多源数据融合的三维地质模型的研究与构建

姜灵芝 应晓菲

（广东省佛山地质局，广东 佛山 528000）

1 引言

随着城市化进程的加快和城市经济的快速发展，一方面，城市建设导致了地面沉降、地面塌陷、地下水资源紧缺、土壤和地下水污染等各种城市地质问题，成为制约和影响城市可持续与安全发展的主要因素之一；另一方面，当城市建筑越来越多，位置要求越来越精确，地下地质信息的完备和准确，对于城市的发展规划、设计、施工以及地下空间开发利用等方面的作用至关重要［1］。

完成城市地质的数据库建设和三维建模，提供丰富的三维地质模型和二三维空间分析功能，二维、三维地质成果有机结合，地下、地表、空中一体化展示，建成面向专业研究的基础工作平台、面向政府规划管理的立体可视化决策支撑平台、面向社会公众的地质信息共享服务平台［2］，能很好地解决城市发展带来的地质方面问题，能有力促进城市的发展。

2 三维地质建模方法研究

2.1 建模数据的处理

三维建模前期数据包括各类地质调查数据、钻孔数据、试验测试数据、地下空间调查数据等。数据整理工作包括钻孔数据整理入库、属性数据入库、钻孔时代、分层、岩性等标准化、钻孔坐标的标准化等工作。

（1）钻孔数据录入 ：研发相应软件对钻孔数据（工程信息、钻孔信息、分层信息、实验测试数据）进行录入，整理并录入工作区内钻孔（参与三维建模 ）。

（2）统一坐标系 ：由于收集的钻孔资料在坐标系、高程系、数据类型方面各不相同，需要将不同种类的坐标系统一到同一个坐标系。

（3）将钻孔时代成因、岩土名称、岩土描述标准化。

2.2 多源数据耦合层状地质体建模

多源数据耦合层状地质体快速建模的主要思想是集钻孔、剖面、平面图等各种多源数据于一体，充分利用已知的数据源，结合地质学的规律和数学算法，模拟位置区域的地质数据，从而建立整个区域的地质模型。该方法不仅大大降低了半自动建模的繁琐程度，节省了半自动建模时间，还兼顾了模型的准确性，可大大提高建模效率。

以佛山南海区为例，该地区地层结构较复杂，存在很多山区溶洞等多种复杂地质体。根据这个结构特点，选用北京航空大学组织开发的深探地学建模软件。该软件具有原始剖面导入、钻孔管理、断面层建模、地层建模、透镜体建模、断块建模等功能，优势在于可以处理任意复杂的断层、地层不整合面，以及嵌入体等复杂地质情况，使用户避免因建模软件技术能力不足，而简化价格不菲的地质资料来建三维地质模型的弊端。此外，所建三维地质模型可以无简化地进行网格剖分，使属性插值结果更加准确。

结合该软件特点，针对工程地质、水文地质等简单层状地质体，采用“钻孔-剖面/等值线-地层实体”构模的整体建模思路，利用所有地层界面共享的网格模板来构建各个地层面，再根据建模范围和精度（网格间距）要求生成地形网格，从基础数据库中提取钻孔点位和分层信息，叠加等值线数据，生成地层面强约束点；从剖面中提取有关地层边界线信息，基于地形网格应用这两类数据进行插值计算，构造各地层面模型，最后根据地层之间的叠覆关系等地质信息生成地层实体模型［3］。同时，对于地表模型可添加地形约束，构建出真实地形地貌单元的地质模型。地质模型建立后可以不断添加各种约束数据，指定约束数据的影响范围，对地质模 型进行反复重构更新，从而更精确地表达真实的地质形态。多源数据耦合建模思路如图1 所示。

图1 多源数据耦合建模思路

多源数据耦合建模是指用各种来源的数据进行地质建模，包括地球物理数据、地球化学数据、钻孔数据、工程地质剖面、高程点数据、基岩埋深等值线数据、基岩出露区、等高线数据等。

