城市地质三维可视化研究与应用

伍慧群 朱 慧 肖 斌 周忠赣

(1.江西省核工业地质调查院 江西 南昌 330038；2.江西省地质博物馆 江西 南昌 330009)

1 引言

城市是人类活动最密集的区域，也是地理信息系统研究与应用领域的一个重要方面。城市地质工作是地质工作的重要发展方向，已成为城市规划建设和经济社会发展的重要基础支撑[1−3]。随着地理信息系统技术从二维平面向三维空间的延伸，三维建模及可视化技术在数字城市[4]、智慧城市[5]、数字地球的建设中发挥了重要作用[6]，并逐步推广到城市地质工作中。地质体的三维可视化表征，可以提供对地下地质现象及其结构、构造和物质组成更加真实、直观的描述[7−8]。已有三维地质建模方法很多，大都集中在简单层状地质结构的三维结构建模与属性表达上[9−10]，缺少对地层结构模型和内部精细属性的一体化集成表达方法。目前的大部分三维建模方法存在结构与属性建模过程割裂，使得两者之间缺少内在联系，同时需要大量人机交互辅助模型构建。为了解决这些问题，本文研究实现三维地质结构和属性模型一体化建模的方法，在三维地质体结构模型的基础上构建属性模型，构建了南昌奥体中心示范地质模型，实现了南昌奥体中心数据全空间一体化展示与分析，为城市整体空间规划的科学决策提供辅助，避免因盲目认识所带来的施工设计风险。

2 三维地质结构模型与属性一体化建模方法

三维地质结构模型和属性一体化建模方法，在三维地质体结构模型的基础上构建属性模型，通过建立属性数据与地质体几何结构数据的对应关系，将属性数据附加在几何模型的网格单元上，属性值覆盖整个模型以反映属性的空间变化特征，结构−属性一体化的三维地质模型能够描述和表达更加丰富的地质信息。整体建模总体路线见图1。

图1 建模总体路线

2.1 构造建模

构造建模就是通过对断层和地层数据进行编辑，更新断面、地层面，多次建模流程（断面建模、地层建模和生成地层体）循环迭代的过程。通过修改数据来更改模型，不对模型进行直接编辑，更新数据后，模型更新会非常方便。

构建三维地质结构模型建模流程（如图2），建模以钻孔数据为主要依据，多源数据作为钻孔数据的补充，辅助建模，多元异构数据协同建模保障了三维地质模型在横向和垂向上的精度，同时构建的三维地质模型更趋近于实际的地质构造特征[11]。

图2 三维结构建模流程

2.2 属性建模及结构属性一体化

属性建模是将构建的地质结构模型三维网格化，网格剖分将具有复杂形态的地质体分解为一定数量的简单几何体（如图3）。网格剖分可设置网格的大小，越小的网格能构建高精度的属性模型。矢量结构模型为约束执行网格剖分后，精确表达结构模型的边界形态，采用序贯指示、序贯高斯、克里金、距离加权等一系列算法对属性数据进行网格化分配，地质体中的每个网格单元都赋值，构建成了属性模型，通过颜色的变化反映属性的变化。矢量结构模型及其对应的网格属性模型构成结构和属性一体的三维地质模型。

图3 网格剖分和属性插值示意

3 建模方法应用与分析

3.1 研究区简介

南昌奥体中心，坐落在南昌市高新技术产业开发区昌东高校园区的瑶湖西岸，其原为赣江II 级阶地，主要分布有村庄及农田，水塘主要分布于场地东部及西北部，地势相对较低洼，局部经后期人工整平，地面较平坦，总体上呈西高东低之势。区分布的地层上部为人工填土（素填土）、第四系全新统湖积层（淤泥质土）和上更新统（粉质粘土、细一砾砂）冲积层、下卧基岩为第三系新余群紫红色泥质粉砂岩。

南昌奥体中心源数据主要有钻孔数据、剖面数据、地质图、地形数据、遥感影像数据等。

3.2 多源数据构建三维地质模型

（1）三维地质结构模型

用于建模的数据有钻孔数据、钻孔分层数据、钻孔属性数据、剖面数据等，钻孔最浅孔深为15m，最深达44m，控制性钻孔77 个，钻孔控制面积约0.13km2。提取钻孔分层及虚拟分层点参与建模，提取后将地层按年代顺序排列，排序后可生成地层面，指定地层关系进行层面相交处理后，构建了南昌奥体中心三维结构模型（如图4）。

