基于GIM 技术的城市地质体模型构建及应用

陶二永，门阳阳，董云奇

（1.山东省煤田地质局第四勘探队，山东 潍坊 261200；2.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206）

引言

近年来，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技术被广泛应用在建筑、结构、施工等工程建设领域［1-4］。由于地质体的不规则性和不确定性，BIM 技术难以在岩土工程领域应用，地质信息模型GIM（Geological Information Modeling）技术由此诞生。GIM 的核心内容是描述已有地质对象的几何形态和工程特性，主要用于构建地下三维可视化勘察信息模型。

随着我国社会经济的迅速发展和城市化进程的全面推进，城市地下空间作为城市空间资源极具开发潜力的部分，政府及相关专家对地下空间给予高度重视［5-7］。目前，有关地下三维可视化研究的方法尚处于摸索阶段。张照杰等［8］运用三维激光扫描技术获取点云数据对地下停车场进行空间三维建模；郑国栋［9］研究了岩土工程勘察信息模型系统对桩基础进行了三维可视化和岩土参数化分析；施炎等［10］研究了基于地质信息模型（GIM）的灌浆工程三维可视化分析方法和应用。然而目前针对城市地层分布模型的可视化研究较少。

1 GIM 技术

GIM 技术面向岩土工程地质，运用计算机图形学技术，将工程勘察数据信息通过光滑离散插值技术（Discrete Smooth Interpolation，DSI）［11］构建三维可视化地质模型，其表达方式更直观，可完整展示地质信息，并且可以获取任意剖切面的地质情况，也可以选择任意一层地层查看地质信息。

GIM 软件为BM_GeoModeler，采用模块化方式系统整合勘察、建模、设计与分析等岩土工程全流程应用功能的独立平台，其中的建模方法包括针对土体和平缓岩层独创的一键建模、土层分类建模、岩性建模等批量自动建模方法，允许人工干预的流程建模、物探建模、针对复杂透镜体的透镜体合并等。

2 城市地质体GIM 建模方法

地质建模是描绘出一个已经存在的自然对象，且可供建模的资料往往很少，采用离散光滑插值（DSI）理论和约束技术模拟其形态特征的中心任务是利用这些少数已知数据、合理地 “推测” 出其余部分的形态，其中的其余部分具有不确定性，是地质体不确定性的典型代表。基于上述特点，地质体建模基于离散数学理论，BM_GeoModeler 采用DSI 理论进行建模和数据（包括物探指标、矿山资源化验结果、土体静探或试验值等）处理，可处理任意不规则面的局部修正、彼此相交（针对地层尖灭、断层错动、透镜体）等。

离散光滑插值算法理论是基于离散数学的一种插值理论。与传统的建模算法相比，它可以根据各种约束条件及其组合拟合构建复杂如多Z 值（褶皱、透镜体）、非连续性（断层、覆盖层）地质体模型，并且能进行局部修改，不必因地质勘探资料的变化而重新建模。（如果将地质界面视为离散化的不连续界面，地质点及地质勘探揭示的钻孔平硐数据等作为约束条件，DSI 实际上就是通过在这些约束条件下求解目标函数—全局粗糙度函数的最优解来得到符合约束条件的最优化地质界面）。

根据实际约束情况可以得到不同条件下的约束系数，进而通过上述公式迭代求解最优化的Φ值，最终拟合得到符合约束条件的几何模型。DSI 的约束可以分为软约束和硬约束，软约束通常指条件放松的（约等于）通过全局最小平方和进行拟合的约束；硬约束则是必须完全通过等式或不等式拟合的约束。非线性约束可以通过泰勒公式转化为近似的线性约束进行拟合。由于DSI 方法考虑了节点与邻域节点之间的关系，可以比较好地拟合非连续性几何模型（比如地质上的断层上下两盘）。另外，DSI 可以根据实际情况的约束条件拟合非常复杂的模型，因此，特别适合复杂的三维地质建模。

