基于GIS 的三維水文地質(zhì)建模及應(yīng)用
——以咸陽市為例

萬曉明 ，凌丹丹 ，馬國璽 ，馬宇梅 ，萬小紅

（1.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，西安710068； 2.武漢中地數(shù)碼科技有限公司，武漢 430073； 3.運城學(xué)院，山西 運城 044000）

隨著我國城市地質(zhì)工作需求的日益增長，運用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，建立更加靈活直觀的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺變得更加迫切。 因此，三維建模逐步成為城市地質(zhì)綜合信息平臺技術(shù)體系中的重要組成部分。 國內(nèi)外就三維GIS 建模方法、三維可視化技術(shù)、三維數(shù)據(jù)模型等方面展開了大量研究[1－7]。 自Houlding 提出地質(zhì)體三維建模與可視化以來，三維地質(zhì)建模的研究逐漸開展，將三維地質(zhì)建模與城市地質(zhì)工作相結(jié)合， 眾多學(xué)者也取得了豐富的成果，主要包括地鐵真三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬，三維地理信息系統(tǒng)可視化管理和分析，城市三維空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)與管理，城市環(huán)境的可視化研究，三維水文地質(zhì)模型研究等等[8－13]。

三維建模（3D Geosciences Modeling）技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)，在三維環(huán)境下將地層、構(gòu)造及其他地質(zhì)現(xiàn)象盡可能真實地展現(xiàn)出來的一種技術(shù)[14]。 三維地質(zhì)建模技術(shù)不僅能對地質(zhì)工作研究提供大量的數(shù)據(jù)支撐，讓人們直觀地了解地質(zhì)狀況，還能夠輔助和支持地質(zhì)行業(yè)的技術(shù)決策[15－16]。 目前按不同的分類依據(jù)，有接近30 種的三維建模方法[17]，如基于數(shù)據(jù)源、基于尺度、基于建模的動態(tài)性和基于研究工具等分類，其中基于數(shù)據(jù)源方法可分為基于剖面[18－19]、基于離散點[20]、基于鉆孔數(shù)據(jù)[21－22]、基于地球物理數(shù)據(jù)[23－24]和基于多源數(shù)據(jù)[25－26]等。各個方法都有自己的優(yōu)缺點和適用情況， 如基于鉆孔數(shù)據(jù)建模，自動化程度較高，但難以解決含斷層等復(fù)雜的地質(zhì)地層建模問題；基于剖面數(shù)據(jù)建模，具有較多專家經(jīng)驗，建模速度快，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以表達，遇到復(fù)雜的地層建模精度較低；基于地球物理建?？梢苑从成畈康刭|(zhì)狀況，但資料獲取復(fù)雜，無法人工干預(yù)，反映地質(zhì)信息不夠詳細；基于多源數(shù)據(jù)建模可以彌補單一數(shù)據(jù)的不足，通過綜合利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，從而較大程度的提高建模精度，是目前三維地質(zhì)建模研究的熱點。

本文依托咸陽城市地質(zhì)調(diào)查項目， 在MapGis10城市地質(zhì)綜合信息平臺的支持下，以水文地質(zhì)剖面為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加入水文地質(zhì)鉆孔、水文地質(zhì)圖、地表高程等多源數(shù)據(jù)作為約束，由地質(zhì)專業(yè)人員利用人機交互式單元分割－拼接建模方法， 構(gòu)建300 m 以淺水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為研究咸陽地區(qū)地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水資源賦存特征提供了三維可視化的數(shù)據(jù)支撐。

1 建模方法選擇與操作

根據(jù)城市建設(shè)需求，本次水文地質(zhì)三維建模需充分揭示咸陽地區(qū)從地表到地下300 m 的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括綜合表達由基巖山、黃土丘陵、黃土塬、沖洪積平原和沖擊平原構(gòu)成的地貌類型；綜合揭示咸陽地區(qū)的從元古界－新生界的地下地層分布；綜合反映新生代復(fù)式地塹型斷裂盆地中的不同方向斷裂切錯地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象； 以及綜合分析含水層、弱含水層與隔水層的巖性、結(jié)構(gòu)、厚度及其空間變化，全面提升已有地質(zhì)資料信息化服務(wù)水平。

