城市區(qū)域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)與集成方法

李 敏，劉 釗，韓 征，張海龍，張 雪

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，北京100195）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和二維GIS行業(yè)應(yīng)用的深入，人們使用三維地質(zhì)模型來(lái)展現(xiàn)真實(shí)世界的渴望越來(lái)越強(qiáng)烈。三維地質(zhì)模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀直接地展示復(fù)雜的地理信息，同時(shí)具有強(qiáng)大的空間分析功能。隨著地質(zhì)信息化的發(fā)展，三維地質(zhì)模型建設(shè)逐步進(jìn)入成熟階段。

近年來(lái)，地勘單位先后建立了一些三維模型系統(tǒng)，但每個(gè)地質(zhì)工程獨(dú)立建模，割裂了相互聯(lián)系，缺乏地質(zhì)工程的集成與聯(lián)動(dòng)機(jī)制。城市地質(zhì)協(xié)同開(kāi)發(fā)利用的需求更新推動(dòng)著三維集成建模技術(shù)的不斷發(fā)展，三維建模發(fā)展趨勢(shì)由單個(gè)地質(zhì)層表面建模向三維地質(zhì)“體”模型的綜合構(gòu)建發(fā)展。本文以北京市通州區(qū)三維地質(zhì)模型的建設(shè)為典型應(yīng)用，充分利用不同的數(shù)據(jù)模型在描述不同空間實(shí)體所具有的優(yōu)點(diǎn)將多個(gè)三維地質(zhì)模型集成在一起，并通過(guò)三維地球方式進(jìn)行地上地下一體化展示和管理，為提升城市地質(zhì)成果的可視化表達(dá)提供新的手段和方式。

1 三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀

國(guó)外的三維地質(zhì)建模發(fā)展較早，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等在理論研究、軟件開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用等方面發(fā)展較為成熟，先后經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的線框建模、表面建模、塊體建模到集成建模的發(fā)展階段。國(guó)內(nèi)對(duì)三維地學(xué)可視化研究起步較晚，但也做了大量有益的探索，近年來(lái)發(fā)展迅速，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的應(yīng)用需求。

目前，一些城市已經(jīng)構(gòu)建了區(qū)域三維地質(zhì)模擬系統(tǒng)，但僅僅是通過(guò)剖面進(jìn)行三維模型的推演，難以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、工程和特殊現(xiàn)象等的綜合表達(dá)，且數(shù)據(jù)模型單一，地表、地層、地下工程模型獨(dú)立建模，建模理論與方法的集成化程度較低。隨著三維技術(shù)以及地理信息技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建區(qū)域空間形態(tài)復(fù)雜、拓?fù)潢P(guān)系一致的整體區(qū)域模型集成展示系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。

2 三維地質(zhì)模型的系統(tǒng)建設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)梳理和標(biāo)準(zhǔn)化

由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系的復(fù)雜性、不確定性、信息不完備性、處理算法復(fù)雜等特點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)梳理成為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的難點(diǎn)和核心。針對(duì)不同來(lái)源、不同尺度、不同時(shí)間和不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、管理和質(zhì)量評(píng)價(jià)是地學(xué)三維建模的基礎(chǔ)。

描述城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)，包括地面沉降、淺層地溫能、隱伏構(gòu)造等所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探數(shù)據(jù)，其格式多樣、質(zhì)量不一。因此，選取數(shù)據(jù)源后，要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的三維建模應(yīng)首先進(jìn)行基本地質(zhì)數(shù)據(jù)的規(guī)則化處理，將所有數(shù)據(jù)規(guī)則化成單一的點(diǎn)、線、面、向量等基本的幾何約束數(shù)據(jù)：篩選出所有可用的剖面數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地面沉降數(shù)據(jù)、等值線數(shù)據(jù)、DEM、正射影像圖和地理底圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化主要包括對(duì)剖面數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)地層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、等值線數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體包括以下3個(gè)方面：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和巖性特征，以及廣泛收集的遙感、物化探、鉆孔、編錄、測(cè)井、樣品測(cè)試等資料，針對(duì)不同的工作精度（1∶500～1∶50萬(wàn)）、不同的建設(shè)用途（工程建設(shè)層、新生界、基巖等）、不同建模深度（0～50m、0～120m等）、不同范圍（規(guī)劃建設(shè)區(qū)、各區(qū)縣、平原區(qū)、全市）、不同地質(zhì)時(shí)代，按照統(tǒng)一的分類(lèi)命名規(guī)則和鉆孔概化規(guī)則對(duì)全部鉆孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立針對(duì)不同垂向比例尺的標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將比例尺要素納入空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的組織結(jié)構(gòu)中。

