城市地下空间三维地质建模的研究及实现

2021-09-14田玉培刘文文

现代矿业 2021年8期

田玉培王俊刘文文

（1.河南省地矿局第三地质矿产调查院；2.河南省自然资源科技创新中心）

随着我国城镇化建设快速发展，优化城市内部空间结构，改造提升中心城区功能，统筹规划地上地下空间开发，可有效提升国土空间利用效率，是解决城市空间问题的有效途径［1］。作为一种潜在的土地资源，地下空间是城市未来的一个重要发展方向［2］。构建城市地下空间三维地质模型和属性模型，能够直观地展示地层、地下构筑物、河道、水系等，进一步与三维模型融合后，自动展示地下空间资源质量［3］。三维地质模型快速、动态、精细和全息构建，奠定了三维可视化表达、分析、模拟、设计和决策基础，可支持城市地下资源和空间评价、规划、开发和利用，为地质环境和地质灾害分析、评估、监测和预警，提供数据支持和技术支持，促进城市地质调查工作，为城市规划、建设、管理、运行和智慧城市建设服务。

通过Quanty View 三维建模软件，建立城市地下50 m 以内的可视化三维地质结构模型。利用研究区现有的工程勘察地质钻孔，进行数据转换及标准化入库，建立基础数据库，进而绘制二维剖面线、构建三维地质模型。以信阳市浉河区城市地下空间三维模型项目为依托，从三维模型的构建方法、技术路线及城市地下资源和空间评价、规划、开发和利用等方面进行论述。

1 地下空间三维建模方法

三维地质建模方法有2 种，表面建模和内部建模，前者利用地质剖面（包括平行剖面和交叉剖面）或离散点数据来自动或半自动生成符合实际情况的三维地学模型表面数据，进行三维地质建模；后者先利用物探、钻探、推算等手段获得一组地质体表面上的采样点数据，利用趋势面拟合或空间内插的方法获得地质体表面。根据三维地质体特征，采用属性插值、地质解译、评估分析、统计预测等方法建立三维地学模型［4-6］。

Quanty View 是面向地学分析及相关专业分析的三维交互式可视化建模软件。它采用表面模型与体数据模型结合的建模方式，以地质领域广泛应用的表面不规则三角网格和四面体作为建模基本单元，对城市地下空间进行空间离散，建立体元间的空间拓扑关系。同时针对地下空间数据样本少的特点，系统提供包括反距离加权插值法、径向基函数插值法、全局多项式插值法、2D Kriging、3D Kriging等插值算法。针对不同数据特点，采用合适的空间插值算法重建城市地下空间三维模型［7］。

自上世纪70年代以来，开展了覆盖研究区的1∶5万区域地质调查、1∶20 万水文地质调查、1∶5 万环境地质调查以及超过1 000 项的工业与民用建筑工程地质（岩土工程）勘察工作，积累了多源、多类、多维、海量、多尺度、多时态的城市地质数据特征，为地下空间三维地质建模提供了丰富的基础数据。

三维地质结构建模包括三维构造—地层格架建模和基于构造—地层格架模型的精细结构建模。本研究课题采用的三维地质结构建模方法主要有剖面建模法和钻孔自动建模法，结合2种建模方法和空间矢量剪切技术，构建多层次、多尺度的三维地质体模型。

2 数据集成与模型构建技术路线

2.1 数据集成

2.1.1 基础数据库建设方法

钻孔数据是三维地质结构建模的主要依据［8］，钻孔数据主要来源于研究区的已有工程勘察钻孔资料。研究团队采取由内及外的资料收集方法收集勘察钻孔资料。首先基于本单位档案室丰富的工程地质勘察资料，筛选出研究区范围内的勘察报告；对于钻孔资料大面积空白区，到当地建设行政主管部门、审图中心和本地区同行勘察单位进行查阅。项目研究区位于老城区，工业与民用建筑密集，工程勘察钻孔资料丰富，有利于基础数据库建设。但馆藏勘察资料时间跨度大，建筑物已拆迁或后期更名，且大部分钻孔没有提供有效坐标，导致部分钻孔位置难以准确定位。针对上述存在的问题，由经验丰富的勘察人员核实、到实地核查。对于上世纪八九十年代缺少坐标信息且位置信息不明确的钻孔，结合老地籍图和新地籍图上的地名信息进行验证。最终筛选出经过标准化处理的800 多个钻孔数据进入基础数据库。针对钻孔空白区，按照竖向连接、横向拟合、纵向推定的三维分层方法，推定了部分虚拟钻孔数据，使构建的三维模型能够更加客观真实。

数据库是三维地质建模的核心，研究区采用Quanty View 三维地质建模系统建立数据库，根据研究区地层情况编辑标准地质编码，修改地质符号库，连接服务器，导入钻孔数据。本软件同时具备导入及识别有误钻孔数据的功能，可对导入的数据进行核对。如果生成错误数据文本，可采用导入数据—修改数据—导入数据循环修改，直至数据全部合格，建立完成真实有效的数据库。