平臺方面， 選取MapGis10 作為搭建平臺。MapGis10 具有加載數(shù)據(jù)快、功能強大、操作相對容易等優(yōu)點，可以較好的完成咸陽地區(qū)水文地質(zhì)三維建模的需求。

方法方面，根據(jù)前文所述，多種方法中基于多源數(shù)據(jù)建模的精度較高， 是目前較熱的建模方法，而由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、 地質(zhì)現(xiàn)象的不確定性、數(shù)據(jù)的多源性等原因，選擇人機交互建模代替純自動化建模更有益于建模的準確性。

因此，根據(jù)咸陽地區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點及需求， 依據(jù)MapGis10 城市地質(zhì)綜合信息平臺的支持下的三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)優(yōu)勢，最終選定以水文地質(zhì)鉆孔、水文地質(zhì)圖、地表高程等多源數(shù)據(jù)作為約束， 以人機交互式單元分割－拼接的建模方法進行咸陽水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型搭建。 建模過程中，先根據(jù)建模區(qū)域的地質(zhì)地貌特點， 利用地質(zhì)地貌圖、地形圖、地質(zhì)測試分析數(shù)據(jù)等資料刻畫多條平行或者橫縱交叉的剖面，將建模區(qū)域分割為若干個獨立的單元，借助GIS 軟件工具，人工輔助對獨立的單元格進行三維地質(zhì)填圖，最后將單元格系統(tǒng)拼接，形成整個工作區(qū)的地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型（圖1），具體方法與操作如下。

1.1 數(shù)據(jù)收集

收集咸陽市水文地質(zhì)和工程地質(zhì)建模所需的數(shù)據(jù)， 整理成滿足建模軟件可使用的數(shù)據(jù)格式，主要包括圖片、WORD 及紙質(zhì)格式的水文、 工程鉆孔數(shù)據(jù)；地下水位、水質(zhì)監(jiān)測井，城區(qū)供水井動態(tài)數(shù)據(jù)；地質(zhì)地貌圖、綜合水文地質(zhì)圖、水化學(xué)類型、礦化度圖等矢量圖件數(shù)據(jù)；紙質(zhì)水文、工程地質(zhì)剖面圖和剖面平面部署圖數(shù)據(jù)；PDF 或WORD 格式成井報告數(shù)據(jù)等。

1.2 水文地質(zhì)剖面預(yù)處理

在三維建模之前，需要對即將導(dǎo)入的水文地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包括：

（1）水文地質(zhì)剖面初始化制作：對于收集到的鉆孔、監(jiān)測井、水文地質(zhì)圖、地形地貌圖、地質(zhì)成果報告等，為了避免系統(tǒng)自動化生成剖面較“生硬”的現(xiàn)象，水文地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員要結(jié)合自身豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗在紙介質(zhì)上刻畫初始的水文地質(zhì)剖面圖，系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域地表地形和地貌特征、地下地質(zhì)和構(gòu)造特征、地下水位變化特征、含水和隔水巖組分布特征等，形成剖面的邊界線數(shù)據(jù)。

圖1 復(fù)雜地質(zhì)體交互式建模Fig.1 interactive modeling with complex geologic bodies

（2）圖件矢量化：將紙質(zhì)的水文地質(zhì)剖面經(jīng)過掃描成圖，然后在MapGIS 地圖編輯器中進行人工矢量化，對剖面邊界線進行拓撲查錯，再進行拓撲造區(qū)處理，形成矢量剖面數(shù)據(jù)。

（3）剖面區(qū)賦參數(shù)屬性：結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，制定標準地層表，制作剖面區(qū)參數(shù)屬性圖例版，最終制作出帶有標準化顏色、紋理和屬性的標準地下水三維剖面數(shù)據(jù)。

其中， 本次建模剖面屬性主要包括： 圖元編號、地層序號、地質(zhì)時代、地層巖性、巖性描述、是否含水、地下水類型、剖面代號和地層編碼共9 個屬性，這些屬性最終傳遞至咸陽三維水文地質(zhì)模型。

