城市三維地質(zhì)建模方法研究*

張 源

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

城市地質(zhì)調(diào)查是一項(xiàng)服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的基礎(chǔ)性工作，目的是查明城市地質(zhì)條件、資源狀況和環(huán)境承載能力等基本元素，為城市規(guī)劃建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供重要的基礎(chǔ)支撐。黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院作出了推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的戰(zhàn)略決策，提出了“補(bǔ)齊城市地質(zhì)工作短板”的要求。2017年，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案(2017-2025年)》，對新一輪城市地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行了部署。

城市三維地質(zhì)模型是城市地質(zhì)調(diào)查工作最直觀的表達(dá)成果，是貫徹落實(shí)城市地質(zhì)調(diào)查工作指導(dǎo)意見中的“一模、一網(wǎng)、一平臺”工作，補(bǔ)齊城市規(guī)劃、建設(shè)與管理的地質(zhì)工作短板的重要一環(huán)。如何根據(jù)城市具體地質(zhì)情況和已有的鉆孔、剖面、地質(zhì)圖、地表高程、物探資料等地質(zhì)調(diào)查成果數(shù)據(jù)，選擇合適的三維模型構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)二維地質(zhì)資料向三維應(yīng)用轉(zhuǎn)變是城市三維地質(zhì)建模需要研究的問題。本文詳細(xì)論述了國內(nèi)外三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模技術(shù)研究現(xiàn)狀、城市三維地質(zhì)建模的地質(zhì)條件和建模數(shù)據(jù)源以及各種城市三維地質(zhì)建模方法特點(diǎn)、適用條件和局限性，能夠?yàn)槌鞘腥S地質(zhì)建模提供參考。

1 三維地質(zhì)建模技術(shù)研究現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模是指采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和各要素之間關(guān)系以及地質(zhì)體物理、化學(xué)屬性空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型。三維地質(zhì)建模是一種基于勘探鉆孔、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平面圖、地表等值線、物探資料等稀疏數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值形成地質(zhì)立體模型的三維可視化方法，其本質(zhì)是一個用于模擬地下空間結(jié)構(gòu)和地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)建模過程。

自1993年加拿大學(xué)者Houlding正式提出三維地學(xué)建模的概念以來[1]，各國學(xué)者對地質(zhì)建模及地學(xué)信息可視化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究與探討，提出了一系列的建模算法。法國Nancy大學(xué)的J.L.Mallet教授提出了離散光滑插值(DSI)算法，并基于該算法研發(fā)了國際上最著名的三維地質(zhì)建模軟件GoCAD[2-3]。DSI算法是三維地學(xué)可視化領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的技術(shù)，標(biāo)志著三維地質(zhì)曲面建模技術(shù)取得了重大突破。三維地質(zhì)建模最先在油氣勘探、采礦設(shè)計(jì)和礦山管理中得到應(yīng)用，然后擴(kuò)展到其他相關(guān)領(lǐng)域，如水文地質(zhì) 、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、城市地質(zhì)勘探、城市地下空間管理等。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外在理論、程序開發(fā)以及實(shí)例應(yīng)用等方面均取得了大量的成果，也開發(fā)出不少商業(yè)軟件，如GoCAD、Earth Vision、MineSight、Micromine、Surpac vision等三維建模軟件[4]。