2.3 断层建模

一般情况下，断层数据的来源有两类，一类来源于地震解释系统，断层数据为整个断层面；另一类来源于其他建模软件，如：Petrel、RMS 等，数据并非全部断层，而是目的层范围内的断层数据。

在建立断层模型之初，先根据断层数据情况判断一个最小二乘面，定位断面位置。所谓的最小二乘面是满足所有数据点到该面的距离之和最短。

对于整体断层数据来讲，最小二乘面和实际断面倾向基本吻合，而目的层断层数据的分布往往呈条带状，这种情况计算的最小二乘面往往是水平面（如图2a 所示），而非断层倾向方向的最小二乘面（如图2b所示），需要人机交互进行编辑。

图2 整体断层数据和局部断层数据

2.4 地层建模

以断层模型为约束，建立地层模型用于描述地质体界面形态、相互关系。

1)船舶减速会增加船舶占用航道的时间，后续船舶受船舶队列顺序的制约，造成船舶通航时间的延误，航道的利用率下降。

（1）地层的生成

地层的生成有四种方法 ；最小曲率法、岩丘圈闭法、反距离加权法和克里金方法，各种方法的适用情况和特点有所不同，建模时应根据实际情况合理选择。

（2）处理地层不整合接触（尖灭、超覆）

地层之间如果存在不整合接触，往往需要操作者根据地质认识处理地层形态，得到正确的地层体模型。软件是通过人机交互指定不整合地层之间的主辅关系，用主地层裁剪辅地层网格，达到表达不整合层面的目的。因此，正确指定地层之间的主辅关系，对地层划分空间和正确的网格裁剪起决定作用。

地层划分空间的原理：工作区中包含H1、H2 和H3 三套地层，构造特征如图3 所示，H2 尖灭于H1，H3 与H2 整合接触，H2 为H1 的辅地层。

图3 工作区中的地层及地层体

先判断是否存在地层主辅关系，主地层优先划分空间。H1 地层先将工区上下一分为二，将a 空间与b1、b2、c 和d 分隔开来；由于H2 属于H1 辅地层，暂不考虑，H3在H1地层空间划分的基础上进一步划分，将b1、b2、c 和d 空间上下一分为二，将d 空间与b1、b2 和c 空间分隔开；最后考虑H2 地层，对b1、b2 和c 空间划分，将c 空间与b1 和b2 空间分隔开。根据这样的空间分隔原理，生成地层体，得到a 空间为地表的地层体，b1 和b2 空间为H1 的地层体，c 空间为H2 的地层体，d 空间为H3 与基底的地层体。

指定地层主辅关系是地层存在尖灭、超覆、侵入岩等不整合情况时需要处理的，通过指定地层主辅关系，用软件正确裁剪辅地层网格面并进行空间划分，如图4 所示。

图4 指定地层主辅关系

3 三维地质模型构建

3.1 结构建模

先导入所有建模需要的数据，根据数据设置好工区范围、网格大小等，创建好初始模型，然后根据导入的数据生成断层模型，再在断层模型的约束下依据地层数据生成地层模型，最后生成地层体完成初始模型的建立。初始模型生成之后需要进行检验和校正，检验其是否与原始数据相吻合，是否符合地质规律。如果检验时发现问题，需要回到断层和地层建模环节，进行迭代更新。

通过钻孔数据、剖面数据、地质图数据、DEM 数据、遥感影像数据进行三维地质结构模型的建设，具体工作流程如图5 所示。

结构模型结合剖面数据和地质图数据进行建模工作，模型按地质时代划分地层，并按新旧顺序排列。断层建模前需要先导入断层数据，一般情况导入的断层数据为断层格式。如果断棱数据没有进行拆分和命名，则需要先对断层进行拆分和命名，然后软件根据断层数据范围自动计算断层的边界，一键式生成全部断面。初始生成的断面由于异常数据的影响，一般会形态异常，需要人机交互通过编辑断棱、编辑边界等操作进行修正，再通过指定相交断层之间的关系，做断层削截处理。通过剖面数据对地层和断层进行约束，剖面数据经过处理后，在三维模型里显示。