（4）制作鉆孔軌跡線：根據(jù)剖面上鉆孔信息，獲取每條剖面導(dǎo)線的拐點和端點的橫縱坐標值和地面高程值，最終繪制水文剖面的鉆孔軌跡線。

1.3 三維交互建模

（1）剖面導(dǎo)入

三維建模是在二維剖面基礎(chǔ)上建立的，本次建模以導(dǎo)入的交叉地質(zhì)剖面為主體建模數(shù)據(jù)，控制整個建模區(qū)域的框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部以鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地層頂板等值線圖、 平面地質(zhì)圖等多種數(shù)據(jù)源約束，完成研究區(qū)地下三維結(jié)構(gòu)模型。

剖面數(shù)據(jù)主要是在垂直的折平面上反映地層的空間變換信息， 二維剖面入庫建立三維剖面模型，需要三個要素：地層面文件、地層線文件和鉆孔軌跡線文件[26]。 地層面文件與地層線文件可通過1.2 節(jié)預(yù)處理辦法， 即由處理好的二維剖面直接獲得（圖2），鉆孔軌跡線作為鉆孔軌跡在剖面上的投影則通過收集的鉆孔數(shù)據(jù)按1.2 節(jié)鉆孔軌跡線制作方法完成。

二維數(shù)據(jù)入庫前最重要的是對剖面數(shù)據(jù)進行一致性檢查與平查處理。因為在沒有導(dǎo)入三維空間之前，各剖面之間空間關(guān)系不夠直觀，而剖面上地層線的描述受到地質(zhì)人員認知不同的約束，所以不能保證交叉處地層厚度和分層界線是一致的。 因此，需要進行剖面一致性檢查，并在交叉處進行類似節(jié)點平查的微調(diào)處理，確保連接處地層類型完全一致。

剖面一致性檢查就是在水文地質(zhì)剖面中存在分層不相符或者有錯位情況時， 參考相鄰鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地層頂板等值線圖、平面地質(zhì)圖等多種數(shù)據(jù)源信息，確定地層地下位置，以地面地形線為基準，由上向下檢查，完成正確層位或者尖滅線的繪制。平查處理則是建模平臺根據(jù)數(shù)據(jù)空間坐標信息，搜索一定區(qū)域內(nèi)距離特別相近的點進行自動連接，二維數(shù)據(jù)入庫檢查后最終完成咸陽地區(qū)水文地質(zhì)三維剖面模型（圖3）。

圖2 咸陽二維水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Two dimensional hydrogeological profile of xianyang

（2）斷層的處理方法

當單元格內(nèi)存在斷層時， 必須優(yōu)先構(gòu)建斷層面。 利用地質(zhì)圖和地層剖面上的地層線，形成網(wǎng)格內(nèi)的斷面；再利用斷層面和剖面的約束來構(gòu)建其他地層界面。

（3）分區(qū)交互建模方法

圖3 剖面一致性檢查處理Fig.3 consistency check of profile

分區(qū)交互式建模方法是在剖面劃分的每個小單元格網(wǎng)內(nèi)構(gòu)面造體的過程，并采取層層構(gòu)建的思想，自上而下（或自下而上）選擇每一個層面的頂（底）部輪廓線進行構(gòu)建。如果地層在某個或者若干個剖面單位格內(nèi)尖滅，則結(jié)合鉆孔、剖面、紙質(zhì)資料以及野外勘查結(jié)果，確定尖滅線走勢，構(gòu)建地層頂?shù)装?，并封閉造體。

當每個單元格內(nèi)地質(zhì)界面構(gòu)建完成后，將相同地層的地質(zhì)界面進行閉合處理，生成單獨的地質(zhì)塊體，每個塊體都具有一定的地層屬性（本次建模共包含 9 個屬性如上 1.2 節(jié)所述）， 將單元格內(nèi)具有相同地質(zhì)屬性的相鄰塊體進行合并，最終形成以地層為單位的地質(zhì)體模型。這些地質(zhì)體的屬性是從弧段屬性傳遞到面屬性，再傳遞給塊體模型的。