國內(nèi)關(guān)于三維地質(zhì)建模相關(guān)的研究起步較晚，但近年發(fā)展迅速，并取得了一系列的研究成果。吳沖龍?jiān)?0年代提出了盆地三維地層格架建模方法以建立沉積盆地的地質(zhì)模型，隨后其團(tuán)隊(duì)在基于鉆孔、剖面及多源數(shù)據(jù)的建模、矢量剪切技術(shù)等方面進(jìn)行了深入的研究，并將其集成到了國產(chǎn)礦山建模軟件GeoView中[5-7]。潘懋研究了一種基于邊界表達(dá)的三維建模方法，通過剖面上空間要素的拓?fù)潢P(guān)系來生成地質(zhì)體的邊界[8-9]。吳信才等基于TIN和TEN混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了早期的城市三維地質(zhì)建模系統(tǒng)，探討了城市三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、管理與發(fā)布等問題，其團(tuán)隊(duì)逐漸發(fā)展了以鉆孔數(shù)據(jù)為主，融合DEM、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖等多源數(shù)據(jù)的自動建模方法，并將其集成到MapGIS軟件的三維建模工具中[10-12]。侯衛(wèi)生針對地質(zhì)模型的不確定性展開研究，采用熵權(quán)法分析建成模型的誤差，基于蒙特卡羅模擬研究地質(zhì)模型中地層分界位置的不確定性[13]。郭甲騰將基于徑向基函數(shù)的三維隱式建模技術(shù)成功運(yùn)用到礦山建模中建立三維礦體模型，并開始了基于SVM及其他分類算法的隱式建模的初步探索[14]。

2 城市三維地質(zhì)建模特點(diǎn)

2.1 城市三維地質(zhì)建模的地質(zhì)條件

城市一般建立在地質(zhì)條件良好、地基穩(wěn)定的沉積層平原上，也有少數(shù)城市受地理?xiàng)l件等自然因素制約，建立在盆地、丘陵或低緩山地等區(qū)域上。城市三維地質(zhì)建模的平面范圍一般是城市建成區(qū)和周邊的規(guī)劃區(qū)，面積通常為數(shù)百至數(shù)千平方公里。建模深度一般考慮是當(dāng)前地下空間開發(fā)的主流深度范圍和工程地質(zhì)鉆孔的一般深度范圍內(nèi)，通常為數(shù)十米至百十米的量級。超過這個平面范圍和深度的建模一般只需要構(gòu)建粗粒度的框架結(jié)構(gòu)模型，作為城市三維地質(zhì)模型的背景條件存在。

對于城市三維地質(zhì)建模而言，城市淺層地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)多為幾何形態(tài)簡單的第四系沉積層，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，地層分布較為規(guī)則。第四系地層中最為常見的復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象為透鏡體，且當(dāng)?shù)貙觿澐值綆r土名稱或更細(xì)的級別時，地層沒有固定的順序，地層重復(fù)倒序問題極為常見，而斷層褶皺等構(gòu)造在城市地質(zhì)的第四系沉積層中極少出現(xiàn)。當(dāng)建模深度較深或第四系沉積層較薄時，會涉及到第四系以下基巖部分的地質(zhì)體的構(gòu)建?；鶐r中地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，常存在斷層、侵入巖、褶皺等特殊構(gòu)造。

城市三維地質(zhì)建模的地層分層級別一般精確到巖性(或稱“巖土名稱”)，局部重點(diǎn)區(qū)域可以精確到巖土狀態(tài)級別，可以反映出土層的顆粒大小、密實(shí)度、可塑性等土層狀態(tài)，以及基巖地層的風(fēng)化程度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)模型一般只需精確到地質(zhì)年代即可，通常以組作為地層劃分單位。

2.2 城市三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)源

用于城市地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)源一般有：鉆孔、剖面、地質(zhì)圖、地表高程、物探資料。能直接反應(yīng)地下地質(zhì)情況的數(shù)據(jù)源主要是鉆孔和物探資料，而當(dāng)前城市地質(zhì)建模中的主要數(shù)據(jù)源還是以鉆孔數(shù)據(jù)，尤其是工程地質(zhì)鉆孔為主，水文孔、地?zé)峥椎绕渌愋豌@孔相對較少。這主要是因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)活動需要以工程勘探為前提，大量的城市建設(shè)活動積累了巨量的工程地質(zhì)鉆孔，國內(nèi)大中型城市的工程地質(zhì)鉆孔有數(shù)萬甚至數(shù)十萬數(shù)量級的情況極為普遍。而物探數(shù)據(jù)尤其是三維地震解譯資料在城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模中有很大的應(yīng)用前景，但物探數(shù)據(jù)來源較少，主要原因是物探技術(shù)難度較高，準(zhǔn)確度和分辨率相比鉆探要差，不滿足工程建設(shè)的需要，所以物探資料積累較少。

