基于GeoStation的城市片區(qū)地質(zhì)三維建模技術(shù)研究

張家尹，王國(guó)光,魏志云,李成翔,3，李小州

(1.浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江杭州 311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 311122；3.浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心，浙江杭州 311122；4.數(shù)字城市CIM技術(shù)浙江省工程研究中心，浙江杭州 311122)

0 引言

在城市的發(fā)展進(jìn)程中，科技不斷賦予城市建設(shè)新的技術(shù)手段，其中以BIM(何清華等，2012)、CIM(包勝等，2018；華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2019)、VR/AR、AI、多S、數(shù)字孿生等為代表的先進(jìn)技術(shù)正在給城市的信息化、數(shù)字化、智慧化發(fā)展進(jìn)程賦能，工程師們正持續(xù)探索新技術(shù)對(duì)于城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的應(yīng)用和價(jià)值(張?jiān)煤驮湎悖?015；周瑜和劉春成，2018；高艷麗等，2019)。作為工程數(shù)字化領(lǐng)域中重要內(nèi)容，城市地質(zhì)工作的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市乃至智慧城市的重要基礎(chǔ)條件，同時(shí)可以為解決城市中遇見(jiàn)的各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題提供重要的地質(zhì)空間數(shù)據(jù)和數(shù)字化手段(吳沖龍等，2003；朱良峰等，2004a)，并為城市規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)等應(yīng)用提供豐富的、全面的地質(zhì)信息。城市地質(zhì)三維模型的構(gòu)建是城市地質(zhì)工作數(shù)字化的核心內(nèi)容之一。

依據(jù)建模的數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，常用的地質(zhì)三維建模方法主要包含以鉆孔數(shù)據(jù)為主的建模方法(朱良峰等，2004b；向中林等，2009)、以地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)為主的建模方法(明鏡等，2008；屈紅剛等，2008)、以多源數(shù)據(jù)控制為主的建模方法(何滿(mǎn)潮等，2003；薛林福等，2014；吳志春等，2016；何紫蘭等，2018；魏明等，2019)。總的來(lái)看，目前已有的地質(zhì)三維建模方法更多地停留在構(gòu)建地質(zhì)三維模型本身，而不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Τ鞘械刭|(zhì)三維模型的精度、幾何類(lèi)型、數(shù)據(jù)互通等要求不盡相同(李青元等，2016；周潔等，2017；范宇等，2019)，海量的建模數(shù)據(jù)如何高效管理，城市地質(zhì)三維模型如何應(yīng)用更多的地質(zhì)分析來(lái)為政府決策提供參考，這些問(wèn)題都沒(méi)有得到非常好地解決。

開(kāi)展城市片區(qū)地質(zhì)三維建模工作，是城市地質(zhì)工作數(shù)字化的一個(gè)重要內(nèi)容，其目的包括但是不限于提供易于實(shí)現(xiàn)各種空間分析和空間數(shù)據(jù)挖掘的地質(zhì)三維可視化精細(xì)地質(zhì)模型(陳麒玉等，2016)、海量龐雜地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的高效管理、基于城市地質(zhì)數(shù)據(jù)的地質(zhì)圖件快速生成、與城市BIM平臺(tái)(張斌等，2018；牛作鵬等，2019)、CIM平臺(tái)無(wú)縫銜接，從而給城市發(fā)展規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料和決策依據(jù)。