城市地质体三维模型构建流程见图1。主要步骤：（1）通过地质勘测获取钻孔数据，整理使用钻孔共计328 个，其中318 个钻孔深度达30 m，10 个钻孔深度达到50 m，并针对各钻孔的分层情况整合出所有土层类型，得到钻孔数据录入的岩性定义和地层定义。（2）钻孔数据在导入BM_GeoModeler 数据库后，可重复调用建立多个项目，便于项目各阶段的修改。为确保导入的钻孔数据在地层建模分层时不出现错误，可在钻孔数据库建立后进行层序检查，根据检查结果修改错误地层数据，直至检查无任何错误方可使用。（3）地表模型的构建以钻孔孔口标高为主、高程点数据为辅经样条插值拟合而成。钻孔孔口标高可从钻孔数据库中提取得到孔口标高点集，修改其属性为地表，地质代号选为top；高程点数据需将高程图转化为.dxf 格式导入项目。（4）建立地层模型，地层模型主要参考的数据是钻孔的竖向分层数据，是对各钻孔间的地层根据相邻钻孔的分层情况做出的推测。地层模型与实际地层分布有一定误差，因此地层模型分层的精度取决于钻孔数据的准确性及钻孔的密度。

图1 城市地质体三维模型构建流程

3 城市地质体GIM 建模结果及应用

3.1 城市地质体GIM 建模结果

将孔口标高点集和高程点全局显示后确定地表建模范围，该范围应将所有参考点位置包含在内。为确保在划分网格时出现过小线段单元从而影响网格划分进度，BM_GeoModeler 提供线集工具对高程点数据进行过滤，在地表建模范围内进行网格划分，网格的大小综合考虑工成需求及拟合时间确定，地表建模方法采用单一界面建模，在网格全局加密的同时进行拟合计算，地表模型拟合结果见图2。

图2 地表拟合结果

地层模型建模步骤：建立地层模型边界→划分三角网格→检查与调整地层→分层计算。分层计算方法采用离散光滑插值算法理论（DSI 技术）计算。

为准确定位地层模型上各位置，可对模型进行表面贴材质处理，即通过表面贴材质功能将该地区的地图贴于模型表面。表面贴材质贴完材质后的地层模型见图3。该地区地下管线错综复杂，包括各类电信管线、电力管线、燃气管线、排水管线、热力管线，地下管线成果以《城市地下管线探测技术规程》（CJJ 61—2017）为主要标准，设置管线数据代号及颜色。

图3 地层模型

BM_GeoModeler 支持将管线数据以.dxf 格式保留三维位置信息导入至地层模型中，并自动进行布尔操作嵌入地层模型，地层模型加入地下管线后见图4。

图4 地下管线导入地层模型

3.2 城市地质体模型应用

运用BM_GeoModeler 进行剖面检查与出图特点：（1）内置的三维地层拓扑算法，从三维建模的角度识别地层连接关系、计算地层尖灭位置、识别透镜体。（2）剖面内允许地质人员的检查与干预调整、编辑与调整在剖面间联动作用，可以在智能化识别的基础上，实现局部位置的人为认识干预，并实时更新因人工编辑造成其他相关剖面地层连线的变动，确保各二维剖面成果在三维空间中的正确性。（3）引入了不同地质成因分界面尖灭机制，实现如冲洪积地层可以平缓尖灭于残积层或基岩的特征，使得地质剖面绘制更加符合地质成因规律。

在任意剖面下，可根据地质判断，调整程序智能判断给出的地层连线结果，调整过程中，相关剖面会跟着联动更新，降低了调整修正工作量，同时也时刻保证剖面间的编辑不影响三维空间中地层拓扑关系的正确性。

选取8 条主要干道作为剖面见图5。在BM_GeoModeler 中可通过创建非封闭折线生成任意剖面线位置，再通过生成剖面形成该剖面线位置的剖面见图6。可以看出研究区地势整体为西低东高，南低北高。个别剖面图中有透镜体出现，考虑地层分层定义时主层有多个亚层，部分透镜体为主层的一个亚层形成，其地层岩性与其相邻的主层相近。

图5 研究区主干道位置

图6 研究区主干道剖面

4 结语

（1）选取钻孔孔口标高作为地表建模的主要参考点，再以高程点为次要参考数据，根据数据所在平面区域确定地表建模范围，再以立方网划分网格，从而拟合计算得出地表模型。（2）对钻孔数据进行层序检查，采用离散光滑插值算法理论（DSI）进行分层计算，并划定地层建模范围，再根据钻孔数据构建了地层模型。（3）将构建的三维地质体模型应用于工勘项目常用的地质剖面图的绘制，并分析了该城区地层结构和地势走向。