在城市地質(zhì)數(shù)據(jù)空間分布方面，城市三維地質(zhì)建模工作廣泛面臨著建模數(shù)據(jù)分布不均衡的現(xiàn)象。在水平方向上，中心建成區(qū)由于開發(fā)力度大，獲取到的地質(zhì)數(shù)據(jù)多、密度大，而新城區(qū)或尚處于規(guī)劃中的地區(qū)建設(shè)力度相對較小，建模數(shù)據(jù)少、密度小。同時，數(shù)據(jù)的采集往往是沿著規(guī)劃的路線進(jìn)行的。在垂直方向上，靠近地表的淺層區(qū)域數(shù)據(jù)分布相對密集，而深部區(qū)域的數(shù)據(jù)難以獲取，因此數(shù)據(jù)較少甚至缺失，且越靠近地表，支撐建模的數(shù)據(jù)類型越多，數(shù)據(jù)精度越高。

3 城市三維地質(zhì)建模方法

在城市地質(zhì)調(diào)查工作過程中，獲取到鉆孔、剖面、地質(zhì)圖、地表高程、物探資料等相關(guān)資料，可以應(yīng)用于城市三維地質(zhì)建模。根據(jù)利用的數(shù)據(jù)源，衍生出基于鉆孔、基于地質(zhì)剖面圖、基于地球物理數(shù)據(jù)和基于多源數(shù)據(jù)融合等三維地質(zhì)建模方法。各建模方法的特點(diǎn)、適用條件和局限性如表1所示。

表1 各建模方法特點(diǎn)、適用條件和局限性

3.1 基于鉆孔的建模方法

鉆孔數(shù)據(jù)真實(shí)客觀地反映了鉆探地點(diǎn)的巖性、地層、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等重要的地質(zhì)信息，是地質(zhì)工作開展的原始數(shù)據(jù)和重要支撐數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)建模的核心是對鉆孔柱狀圖進(jìn)行地層劃分處理和層面插值，即從鉆孔柱狀圖上獲取詳細(xì)的地層分布信息，再將相同地層的層面插值處理生成地層面?；阢@孔數(shù)據(jù)的方法適合地質(zhì)構(gòu)造簡單的層狀地質(zhì)體建模，自動化程度和建模效率較高，但模型精度受鉆孔分布影響很大，當(dāng)鉆孔分布不均勻或建模區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜時，建成模型不能準(zhǔn)確地反映斷層和褶皺等特殊地質(zhì)現(xiàn)象。

3.2 基于剖面的建模方法

地質(zhì)剖面圖是地質(zhì)工作人員根據(jù)實(shí)地考察資料、地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，或依據(jù)地質(zhì)平面圖編制而成的二維圖形，用于直觀地表達(dá)地層分層和地質(zhì)構(gòu)造，是重要的地質(zhì)成果圖?；诘刭|(zhì)剖面圖的方法是通過人機(jī)交互方式在地質(zhì)剖面圖上進(jìn)行剖面間的地質(zhì)層面拓?fù)渲亟ɑ蛲負(fù)溥B線以生成地質(zhì)模型。通過人機(jī)交互方式將地質(zhì)知識和專家經(jīng)驗(yàn)引入到模型中，減少了地層信息和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不確定性，提高了建模精度，適用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)體的構(gòu)建。但由于人機(jī)交互方式需要大量的人工操作，剖面建模法建模效率較低。

交互式剖面建?？梢岳斫鉃閷⒍S矢量編輯提升至三維，只是依據(jù)軟件自動化程度的不同，可編輯的對象和編輯方式有所不同。建模精度和建模效率受建模人員的地質(zhì)知識、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)密度和軟件操作影響，但由于其交互操作中高自由度的特性，原理上可以將地質(zhì)人員對建模數(shù)據(jù)的認(rèn)識完全反映在模型上，可以適用于任何地質(zhì)情況。