（2）基準(zhǔn)鉆孔庫(kù)的建設(shè)

建立基準(zhǔn)鉆孔庫(kù)的主要目的是根據(jù)不同的垂向比例尺，為已有鉆孔資料的使用和區(qū)域三維地質(zhì)的建模提供基準(zhǔn)。具體方法，是在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中，優(yōu)選具有代表性的、垂向可控制全段地層、水平上可控制特定地質(zhì)單元的鉆孔作為基準(zhǔn)鉆孔，并在區(qū)域內(nèi)組成基準(zhǔn)孔網(wǎng)。基準(zhǔn)鉆孔無(wú)須單獨(dú)建庫(kù)，僅針對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充編錄便可。

（3）基準(zhǔn)剖面庫(kù)的建設(shè)

基準(zhǔn)剖面的主要作用是在基準(zhǔn)孔網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工編繪，以作為建立三維地層結(jié)構(gòu)的骨架。區(qū)域三維地質(zhì)剖面需要由相互垂直的兩組剖面圖系完成，因此，不但需要考慮到鉆孔之間的地層連接問(wèn)題，還需要考慮剖面圖之間的相互關(guān)系以及剖面圖中沉積物的橫向變化和相變。因此，應(yīng)以基準(zhǔn)孔網(wǎng)為標(biāo)尺，利用大量標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔，邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的地質(zhì)專(zhuān)家編繪對(duì)聯(lián)合剖面進(jìn)行繪制，并在此基礎(chǔ)之上，為每條剖面添加多組坐標(biāo)控制點(diǎn)，并以元數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行編錄，以備后期與其他基礎(chǔ)地質(zhì)圖件進(jìn)行集成。

2.2 三維地質(zhì)模型的建立方法

三維地質(zhì)模型是地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維展示與空間分析的基礎(chǔ)，是對(duì)多種多樣區(qū)域地質(zhì)情況綜合描述的關(guān)鍵手段，也是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)的重要方式。常見(jiàn)的三維地質(zhì)建模方法主要有∶ 基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模方法（朱良峰等，2004；Lemon et al，2003）、基于剖面數(shù)據(jù)的建模方法、基于多源數(shù)據(jù)交互建模方法（屈紅剛等，2008）等?；谶@些建模方法，通過(guò)局部的、精細(xì)的地質(zhì)描述數(shù)據(jù)約束進(jìn)行構(gòu)建相應(yīng)的地質(zhì)界面模型，基于這些地質(zhì)界面模型可以從區(qū)域地質(zhì)格架中剝離出來(lái)各個(gè)地質(zhì)體模型。

（1）鉆孔建模

鉆孔是最常見(jiàn)的地質(zhì)勘察技術(shù)手段，從鉆孔數(shù)據(jù)出發(fā)建立地質(zhì)模型也是最常見(jiàn)和最基本的三維地質(zhì)建模方法之一。對(duì)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的excel格式的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)，建立鉆孔模型。通過(guò)鉆孔坐標(biāo)及分層數(shù)據(jù)，快速建立起地層分層的基本參考信息，建立地層面及地質(zhì)體。本方法自動(dòng)化程度極高，可用于大規(guī)模鉆孔的快速建模。但這種建模方式交互程度低，一般只適用于簡(jiǎn)單的工程類(lèi)模型，無(wú)法處理斷層或倒轉(zhuǎn)褶皺等復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。