針對(duì)存在的問(wèn)題和開(kāi)展城市片區(qū)地質(zhì)三維建模工作的目的，本文基于華東院自主研發(fā)的GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GeoStation系統(tǒng)”)(王國(guó)光等，2014a，2014b；王國(guó)光和李成翔，2015；魏志云等，2016)，設(shè)計(jì)一種城市片區(qū)地質(zhì)三維建模技術(shù)方法，該方法首先按照采用地質(zhì)勘察剖面作為地質(zhì)拓?fù)淦拭?，然后使用地質(zhì)拓?fù)淦拭鎸⒊鞘袆澐譃槿舾沙鞘袇^(qū)塊，其次使用GeoStation系統(tǒng)的地層自動(dòng)建模功能獨(dú)立構(gòu)建城市區(qū)塊模型，最后將城市區(qū)塊拼合為整體模型。GeoStation是華東院重點(diǎn)研發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其工作流程貫穿于勘測(cè)數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)建模、二三維出圖、模型計(jì)算分析展示等全過(guò)程之中，并與下序設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)一體化融合。GeoStation主要特點(diǎn)包括：勘測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程信息化、三維建模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化、插值算法集成化、二三維出圖自動(dòng)化、CAD/CAE一體化、地質(zhì)全信息模型移交數(shù)字化。文中所提方法集成在GeoStation系統(tǒng)中，并在某城市級(jí)BIM應(yīng)用中進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)方法可行，實(shí)現(xiàn)了海量龐雜地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的高效管理，構(gòu)建的地質(zhì)三維模型可滿(mǎn)足某城市BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)要求(陳沉和王馳，2019)，為城市地理空間信息建模提供新的手段，也為其他城市開(kāi)展數(shù)字化建設(shè)和智慧化管理提供范例。

1 技術(shù)方法

1.1 勘察數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

城市地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取的手段越來(lái)越多，得到的地質(zhì)數(shù)據(jù)也越來(lái)越豐富。如何充分管理并使用多源多類(lèi)別的地質(zhì)數(shù)據(jù)，使不同來(lái)源的地質(zhì)數(shù)據(jù)可以相互協(xié)同、充分應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)情況的客觀、準(zhǔn)確的表達(dá)和認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為構(gòu)建精細(xì)化的城市地質(zhì)三維模型提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)是當(dāng)前面臨的重要課題。

本文基于GeoStation系統(tǒng)創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)、共享、管理、使用(王國(guó)光等，2014c；唐海濤等，2015，2017)，將基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，給城市片區(qū)地質(zhì)三維建模準(zhǔn)備良好的數(shù)據(jù)源，其中地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理功能如表1所示。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理功能

勘察數(shù)據(jù)準(zhǔn)備即指收集城市片區(qū)地質(zhì)勘察資料，整理成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的格式化數(shù)據(jù)。城市片區(qū)勘察資料收集包括地形圖、點(diǎn)云、等高線(xiàn)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察剖面、物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)等?？辈鞌?shù)據(jù)整理的目的是將地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，本文中地質(zhì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化主要包括：地形面網(wǎng)格化、地層標(biāo)準(zhǔn)化、其他地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

地形面網(wǎng)格化指的是根據(jù)建模精度要求將城市片區(qū)地形面進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格密度在城市片區(qū)內(nèi)部均勻過(guò)渡，及時(shí)剔除冗余數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不發(fā)生數(shù)據(jù)損失、目的是準(zhǔn)確地表達(dá)地形幾何形態(tài)的同時(shí)，也能較好地參與后期mesh面擬合、mesh面剪切等計(jì)算，最終得到幾何圖形表達(dá)的地形mesh模型?；贕eoStation系統(tǒng)構(gòu)建的地形面模型和地層模型均采用mesh(Blacker and Stephenson,1991；Blacker and Meyers,1993；Roger et al.,1996；馬新武等，2015)表示幾何形狀。

地層標(biāo)準(zhǔn)化是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)建立城市片區(qū)地層的總層序，即城市片區(qū)所有揭露地層總的地層年代新老順序。研究區(qū)的勘探資料主要為鉆孔、地質(zhì)勘察剖面、物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)等。為了保證建模數(shù)據(jù)源的一致性、正確性和完整性，針對(duì)未完成打鉆的鉆孔數(shù)據(jù)和鉆孔孔深與周邊鉆孔嚴(yán)重不一致的數(shù)據(jù)，或者鉆孔點(diǎn)與地層控制點(diǎn)不一致的數(shù)據(jù)，在地層標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中要將這些不良數(shù)據(jù)剔除。不同的勘察單位，不同的地質(zhì)人員對(duì)地層的認(rèn)識(shí)不盡相同，對(duì)地層單元的標(biāo)準(zhǔn)化就顯得十分重要。該工作需結(jié)合實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)分析、推測(cè)、包含地質(zhì)人員經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，整理成一套標(biāo)準(zhǔn)地層(圖1)，并按照GeoStation的標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)(圖2)將標(biāo)準(zhǔn)地層錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。后期可以不斷更新該標(biāo)準(zhǔn)地層。數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的鉆孔數(shù)據(jù)都將基于該標(biāo)準(zhǔn)地層進(jìn)行入庫(kù)工作(圖3)。

