在GeoStation系统中。本文在此算法的基础上，加密边界线条，使边界线条向下与带地质属性的地质剖面线条求交，虚拟成与数据库中数据结构一样的虚拟钻孔(图5)，并与数据库中实际钻孔一起参与地质三维模型的构建。

图5 地质剖面处理成虚拟钻孔示意图Fig.5 Schematic diagram of processing geological section into virtual drilling1-虚拟钻孔及编号；2-地层分界线1-virtual drilling and number; 2-stratigraphic boundary

自动建模过程中，需要提取完整层数据和非完整层数据，先根据每个城市区块内的钻孔地层数据和拓扑结构地质剖面建立地层总层序，亦即城市区块内所有揭露地层总的地层年代新老顺序。

完整层数据提取流程如下：对所有钻孔地层数据和拓扑结构地质剖面上赋有地质属性的地质线进行搜索，从第一个钻孔的第一个钻孔段开始，统计所有钻孔中首次出现与第一个钻孔当前钻孔段的地层代号相同的钻孔段的次数。若该次数与钻孔个数相同，且城市区块边界上拓扑结构地质剖面上赋有相同地质属性的地质线连续出现，则认为存在完整层数据，提取完整层的底部位置数据、最底层地层代号、起始钻孔段序号集合、终止钻孔段序号集合作为完整层数据。

非完整层数据提取流程如下：对地层单元的完整层分段进行遍历，从地层单元的完整层分段中每一个钻孔的起始钻孔段和拓扑结构地质剖面上开始，找出地层序号最小的钻孔段，搜索所有钻孔中和拓扑结构地质剖面上与该地层序号最小的钻孔段的地层代号相同的钻孔段，将城市区块界面地质剖面上部分赋有相同地质属性地质线、部分钻孔当前钻孔段的终点坐标和地层代号定义为非完整层数据。

基于勘察数据和拓扑结构地质剖面，完成所有城市区块地质三维建模，其中还包含地层界面的创建。通过地层单元数据，采用Kriging插值算法，拟合生成较光滑的地质曲面，包括完整层界面和非完整层界面。完整层界面指的是所有钻孔及拓扑地质剖面所均揭露某地层的分界面，它是基于完整层数据创建。非完整层界面指的是所有钻孔及拓扑地质剖面所部分揭露的地层分界面，对于地层缺失的钻孔引入虚拟揭露点，对非完整层数据进行补充。该虚拟揭露点定在钻孔地层缺失点位的上方，且高出距离为累计虚拟厚度，能对非完整层界面的空间形态加以约束，使地层非完整层实体在钻孔之间的位置合理尖灭。

城市区块地质三维建模是通过创建的完整层界面和非完整层界面，对原始地形体分别进行完整层实体切分和非完整层实体切分，并对切分后的地层

实体赋予地质和颜色属性，最终完成地层模型的自动建模。

城市区块地质三维模型动态更新是指先根据更新的钻孔数据的几何坐标遍历查找其所属的城市区块，将更新的钻孔数据与其所属的城市区块中已有的钻孔数据整合，联合城市区块地质剖面上带地质属性的地质线，采用上述城市区块地质三维建模方法完成有钻孔数据更新的城市区块地质三维建模。如果只是城市区块内部有钻孔更新，则只需再重新构建该城市区块的地质三维模型，周边相邻城市区块因为有边界控制，无需更新其地质三维模型。如果城市区块边界处的地质剖面有数据更新，则需更新相邻两个城市区块的地质三维模型。通过这样的一种更新机制，可以实现局部地质三维模型的快速更新，这在城市开发进程中能够非常快速适应海量地质数据的持续更新带来的地质三维模型更新，而不至于在城市的不同开发阶段都需要重新构建整个城市片区地质三维模型。同时，还可随时追溯不同时期积累的地质数据源，将海量的地质数据进行高效管理并使用。

2 实现流程

上文所述方法已在GeoStation系统中实现，图6为基于GeoStation的城市片区地质建模技术方法的实现流程。

图6 地质三维建模技术方法的实现流程Fig.6 Implementation process of 3D geological modeling technology

首先将城市片区按照拓扑分区规则划分成若干个城市区块，在相邻区块界面上绘制共享的地质剖面，然后利用勘察数据和地质剖面进行所有城市区块地质三维建模，最后通过无缝拼接进行城市片区地质三维建模。总的来说主要包括以下步骤：

勘察数据准备。收集城市片区地质勘察资料，整理成计算机可识别的格式化数据。城市片区勘察资料收集包括地形图、点云、等高线、钻孔数据、地质勘察剖面、物探试验数据、观测数据等。实现地质数据标准化。