（2）交叉折剖面建模

本方法是通過(guò)引入剖面中空間要素之間的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)生成基于邊界表達(dá)的三維地質(zhì)模型的方法，在用戶(hù)少量干預(yù)下，可以建立絕大多數(shù)復(fù)雜地質(zhì)模型。該方法主要包括剖面數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地質(zhì)界面建模、建模區(qū)邊界面建模、地質(zhì)界面修正及光滑、封閉成體五個(gè)步驟，不但實(shí)現(xiàn)了高精度三維地質(zhì)模型的自動(dòng)、快速構(gòu)建，而且擴(kuò)大了建?？衫玫臄?shù)據(jù)源，由更多的資料參與建模，構(gòu)建的模型質(zhì)量得以提高。

（3）多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模

實(shí)際專(zhuān)業(yè)成果包括鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、平面地質(zhì)圖、等值線等多樣化數(shù)據(jù)，因此不同地質(zhì)體應(yīng)采用不同建模方法，最后進(jìn)行多模型融合，實(shí)現(xiàn)多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模。具體方法，是從地質(zhì)圖、剖面圖中提取斷裂數(shù)據(jù)，生成的斷層面控制著地層界線的伸展位置及范圍（張?jiān)旱龋?015）。將復(fù)雜褶皺、透鏡體、巖體等輪廓線插值填充生成體模型，嵌入在地質(zhì)模型中，從而形成合理的復(fù)雜地質(zhì)體模型。建模過(guò)程伴隨著地質(zhì)解譯過(guò)程，數(shù)據(jù)豐富，模型精度高，交互程度高，能處理各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)情況，建模結(jié)果符合建模者設(shè)想。但該種建模方法處理數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，建模過(guò)程需要較多的人工干預(yù)。

3 三維地質(zhì)模型的集成

隨著地質(zhì)勘查的開(kāi)發(fā)利用向大規(guī)模、大深度、綜合化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化發(fā)展，迫切需要利用多種空間模型的整合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域性地形的地上、地下一體化可視化分析，為地質(zhì)資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

3.1 多專(zhuān)題地質(zhì)模型集成

本文依托于自主研發(fā)的軟件平臺(tái)GeoBGS，建立了北京市通州區(qū)空間形態(tài)復(fù)雜、拓?fù)潢P(guān)系一致的三維地質(zhì)綜合展示分析系統(tǒng)。系統(tǒng)面積覆蓋通州全區(qū)906km2（圖1），集成了通州區(qū)多個(gè)專(zhuān)題三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。GeoBGS可顯著提高海量三維空間數(shù)據(jù)高效管理的能力，滿(mǎn)足三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的綜合展示以及成果圖件的疊加展示，可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同比例尺、不同建設(shè)目標(biāo)模型集成，可實(shí)現(xiàn)與BIM建筑信息模型的數(shù)據(jù)交互。

圖1 通州三維地質(zhì)模型展示系統(tǒng)Fig.1 Tongzhou 3D geological model display system

通州區(qū)域的各個(gè)專(zhuān)題三維地質(zhì)模型的建設(shè)多采用多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模方法：以基準(zhǔn)孔網(wǎng)為標(biāo)尺，以基準(zhǔn)剖面為骨架，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔充實(shí)聯(lián)合剖面的骨架結(jié)構(gòu)，并參考地層剖面上地層的展布狀態(tài)，采用樣條法、雙線性插值法、最小二乘法、不規(guī)則三角網(wǎng)法等生成每個(gè)地層的頂板曲面，然后使用DEM數(shù)據(jù)聯(lián)合頂面曲面數(shù)據(jù)生成骨架內(nèi)部的三維地質(zhì)體。

