基于鉆孔數(shù)據的揚中市三維工程地質模型構建

劉　洪，陳　剛，王振海

（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京210018；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018）

基于鉆孔數(shù)據的揚中市三維工程地質模型構建

劉洪*1，2，陳剛1，2，王振海1，2

（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京210018；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018）

三維工程地質結構模型可以直觀反映工程地質層的空間分布特征，對工程地質問題提供正確判斷及成因分析，為城鎮(zhèn)規(guī)劃、經濟布局和工程建設提供依據。以揚中市為例，以工程地質鉆孔資料作為地層建模的數(shù)據來源，采用GMS軟件，建立了30m以淺的三維工程地質模型，并展示了實際的建模效果，具有一定的實用價值。

鉆孔數(shù)據；三維；工程地質模型；揚中市

1　概述

多年以來，對于地學信息的表示和處理都是基于二維的，不能充分揭示地質結構的空間變化規(guī)律，使人們難以直接、完整、準確地理解和感受地下的地質情況，越來越不能滿足工程設計和分析的實際需求，三維立體處理顯得愈來愈迫切。三維地質建模就是運用計算機技術，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并應用于地質分析的技術［1］。

三維地質模型的建立是在原始地質數(shù)據基礎上，在專家知識和經驗指導下，結合對研究區(qū)地層的認識，以適當?shù)臄?shù)據結構建立地質特征模型，把已有的點數(shù)據（鉆孔）或線數(shù)據（剖面）通過一定的數(shù)學方法插值得到未知點的數(shù)據，然后對實際地質實體對象的幾何形態(tài)、拓撲信息（地質對象間的關系）和物性3個方面進行模擬，由這些對象的各種信息綜合形成的一個復雜整體三維模型的過程。三維地質結構模型，可以把空間分布不均勻、不連續(xù)、散亂的地質信息，通過數(shù)學擬合及計算機圖形學的方法變成可視的、連續(xù)的和形象的3D地質圖形，直觀地反映了地質信息的空間變化，有助于加深對空間結構的認識。三維地質模型能把專業(yè)知識與實際管理需要有機的結合在一起，具有重要的實用價值。

按照建模所使用的數(shù)據源來分，三維地質建?？梢苑譃榛阢@孔數(shù)據建模、基于剖面數(shù)據建模、基于三維地震資料建模、基于多源數(shù)據建模等［2］。鉆探是獲取地下三維空間信息的重要手段，鉆孔數(shù)據中包含了巖土層的絕大部分信息，能夠反映巖土層的天然狀況，是獲取三維地質信息、進行巖土層可視化、模擬分析的主要數(shù)據。利用鉆孔數(shù)據，前人也構建了不同的三維地質模型［3-8］，取得了一定的效果。本文以揚中市工程地質鉆孔數(shù)據為基礎，利用GMS軟件構建了30m以淺的三維工程地質結構模型，從三維立體的角度呈現(xiàn)了各工程地質層的空間組合關系，有利于認識研究區(qū)內的工程地質特征，為土地的開發(fā)利用、城市發(fā)展規(guī)劃和工程建設提供了依據。

2　三維工程地質模型的建立

2.1GMS軟件

GMS是地下水模擬系統(tǒng)（Groundwater Modeling System）的簡稱，是一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件［9］，不僅具有地下水模擬、溶質運移模擬等功能外，還具有從鉆孔到地層結構、從平面到空間建立三維地質模型的功能。

2.2模型邊界的確定與導入

GMS構建三維地質模型是通過內插的方法構建，模型邊界的平滑程度直接影響模型的可靠性。本次建模的范圍為揚中市的陸地面積，不包括長江和大部門夾江的水面，并在揚中行政邊界的基礎上，對行政邊界彎曲較大地段進行忽略或填充，生成GMS可以導入的邊界文件。

2.3地表形態(tài)的生成

揚中市為長江三角洲沖積平原，地形平坦，地形等高線稀疏，本次地表形態(tài)的生成主要利用區(qū)內的高程點進行構建，即將已有的高程點數(shù)據一起進行Delaunay三角剖分，以生成的三角形平面來模擬地表形態(tài)。

2.4工程地質層概化

三維工程地質建模數(shù)據主要來源于鉆孔資料，需要鉆孔名稱、橫坐標X、縱坐標Y、頂板標高Z、地層巖性Soil ID、地層層序Horizon等數(shù)據，這些數(shù)據點具有離散、有限、稀疏、不規(guī)則等特點，為體現(xiàn)不同鉆孔間的對應關系，建模前首先要進行預處理，進行工程地質層的劃分、排序和統(tǒng)一編號等。