图5 城市地质三维结构模型建设流程

地层建模前需要先导入地层数据，地层数据往往是离散点格式，每个地层会在地层集下挂出相应的节点。三维建模软件会在断层的约束下生成地层面，层面的范围为建模初设的模型边界范围。初始生成的地层面可能会有局部异常，多是地层数据问题或断层形态异常引起，需要使用恰当的对策解决相应的问题。完成层面异常修正后，需要对地层节点进行排序，使地层节点的顺序与实际地层的沉积次序相符，否则和沉积次序不符的地层体将无法生成。如果存在不整合接触的地层，还需要定义地层之间的主辅关系，做地层削截处理，以上工作全部完成后，可以一键式生成地层体。

3.2 网格剖分

在任意指定的空间分辨率条件下，基于矩形截断网格对矢量结构模型执行空间剖分，得到精确表达结构模型边界形态的网格模型。超高的空间分辨率可能得到超大规模的网格数据。网格生成的基本原理是首先生成二维平面网格，然后用二维网格对三维地层体进行纵向剖切。

构造模型的和网格模型的模型网格化主要是基于应用的需求。在模型从顶到底数据精度不同时，可以采用多分辨率的网格；在结构模型和无结构模型下，采用不同类型的网格剖分；同一模型在使用不同的属性进行插值时，可根据数据的需要剖分成不同大小的网格单元（LOD 网格）；模型工区非常大，模型精度要求非常高时，海量的网格单机无法承载，可分区块剖分，逻辑上是整体，物理存储分块，如图6 所示。

图6 大工区构造模型及大工区网格模型

数据或认识发生改变后，结构模型可以快速更新，在更新后的结构模型基础上，重新生成网格，网格参数可直接引用原数据，也可根据更新后的结构模型进行适当更改，也就是说网格化是基于数据驱动，而不直接编辑网格，如图7 所示。

图7 更新模型

3.3 属性建模

属性参数建模是将模拟区域三维网格化，然后在网格中填充属性值。对于任意一种储层物性，每一个网格有且只能有一个值。由于网格精度通常要远远低于测井曲线的采样精度，所以测井曲线数据必须要进行粗化才能采样到网格中。数据粗化是属性建模的前提和数据基础。

图8 利用钻孔最小曲率算法生成地表面及插值后的岩性属性模型

属性建模是基于构造模型通过地质统计学方法计算生成的属性地质模型，包括离散属性（沉积相和岩相）或者连续属性（含水量、重度、渗透率和饱和度等）。地质领域比较常用的插值算法是克里金方法和序贯模拟等方法。岩性属性模型利用多点地质统计学，采用序贯指示的插值算法生成属性模型，插值后的岩性属性模型如图8 所示。

4 应用实例

通过上述方法和步骤，运用钻孔数据、剖面数据、地质图数据、DEM 数据、遥感影像数据对佛山市地质结构进行建模，较好地完成了佛山市城市地质三维模型的构建，成果如图9 所示。

图9 佛山市地质结构模型与地质图对比效果

5 总结

本文结合佛山市城市地质项目工作的安排，通过分析现有资料情况，参考国家行业地方等标准，并结合佛山地质数据特点，对接城市地质综合服务系统，通过对各种多源数据的整理和标准化，建成以基础地质、矿产、水文地质、工程地质、环境地质、地球物理、地球化学、遥感数据为核心数据的三维空间数据库和元数据库。此外，还以该数据库为基础数据，建立了佛山市和三龙湾城市地质三维结构和属性一体化的模型，并能加载融合地下管线、隧道、基础等构筑物的三维模型，成功完成了多源数据融合的三维地质模型构建的研究，同时为更加安全合理开发利用城市地下空间提供了科学依据。