3.3 基于地質(zhì)圖分區(qū)建模方法

地質(zhì)圖是地質(zhì)專家根據(jù)掌握的地形數(shù)據(jù)、鉆孔、剖面等地質(zhì)資料，融入相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)識繪制而成的反應(yīng)沉積巖層、火成巖體、地質(zhì)構(gòu)造等的形成時代的二維圖件。已知信息相對比較多，是人眼能夠直接觀察到的部分。第四系地質(zhì)的地層一般具有上下的標(biāo)準(zhǔn)層序，建立地表第一個地層模型之后，剝離該層，剩下的地層的構(gòu)建方法與原來的一致，因此可采用自上而下逐層剝離的方法進(jìn)行模型構(gòu)建，該方法即為基于地質(zhì)圖的分區(qū)建模方法。

3.4 基于基巖產(chǎn)狀下推的建模方法

基巖產(chǎn)狀指的是基巖地質(zhì)圖上巖層的延展方位，包含走向、傾向和傾角三個要素。通過基巖地質(zhì)圖和圖面上的產(chǎn)狀信息，利用基巖產(chǎn)狀下推自動建模實(shí)現(xiàn)地質(zhì)塊體的走向、大小及形態(tài)，自動完成塊體的三維地質(zhì)模型構(gòu)建工作，并反映建模區(qū)域內(nèi)地層、斷層、褶皺構(gòu)造的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法。

3.5 基于多源數(shù)據(jù)融合的建模方法

基于多源數(shù)據(jù)融合的方法綜合利用地質(zhì)、鉆探、基礎(chǔ)地理等多源數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，多源數(shù)據(jù)的融合能夠較好地彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的不足，使得建立的模型更加符合實(shí)際地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)的融合比較精確地確定了研究區(qū)的地層框架，地質(zhì)圖和地表等值線的使用可進(jìn)一步為研究區(qū)內(nèi)存在斷層、褶皺等特殊地質(zhì)現(xiàn)象的區(qū)域提供建模依據(jù)。目前主流的建模方法及軟件通常采用基于多源數(shù)據(jù)融合的建模方式，而如何有效地將不同維度、不同來源、不同表達(dá)形式的多種數(shù)據(jù)結(jié)合起來以表達(dá)城市地質(zhì)的真實(shí)情況，是多源數(shù)據(jù)建模法的關(guān)鍵，也是各國學(xué)者一直研究的熱點(diǎn)問題。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)論述了國內(nèi)外三維地質(zhì)建模技術(shù)研究現(xiàn)狀、城市三維地質(zhì)建模的地質(zhì)條件和建模數(shù)據(jù)源以及各種城市三維地質(zhì)建模方法特點(diǎn)、適用條件和局限性，取得如下結(jié)論：

(1)城市三維地質(zhì)建模對象由簡單的層狀地質(zhì)建模逐步轉(zhuǎn)入了含斷層、褶皺、透鏡體等特殊地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)體建模，具有了解決復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象的建模方案；

(2)城市三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)源由單一數(shù)據(jù)向多源數(shù)據(jù)融合階段過渡，以期能夠更好地融入專家經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)知識；

(3)城市三維地質(zhì)模型的精細(xì)程度不斷提高，不但能夠表達(dá)整體的地層格架，而且對于微觀的地質(zhì)屬性、地質(zhì)紋理的表達(dá)也成為了可能，由最初的靜態(tài)建模逐步發(fā)展為動態(tài)模擬與局部動態(tài)更新；

(4)物探技術(shù)在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用還有很大的進(jìn)步空間，近年開始成為國內(nèi)城市地下空間調(diào)查中的熱門研究方向，如何在城市三維地質(zhì)建模中應(yīng)用物探資料是下一步要研究的問題；

(5)城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)在水平方向和垂直方向存在數(shù)據(jù)分布不均衡的情況，一方面需要盡可能地融合多源數(shù)據(jù)，另一方面需要選擇合適的建模方法或進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有建模算法；

(6)隨著城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的積累、城市范圍的擴(kuò)大和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等IT技術(shù)的發(fā)展[15]，城市三維地質(zhì)建模正經(jīng)歷著從需要人機(jī)交互的顯式建模階段向自動化建模(尤其是隱式自動建模)階段過渡的發(fā)展歷程。