由于工程地質層空間分布的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性［10］，工程地質層之間相互交叉、關系錯綜復雜，如何進行工程地質層序的劃分成為三維地質建模的關鍵問題。根據收集的工程地質鉆孔，揚中市淺部土體的巖性種類較多，有粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉砂、細砂、粉細砂、含礫中粗砂以及上述各類巖性的互層等，而這么多種巖性及其之間的組合關系增加了模型建立的難度，難以在三維結構模型中一一顯示出來，因此必須對各類巖性進行合理的歸并和概化，使模型能夠更加簡單明了的展示出來，同時也能降低模型建立的難度，減少模型建立的工作量。本次建模在收集整理工程地質鉆孔數(shù)據的基礎上，根據物理力學性質，對揚中市淺部土體的巖性做了進一步的歸并，將30m以淺土體分為11個工程地質層（表1）。本次三維工程地質建模共收集到揚中市的工程地質鉆孔21個，整理后的鉆孔數(shù)據以工程地層分層為單位，通過空間坐標（X、Y、Z）將同一鉆孔的不同分層集成到一起。

表1　揚中市淺部地層屬性表

2.5鉆孔剖面圖的創(chuàng)建

鉆孔剖面圖能直觀表現(xiàn)地層的分布與構造特征，較好地反映典型的和特殊的地質現(xiàn)象。鉆孔剖面圖的創(chuàng)建有效地約束了計算機數(shù)學插值，盡可能地保證了插值后的地層與實際地層的吻合程度，將建模過程中相鄰鉆孔數(shù)據繪制的剖面圖與鉆孔數(shù)據結合在一起進行建模，可以提高三維地層模型的精度與表現(xiàn)能力。當鉆孔間工程地質層具有完全吻合的對應關系時，即2個鉆孔工程地質層相同，可自動創(chuàng)建鉆孔剖面。但是，由于鉆孔是點狀數(shù)據，鉆孔間往往不具有完全吻合的對應關系，插值結果往往無法刻畫鉆孔之間工程地質層的實際情況，這時自動創(chuàng)建的鉆孔剖面往往與實際相差較大，就需要手動創(chuàng)建盡可能符合實際的鉆孔剖面。如鉆孔ZK11中的（5）層，在鉆孔ZK12中缺失，而鉆孔ZK12中的（6）層，在鉆孔ZK11中缺失，就需要手動創(chuàng)建鉆孔剖面，以符合實際情況（圖1）。

圖1　ZK11和ZK12鉆孔剖面夾層處理前后的對比

3　三維工程地質立體模型的功能

在GMS中做好導入模型邊界、工程地質層概化、鉆孔文件準備、構建鉆孔剖面、生成不規(guī)則三角網等工作后，即可構建三維工程地質模型（圖2、圖3）。

建成后的揚中市三維工程地質模型可無障礙、逐層觀察工程地質層的空間分布特征以及接觸關系，對工程地質結構有更完整、更具體的認識，實現(xiàn)了多維視角、隨意切剖、地理位置與三維地層組合相對照等功能。

（1）通過對工程地質結構模型的查詢，能以分解形式展現(xiàn)任一工程地質層層的空間展布形態(tài)，尤其是不良工程地質層（軟土、砂土）（圖4）的空間分布，而且能以組合形式展現(xiàn)任意兩個工程地質層的組合關系。

（2）可以多視角的觀測各工程地質層的的空間形態(tài)，并且可以產生在任意方向上切割工程地質層的縱剖面圖，有助于更好的了解工程地質層在不同位置的空間分布。

（3）可以從任意地層高程上，切出橫向（水平）的工程地質層切片，顯示某一深度下各工程地質層的區(qū)域分布（圖5），并可以計算出任一工程地質層空間體的體積，為工程建設、規(guī)劃提供依據。

（4）在已建成的三維工程地質模型的基礎上，采用相同的坐標系統(tǒng)，將地理圖、規(guī)劃圖等以活動的方式覆于其上，可以了解任意功能區(qū)的工程地質層的分布與結構形態(tài)，直觀、清晰的將地區(qū)與其地下空間的工程地質結構聯(lián)系起來。

圖2　揚中市工程地質鉆孔三維形態(tài)

圖3　揚中市工程地質三維模型

圖4　揚中市第⑶工程地質層（淤泥質粉質粘土）展布形態(tài)

圖5　揚州市-10m標高工程地質層展布圖

4　存在問題

揚中市三維工程地質模型的構建是以工程地質鉆孔資料為基礎，利用GMS構建起來的，客觀地反映了揚中市工程地質層的空間分布狀況，軟土、砂土等特殊工程地質層也得到了很好的處理，達到預期的效果，但是在模型的構建過程中仍然存在一些問題。