系統(tǒng)地層結(jié)構(gòu)涉及第四系、第三系和基巖。根據(jù)地質(zhì)勘查研究的深度，從垂直上，分別對(duì)土壤地質(zhì)環(huán)境、淺層地溫能、地面沉降、地下水動(dòng)態(tài)、地下水環(huán)境、隱伏構(gòu)造和地?zé)崮艿葘?zhuān)題地質(zhì)模型，疊加集成到通州三維地質(zhì)模型展示系統(tǒng)中，進(jìn)行一體化管理。各專(zhuān)題地質(zhì)模型綜述了通州區(qū)地質(zhì)環(huán)境的二維空間位置、總體狀態(tài)、調(diào)查研究歷史、最新調(diào)查成果，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典的地質(zhì)剖面圖，并在模型中疊加集成了地面沉降累積沉降量分布圖、地下水環(huán)境質(zhì)量分區(qū)圖、土壤地質(zhì)環(huán)境分區(qū)圖、地下水位埋深等值線圖、取樣點(diǎn)分布圖、監(jiān)測(cè)設(shè)備、實(shí)景圖片等信息。地面沉降地質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)功能，隱伏構(gòu)造地質(zhì)模型具有詳細(xì)的影響范圍說(shuō)明，并實(shí)現(xiàn)了斷裂傾角的模擬仿真（圖2）。

圖2 專(zhuān)題應(yīng)用地質(zhì)模型Fig.2 Special subject application 3D geological model

3.2 地上地下一體化模型集成

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域性地形的地上、地下一體化集成分析，基于三維地質(zhì)綜合展示分析系統(tǒng)和地表建筑模型、管線模型、規(guī)劃模型等，采用StampGis平臺(tái)可完成一體化模型，還原真實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)二維數(shù)據(jù)與城市三維建筑模型的一體化管理與顯示，達(dá)到強(qiáng)大的三維可視化效果（圖3）。

圖3 地上地下一體化模型Fig.3 Integrated ground and underground model

如圖4所示地上地下一體化集成流程。首先將三維地質(zhì)綜合展示分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換為一體化模型平臺(tái)所需的三維地質(zhì)模型格式。然后將現(xiàn)有模型按照設(shè)定范圍進(jìn)行裁剪，確保邊界相契合。由于地表模型和地下模型坐標(biāo)系統(tǒng)涉及了WGS84、北京54、北京地方等坐標(biāo)系，因此，進(jìn)行集成前需要進(jìn)行空間配準(zhǔn)，以確保模型可以在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行無(wú)縫集成。然后將全部模型轉(zhuǎn)換至WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。由于地表模型和地下模型采用的DEM版本不一致，造成地下模型的表層、第二層不能與地表形態(tài)完全貼合在一起，因此需要對(duì)地下模型進(jìn)行拓?fù)湫迯?fù)，以消除地下空洞、剖面錯(cuò)誤等問(wèn)題。最后按照國(guó)標(biāo)要求對(duì)底層紋理進(jìn)行處理，以DEM為界面實(shí)現(xiàn)地上地下一體化模型的數(shù)據(jù)集成。

圖4 地上地下一體化建模技術(shù)總體框架圖Fig.4 Overall framework diagram of integrated modeling technology on ground and underground

系統(tǒng)具有基本的三維可視化和分析功能，包括：場(chǎng)景的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、單軸放大/縮小、配置可視化參數(shù)、地質(zhì)體開(kāi)挖仿真模擬，地上地下一體化空間分析、屬性分析、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)、瀏覽展示等功能，支持鉆孔的自動(dòng)提取和任意剖面的切割分析，實(shí)現(xiàn)了全方位的地上地下三維建模（韓征等，2017），并將水位、沉降、淺層地溫能等成果數(shù)據(jù)進(jìn)行集成模型管理，為城市地質(zhì)規(guī)劃提供信息支撐（圖5）。

圖5 地上地下一體化模型地下水場(chǎng)景Fig.5 groundwater scene of integrated ground and underground model

4 結(jié)論

（1）多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模法的建模精度最優(yōu)，適用于城市區(qū)域地質(zhì)建模。

（2）城市地質(zhì)三維模型的集成方法不勝枚舉，但采用一體化數(shù)據(jù)模型、一體化空間表達(dá)、一體化空間分析、一體化開(kāi)發(fā)方式的集成設(shè)計(jì)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)地上地下無(wú)縫漫游和深度應(yīng)用，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算蓬勃發(fā)展的新時(shí)代，三維建模應(yīng)順勢(shì)而為，借助于新一代的信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能更為強(qiáng)大的模型建設(shè)。