圖1 地層標(biāo)準(zhǔn)化流程示意圖Fig.1 Sketch showing flow of stratum standardization

圖2 GeoStation數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.2 GeoStation database structure

其他地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是指在完成了地層標(biāo)準(zhǔn)化以后，將海量的地質(zhì)數(shù)據(jù)(包括鉆孔、物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)等)整理成格式化數(shù)據(jù)，按照GeoStation的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)(圖2、圖3)。

圖3 鉆孔數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of drilling data

1.2 城市片區(qū)拓?fù)浞謪^(qū)

城市片區(qū)的范圍一般比較大，一次性生成整個(gè)地質(zhì)三維模型對(duì)計(jì)算機(jī)要求比較高，難度比較大。本文將城市片區(qū)的建模數(shù)據(jù)源分成多個(gè)區(qū)域，分塊處理海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建地質(zhì)三維模型，一方面提高城市片區(qū)地質(zhì)三維建模的精度和地質(zhì)三維模型整體重構(gòu)的效率；另一方面解決城市片區(qū)三維地質(zhì)模型分區(qū)塊構(gòu)建在區(qū)塊邊界處模型不一致的問(wèn)題。城市片區(qū)可以被劃分為若干個(gè)城市區(qū)塊，每個(gè)城市區(qū)塊可包含一個(gè)或者多個(gè)城市單元地塊。城市片區(qū)拓?fù)浞謪^(qū)的過(guò)程為：提取橫縱交錯(cuò)的交通軸線(xiàn)的交點(diǎn)及軸線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)作為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，拓?fù)涔?jié)點(diǎn)依序相連構(gòu)成拓?fù)溥吔?，拓?fù)溥吔鐒澐值亩噙呅畏秶鷺?gòu)成城市區(qū)塊(圖4)。選擇交通軸線(xiàn)的交點(diǎn)及軸線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)作為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)主要是因?yàn)樾鲁菂^(qū)開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，交通路網(wǎng)的勘察工作一般都會(huì)先行開(kāi)展，此時(shí)路網(wǎng)上的地質(zhì)數(shù)據(jù)相對(duì)多一些，可以作為地質(zhì)三維建模的初始數(shù)據(jù)，后期開(kāi)發(fā)單元內(nèi)開(kāi)展的勘察工作繼續(xù)參與到城市片區(qū)地質(zhì)三維模型更新中。本文的拓?fù)浞謪^(qū)與一般分區(qū)不同之處在于，本文中的城市區(qū)塊在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上須滿(mǎn)足以下相容條件：①所有的城市區(qū)塊不應(yīng)獨(dú)立于相鄰城市區(qū)塊存在，須與其相鄰城市區(qū)塊有共邊關(guān)系；②所有城市區(qū)塊的外邊界應(yīng)該是自封閉，即：區(qū)塊之間不是獨(dú)立的，區(qū)塊之間共享城市區(qū)塊界面地質(zhì)剖面，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊連續(xù)自封閉。其地質(zhì)含義在于：(1)相鄰的區(qū)塊共享同一段地質(zhì)剖面，每一個(gè)城市區(qū)塊在單獨(dú)構(gòu)建地質(zhì)三維模型中都有此地質(zhì)剖面參與，相鄰區(qū)塊在使用插值算法構(gòu)建地層界面時(shí)能完好銜接，不會(huì)造成兩側(cè)地層界面不一致，導(dǎo)致后續(xù)地層單元不能對(duì)應(yīng)的情況，地質(zhì)三維模型的精度和準(zhǔn)確性更高；(2)對(duì)于后期地質(zhì)模型更新，因邊界處有地質(zhì)剖面控制，所以邊界處更新后的地層界面會(huì)得到控制，與相鄰的城市區(qū)塊地層界面依然能完好銜接，不影響相鄰城市區(qū)塊的地質(zhì)三維模型。城市片區(qū)地質(zhì)三維模型整體重構(gòu)的效率得到極大提升，為城市片區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)期間地質(zhì)模型的維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。城市片區(qū)拓?fù)浞謪^(qū)后的城市區(qū)塊可以包含城市片區(qū)中的一個(gè)或者多個(gè)單元地塊。一般分區(qū)的方法多采用鉆孔資料生成的剖面、野外實(shí)測(cè)剖面、地震解譯剖面等各種剖面資料等地質(zhì)資料作為分區(qū)的主要依據(jù)。本文在這些實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，解譯出分區(qū)塊地地質(zhì)剖面，而且在建模過(guò)程中將地質(zhì)剖面線(xiàn)做加密處理，折線(xiàn)上有更多節(jié)點(diǎn)，模型精度更高，同時(shí)考慮分區(qū)后的區(qū)塊內(nèi)部地質(zhì)數(shù)據(jù)一起參與地質(zhì)三維建模過(guò)程，充分利用可用的地質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確構(gòu)建地質(zhì)模型的目的。