2 咸陽城市三維水文地質(zhì)模型

按上述步驟，本次建模采用人機交互式單元分割－拼接建模方法，選用主要鉆孔331 個，刻畫19條骨架剖面和6 條外圍虛擬剖面，將咸陽市及南部地區(qū)分成79 個單元格數(shù)據(jù)建立了水文地質(zhì)建模。構(gòu)建了包括潛水含水層、淺層承壓含水層、深層承壓含水層、泥巖夾砂巖裂隙孔隙水、隔水層等水文地質(zhì)特征的三維結(jié)構(gòu)模型，建模深度300 m，建模面積3714 km2，建立單個地質(zhì)體要素1136 個，建模精度1∶50000?？傮w上，較好的完成了咸陽城市水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型（圖4，圖5）。

圖4 研究區(qū)水文地質(zhì)模型－水文剖面－斷層－鉆孔綜合展示Fig.4 The Comprehensive figure of 3D hydrogeological model，profile，F(xiàn)ault model and Drilling model

圖4 為水文地質(zhì)模型、水文剖面、斷層、鉆孔等綜合展示效果， 圖件左側(cè)為整體水文地質(zhì)模型，右側(cè)為三維地質(zhì)剖面模型，可以清晰看出顏色表示的地層巖性和地下水類型等信息，點擊每個地層面都可以詳細顯示其屬性內(nèi)容，剖面模型內(nèi)還加載了斷層數(shù)據(jù)（紅色切片）、鉆孔數(shù)據(jù)（豎條狀）以及位置數(shù)據(jù)（綠色地名）。圖5 為水文地質(zhì)模型與地表遙感綜合展示，在搭建的三維地質(zhì)模型上，加載地表遙感數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)（綠色地名）。圖4 和圖5 直觀透明的顯示咸陽市地形地貌特征和地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，深化地質(zhì)工作者對咸陽市水文地質(zhì)認識，幫助工作者及時掌握地下水環(huán)境變化信息，為地下水資源合理開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

另外，隧道作為地下空間合理利用一個主要形式，也是本次建模中重要的成果之一。 本次建模提供了基于三維模型的隧道開挖模擬及漫游功能，三維模型隧道漫游支持對地質(zhì)體模型的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)按線路進行展示，可以對感興趣的路徑、位置進行路徑穿越模擬，可以自動演示，也可以點擊觀看隧道穿越的地層屬性。

圖6 隧道模型切割Fig.6 Tunnel model cutting

如圖6a 為在三維模型中自定義的一條隧道（入口見藍色圓圈）；圖6b 為此隧道的詳細信息，右側(cè)為路徑坐標表，包含橫縱坐標及高程，圖6b 中紅點即所設(shè)路徑的坐標點；下方為隧道所在地層屬性表，包含地層序號、地質(zhì)時代、地層巖性、巖性描述、是否含水、地下水類型、地層編碼、剖面編號等信息。 點擊隧道中任意地層面都顯示其詳細屬性信息，依據(jù)隧道的走向、長度、深度等屬性，通過對水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型的切割、屬性拾取和隧道的三維可視化， 可以實現(xiàn)對地下空間開發(fā)過程的模擬，綜合評價地層結(jié)構(gòu)變化對隧道工程的影響，具有一定的參考意義。

3 結(jié)論

（1）本文基于專業(yè)的GIS 平臺，在咸陽地區(qū)地質(zhì)背景下選用人機交互式單元分割－拼接的三維建模方法， 結(jié)合地質(zhì)專家經(jīng)驗和野外實地勘探結(jié)果，最終成功構(gòu)建了咸陽水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型，以數(shù)字化形式還原了咸陽城市地下的水文地質(zhì)面貌。

（2）本次構(gòu)建的咸陽水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型深度 300 m、面積 3714 km2的，建模精度 1∶50000。 模型每個地層面都包含圖元編號、地層序號、地質(zhì)時代、地層巖性、巖性描述、是否含水、地下水類型、剖面代號和地層編碼共9 個屬性，充分顯示地下潛水含水層、淺層承壓含水層、深層承壓含水層、泥巖夾砂巖裂隙孔隙水、隔水層等水文地質(zhì)特征。

（3）通過三維可視化技術(shù)系統(tǒng)提供的多樣化的三維地質(zhì)模型查詢展示分析功能，為地質(zhì)工作者研究咸陽地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征， 支撐咸陽城市建設(shè)、合理開發(fā)利用地下空間和城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價提供了科學(xué)的依據(jù)，本次建模的工作順利完成也為其他城市開展類似建模工作提供借鑒。