4.1鉆孔數(shù)量

對于地形平緩、地層結構簡單的地區(qū)，少量的鉆孔就可以清楚地反映該地區(qū)的地層結構；而對于地形起伏較大、地層結構復雜或是構造發(fā)育的地區(qū)，需要較多的鉆孔才能準確揭示各地層分布以及構造的發(fā)育狀況。本次建模利用了21個工程地質鉆孔，相對于揚中市全區(qū)來說，鉆孔的數(shù)量偏少，不能完全反映全區(qū)工程地質層的特征，可能導致部分地區(qū)的某個工程地質層缺失，影響模型的精度。今后，隨著工程地質鉆孔資料的積累，可以不補充完善工程地質結構三維模型。

4.2鉆孔資料整理

本次建模收集的工程地質鉆孔資料的來源不一，由于鉆孔的投影方式、作業(yè)方式、編錄標準等的不同，存在著資料雜、可比性差的問題，給鉆孔資料的整理和工程地質層的對比和概化增添了困難。

4.3工程地質層的劃分

在個別工程地質鉆孔中，包含有連續(xù)性差的工程地質夾層，如果建模時劃分的工程地質層過細，將導致模型無法分辨透鏡體和連續(xù)地層，容易引起地層混雜，即將一個鉆孔上的透鏡體地層與另一個或幾個鉆孔上的連續(xù)地層界面相連，形成錯誤的地層結構。針對這種情況，在整理鉆孔資料時根據該區(qū)域剖面圖，將透鏡體區(qū)分出來，忽略小的透鏡體，對于大的透鏡體，另行生成地層結構。

4.4差值計算方法的選擇

在進行插值計算時，采用反距離加權法和自然鄰近插值法所產生的結果可能會有很大的差異，而且邊界單元距離和三角網的密度也都影響著模型的精度，在實際應用過程中要在對比的基礎上選擇適合本地區(qū)的方法。

5　結語

三維地質模型作為一種處理地質對象的新技術，除了具有確定性、可視性及可修改性之外，更重要的是能夠利用已有模型數(shù)據進行有關分析和推測，更加符合現(xiàn)代工程規(guī)劃、設計、施工和管理的需要，具有廣闊的應用前景。但是，真實的地質結構是非常復雜的，沒有固定、準確的模式，地學數(shù)據也存在許多不確定性，具有有限、離散、稀疏、空間分布不均勻等特點，而且經濟條件也不允許為解決不確定而進行充足采樣。作為對地質結構的仿真，如何提高模型的精度，使三維模型將更加接近真實的地質結構，將是今后研究的重點。

［1］吳觀茂，黃明，李剛，等.三維地質模型與可視化研究的現(xiàn)狀分析［J］.測繪工程，2008，17（2）：1-5.

［2］張洋洋，周萬蓬，吳志春，等.三維地質建模技術發(fā)展現(xiàn)狀及建模實例［J］.東華理工大學學報：社會科學版，2013，32（3）：403-408.

［3］朱良峰，吳信才，劉修國，等.基于鉆孔數(shù)據的三維地層模型的構建［J］.地理與地理信息科學，2004，20（3）：26-30.

［4］柳慶武，吳沖龍，李紹虎.基于鉆孔資料的三維數(shù)字地層格架自動生成技術研究［J］.石油實驗地質，2003，25（5）：501-504.

［5］張渭軍，王文科.基于鉆孔數(shù)據的地層三維建模與可視化研究［J］.大地構造與成礦學，2006，30（1）：108-113.

［6］陳學習，吳立新，車德福，等.基于鉆孔數(shù)據的含斷層地質體三維建模方法［J］.煤田地質與勘探，2005，33（5）：5-8.

［7］明鏡.基于鉆孔的三維地質模型快速構建及更新［J］.地理與地理信息科學，2011，28（5）：55-59.

［8］施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數(shù)據的三維地層模型的自動構建［J］.城市勘測，2006（5）：62-65.

［9］祝曉彬.地下水模擬系統(tǒng)（GMS）軟件［J］.水文地質工程地質，2003（5）：53-55.

［10］賀懷建，白世偉，趙新華，等.三維地層模型中地層劃分的探討［J］.巖土力學，2002，23（5）：637-639.

Construction of 3D Geological Model Based on Drilling Data in Yangzhong City

LIU Hong1，2，Cheng Gang1，2，Wang Zheng-hai1，2
（1.Ministry of Land and Resources Ground Fissure Geological Disaster Key Lab，Nanjing Jiangsu 210018，China；2.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210018，China）

3D geological structural model can directly reflect the characteristics of the spatial distribution of engineering geological layer，provide the correct judgment and cause analysis of engineering geological problem，and provide basis for urban planning，economic layout and engineering construction.Taking Yangzhong City as a case，based on engineering geological drilling data，Using GMS software，the 3D engineering geological model above 30m is constructed，and shows the practical modeling effect which has a certain practical value.

drilling data；3D；engineering geological model；Yangzhong City

P64

A

1004-5716（2016）03-0160-04

2015-03-13

2015-03-23

劉洪（1973-），男（漢族），安徽阜陽人，高級工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質工作。