城市片区拓扑分区。以城市片区内横纵交错的交通轴线作为分区边界，按照拓扑分区规则和勘察数据充足条件，将城市片区管理的空间划分为若干个城市区块，每个城市区块可包含一个或者多个城市单元地块。

城市区块界面地质剖面绘制。以城市区块分界面附近的勘察数据为依据，按照传统方式在所有城市区块分界面上绘制地质剖面，使邻接的城市区块共享一个地质剖面，邻接的地质剖面地质线连续，且地质线赋予地质属性。

城市区块地质三维建模与动态更新。基于勘察数据和拓扑结构地质剖面，完成所有城市区块地质三维建模，当某个城市区块内勘察数据发生变化时相应的地质三维模型动态更新。通过这样的方法可以高效快速的更新城市片区的地质三维模型，将海量的地质数据高效的存储、共享、管理、使用。

3 应用实例

3.1 工程概况

某城市片区为扇形区域，长度8.2 km，宽度2.1 km，面积17.22 km2，为填海造地形成。该城市处于新近填海区，地下淤泥层深厚、填石散乱，工程地质条件复杂。地下空间、地下环路、市政设施以及地铁楼宇项目纵横交错，面临地上地下群体性项目整体开发所带来的诸多挑战，且勘探孔分布不均匀，由多家单位施工，最大孔深81.8 m，最小孔深8.5 m，地质建模及模型更新难度极大。

采用GeoStation系统的地质数据管理模块、地质剖面工具、地形体建模、地层建模系列工具实现某城市片区的地质三维建模。按照文中所述方法首先构建城市区块地质三维模型，并将所有的城市区块地质模型组装在一起展示，同时展示部分地层信息(图7)。构建的地质三维模型可与地理测绘、工程规划基础模型整理在统一的城市BIM平台中展示(图8)，构建了BIM+GIS一体化电子沙盘，真实反馈地上地下整体情况。该城市的所有地质数据可以存储在统一的地质数据库里，实现了海量庞杂地质建模数据的高效管理。构建的地质三维模型可满足该城市BIM平台数据要求，可进行二维图件快速编绘、开挖方量统计、设计方案安全性分析等等，为城市的规划、建设、运营期提供丰富的地质信息。后期可以持续补充收集城市发展进程中的地质数据，形成该区域城市级的地质数据档案馆，动态更新地质模型，为打造数字化和智慧化的城市打下坚实的基础。

图7 城市片区地质三维模型地层分层示意图Fig.7 Stratigraphy layering of 3D geological model in urban area

图8 BIM+GIS一体化电子沙盘Fig.8 BIM + GIS integrated electronic sand table

地质三维模型完成建模后，需要对其合规性、合理性、准确性、完整性等四个方面进行检查。本文构建的地质三维模型参照行业标准进行审查，结果满足要求。

4 结论

本文基于华东院自主研发的GeoStation地质三维勘察设计系统，设计一种基于拓扑分区的城市片区地质三维建模技术方法，该方法首先采用地质勘察剖面作为地质拓扑剖面，然后使用地质拓扑剖面将城市划分为若干城市片区，其次使用GeoStation系统的地层自动建模功能独立构建城市片区模型，最后将城市片区拼合为整体模型。

基于GeoStation系统的城市片区地质三维建模技术方法具有以下技术特点和优势：

(1)多源海量数据控制的城市片区三维地质建模方法，兼顾了城市区块内钻孔数据和区块之间的地质剖面数据，将多源数据作为城市片区三维建模的原始数据，解决了地质模型精度控制问题。

(2)基于交通路网轴线、地块单元划分对城市片区进行拓扑分区建立地质三维模型，符合城市划分单元渐进开发和城市单元勘察深度不一致的实际工作情况。

(3)考虑了城市地质三维模型在城市勘察、规划、建设、运维全周期过程中动态更新需求，通过方法中的更新机制，可以实现局部地质三维模型的快速更新，在城市开发进程中能够快速适应海量地质数据的持续更新带来的地质三维模型更新。

综上所述，基于GeoStation系统的城市片区地质三维建模技术方法，实现了海量庞杂地质建模数据的高效管理，构建的地质三维模型可满足某城市BIM平台数据要求，使得城市片区地质三维模型表达的地质信息更加丰富，给未来城市地质工作提供更有力的参考。这为城市地理空间信息建模提供新的手段，也为其他城市开展数字化建设和智慧化管理提供范例。