2.1.2 标准地层划分

标准地层划分是构建三维模型不可或缺的基础性工作［9］。本次收集研究区的地质资料时间跨度大，地层分布复杂，第四纪松散地层新老名称交互使用，利用数据建库，需建立统一的地层表。研究团队结合1∶5 万区域地质调查、1∶20 万水文地质调查、1∶5万环境地质调查以及工业与民用建筑工程地质（岩土工程）勘察等基础资料，综合分析本研究区的地形地貌和地层分布情况，重点考虑岩土体的地质时代、类别、成因、岩性特征、物理力学性质、厚度和空间分布规律等因素，进行标准地层划分。按照岩土命名规范统一定名，对于岩土定名与新规范定名不相符的，根据室内土工试验及原位测试成果对比分析进行初步定名。另外结合区域地质资料和周边已经确定的地层分布情况，多次复核，将地层的新旧定名进行统一，最终划分为14个工程地质层组。

2.2 三维模型构建技术路线

地下空间三维建模技术路线有2种：一是基于钻孔的地质体建模，利用钻孔数据直接进行建模［10］；二是基于剖面的地质体建模，钻孔为基本的控制依据，利用剖面数据生成地层界面，再和钻孔数据结合进行建模。本项目是基于剖面建模，建模的思路是根据两个地层线圈，可以先在2 个线圈之间围成1 个多边形面，再用线圈分别生成2 个面，以此来围成1 个封闭的多面体空间，即可生成多面体。

针对老旧资料的特点，本次工作提出的建模方法的流程：基于行政区图和地形图进行地名匹配→钻孔信息提取→标准化→结构化存储→制定勘探线布置图→自动生成系列剖面→提取地层分界线→地层分界面→成体→辅助剖面进行体的编辑和校正，最终形成符合技术要求的三维模型。

3 研究区成果

信阳市城市地下空间三维立体模型构建研究区使用的数据由河南省地矿局第三地质矿产调查院提供，主要包括钻孔数据、钻孔分层数据、物探数据、遥感数据等。研究区位于信阳市浉河区的中心城区内，西起鸡公山大街（老107国道），北至新七大道（通往高铁站），北、东以京广铁路为界，南、东以大拱桥路为界，南、西止于浉河北岸，提供钻孔800 个，钻孔覆盖面积10 km2（图1）。研究区采用Quanty View 三维建模软件进行三维建模，是具有完全自主知识产权的高功能、高可用性的三维可视化地质信息系统平台，满足了城市地下空间开发利用的需要。

3.1 多源数据建模三维地质结构模型

根据基础数据库中的钻孔散点数据和Quanty View 二维平台上绘制的地层分界线数据进行结合，生成预备数据，按实际位置展布在三维空间；运用空间插值算法对预备数据进行插值处理，生成Grid 网格数据，然后对其进行三角剖分，生成Tin 曲面；对上下层面交错的情况，根据局部拓扑重构进行校正，然后依次按上下层面生成地层体模型，并清除地层零厚度位置；运用矢量剪切对地层体模型按照不同划分方法细化，并按照岩性或者其它标准赋予不同的属性信息；最后用地表剪切所有体模型，并在地表曲面上贴研究区域遥感影像图。建立的三维地质模型如图2所示。

从三维地质模型能看出研究区地层主要为第四系冲洪积黏性土、粉土及砂砾石层，下伏泥质砂岩、片岩等基岩层。研究区覆盖层厚度<50 m。

信阳市浉河区研究区三维地质结构模型爆炸显示模式如图3所示。

三维地质结构模型爆炸图更加直观地在空间上展示出第四系地层上细下粗沉积韵律及各岩土层的空间分布、厚度，可在空间上对比各地层和岩性的变化。

信阳市浉河区研究区地质结构模型进行剖切分析，得到对应的地质剖面（图4）。

通过2 点间直线剖切、多点连线折线剖切，可任意观察到目的路线的地层情况，为地下空间开发规划及施工提供地质依据（可用于市政道路管线、工程勘察的初步勘察）。

3.2 地下空间开发利用评价

研究区为老城区，利用地下空间起步较早，但开发利用程度较低，主要集中在商场、储物间、停车场、人防工程、市政基础设施等。可供开发利用的地下空间容量较大，但受地表已有建（构）筑物的限制和地下水文地质与工程地质条件的影响，需对地下空间开发利用的可行性进行分析。

地质条件决定了地下空间开发的深度与难度。信阳市地处大别山北麓的山前盆地，城市依河而建，河流两岸的工程地质条件较复杂。研究区地貌由河流阶地过渡到丘陵，地质条件也随之呈渐变之势。根据地形地貌、水文地质与工程地质条件、地下空间开发利用的可行性及难易程度分为3个区（图5）。不同区因地层岩土工程性质不同和含水性质不同，可供地下空间开发利用的地层、埋深均有差别。对研究区各分区开发利用建议如下。

一区主要为浉河河漫滩分布区，地层上部松散堆积地层主要为砂砾石土，厚度10.0 m 左右，下部基岩绝大部分为白垩系红砂岩。该区邻近浉河，地下水埋藏浅且丰富。若开发利用地下空间，施工降水量和防水维护的成本较高，在目前的经济条件下暂定为不适宜区。但该区富含地下水，比较适宜浅层地热能开发利用。本区可进行地下管道等基础设施建设及不超过一层的地下工程（停车场、人防）。

二区第四系松散地层埋藏厚度较大，土层强度较低；地下水埋藏较浅，属中等富水区；工程地质条件一般，较适宜开发利用地下空间，适宜浅层地热能开发利用。本区可进行商业、管廊、地下轨道工程。

三区地层分布简单，上部为Q4、Q3 的黏性土，其下为基岩；岩土层工程性质良好，地下水位虽然埋藏较浅，但地层含水性较差，地下水量有限，属地下空间开发利用适宜区。本区适合进行多种类、多维度地下工程。