图4 构造模型−单层面（左）和奥体中心构造模型（右）

（2）三维结构−属性一体化模型

在结构模型的基础上，剖分成5m*5m 的网格模型，将经过粗化后的数据利用插值算法填充到整个地质体中。属性数据包括岩性、粘聚力、压缩模量、内摩擦角、饱和度、含水量以及液限塑限等，下图显示的是采用岩相构建的结构−属性一体化模型（如图5）。

图5 南昌奥体中心结构−属性一体化模型

3.3 全空间一体化展示

地下构筑物三维模型与地质结构三维模型融合，利用三维空间几何运算进行地层与地下构筑物之间的融合。地上构建筑物和以地质模型为代表的地下对象按空间位置错落排列在地面的上方和下方，叠加地形模型，从视觉角度完全融为了一体，实现地上地下无缝集成。（如图6）。

图6 全空间一体化展示

3.4 三维模型和场景分析

（1）三维模型分析

剖切支持水平剖面、竖直剖面、闭合剖面等剖切（图7的右和中图所示），支持网格模型的I*J*K 剖面（图7 右）显示。在三维地质模型基础上进行任意位置的剖切和任意位置的开挖，可以详尽了解场地的工程地质情况，为工程的选址或实施提供决策依据。

图7 交叉剖面（左）、闭合剖面（中）和网格模型的I*J*K剖面（右）

（2）全空间一体化场景分析

可视域分析，在是对于给定的一个观察点，基于一定的相对高度，查找给定的范围内观察点是否在可见覆盖的区域，以及给定点的可见区域范围。图8中是站在场馆一侧的房顶上方往另一侧看，观察者的角度为266°，距离为266m。垂直角度60°，水平角度45°，图8 左中绿色的为可视区，站在场馆上可看见全部座位，红色的为不可看见区域。

图8 可视域分析（左）、阴影分析（中）和挖方分析（右）

阴影率统计分析是指在特定时间段内统计指定物体被阴影覆盖的时长所占比阴影率统计分析可用于城市规划、建筑物设计等方面。设置光照速率为40毫秒，底部高程20m，拉伸高度20m，光照率如图8中所示，靠近上方有遮挡的地方，光照率低。

填挖方分析用于计算绘制的填挖三维面与模型图层或地形图层之间的填挖量。用于工程中计算挖掉的土方体积或者需要往一个坑中填埋多少体积的土或水泥。图8 右中计算的挖方面积为7214.94m2。

4 精度检验

示范区数据采集完成后，通过外业高精度数据采集手段获取检查点的坐标数据，将采集得到的检查点坐标数据与模型数据上同名点坐标数据进行比对。按照工程设计和城市规划中的相关要求，在测区内均匀采集20 个地面点坐标，计算与地质三维模型的坐标差值。最终统计得到所有检查点平面中误差为0.02m，高程中误差为0.1m，完全满足工程设计和城市规划的精度要求。

表1 检查点精度表（单位：m）

5 总结

城市三维地质模型通过对城市地下地质特征的清晰展示，充分应用到城市地质工作之中，有力支撑城镇化建设。本文以南昌奥体中心作为研究实例，应用城市地质三维建模方法，得到了南昌奥体中心的地质三维模型，研究了其三维可视化及分析应用，主要实现以下几点：

（1）通过建立南昌奥体中心地质三维模型，为南昌奥体中心后续的勘查和施工提供了强有力的支撑，在将可能有地质灾害对场馆的安全影响降到最低等方面发挥了重要作用。

（2）在地质三维模型数据规范或标准制订后，对南昌奥体中心进行结构与属性一体化三维地质建模。

（3）将地质三维模型、地表模型和地上构筑物三维模型叠加融合，实现全空间场景下一体化展示，支持全空间不同比例尺任意放大、不同时间随意切换、不同类别灵活叠加。

（4）实现了三维地质模型任意方式的剖切、开挖，全场景的可视域、阴影、填挖方等具体应用，对工程设计、城市规划提供支撑。

本文成果在示范区域在规划、施工和灾害预测等方面得到了充分利用，对于下一步的研究，将扩大试验区范围并收集多源数据作支撑，探究在不同地形条件下，如何构建更加精细的模型，提升全空间数据融合展示效果，同时扩充三维方面的应用，并逐步推广到其他区域服务城市的建设。