圖4 分區(qū)塊示意圖Fig.4 Sketch of block subdivision

1.3 城市區(qū)塊界面地質(zhì)剖面繪制

完成拓?fù)浞謪^(qū)后，就需要依據(jù)城市區(qū)塊分界面附近的勘察數(shù)據(jù)。結(jié)合地質(zhì)人員的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，沿著所有城市區(qū)塊分界面繪制地質(zhì)剖面，使鄰接的城市區(qū)塊共享一個(gè)地質(zhì)剖面，鄰接的地質(zhì)剖面地質(zhì)線(xiàn)連續(xù)，且地質(zhì)線(xiàn)賦予地質(zhì)屬性，賦予的地質(zhì)屬性即為GeoStation數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)地層信息。城市區(qū)塊分界面附近的勘察數(shù)據(jù)可能是鉆孔數(shù)據(jù)，也可能是地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)都可以在GeoStation中解譯成建模所需的地質(zhì)線(xiàn)條數(shù)據(jù)，并直接參與后續(xù)步驟的地質(zhì)曲面擬合，即按照由點(diǎn)成線(xiàn)、由線(xiàn)成面、由面成體的邏輯構(gòu)建三維模型進(jìn)行建模。

1.4 城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模與動(dòng)態(tài)更新

此時(shí)，可以進(jìn)行各區(qū)塊地質(zhì)三維模型的構(gòu)建。建模數(shù)據(jù)源包括直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的所有鉆孔地層數(shù)據(jù)，以及在城市區(qū)塊分界面上繪制的帶有地質(zhì)屬性的地質(zhì)剖面，該地質(zhì)屬性同數(shù)據(jù)庫(kù)中地層數(shù)據(jù)一致。鉆孔作為數(shù)據(jù)源構(gòu)建單個(gè)城市區(qū)塊地質(zhì)三維模型的算法已經(jīng)集成在GeoStation系統(tǒng)中。本文在此算法的基礎(chǔ)上，加密邊界線(xiàn)條，使邊界線(xiàn)條向下與帶地質(zhì)屬性的地質(zhì)剖面線(xiàn)條求交，虛擬成與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣的虛擬鉆孔(圖5)，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)際鉆孔一起參與地質(zhì)三維模型的構(gòu)建。

圖5 地質(zhì)剖面處理成虛擬鉆孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of processing geological section into virtual drilling1-虛擬鉆孔及編號(hào)；2-地層分界線(xiàn)1-virtual drilling and number; 2-stratigraphic boundary

自動(dòng)建模過(guò)程中，需要提取完整層數(shù)據(jù)和非完整層數(shù)據(jù)，先根據(jù)每個(gè)城市區(qū)塊內(nèi)的鉆孔地層數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面建立地層總層序，亦即城市區(qū)塊內(nèi)所有揭露地層總的地層年代新老順序。

完整層數(shù)據(jù)提取流程如下：對(duì)所有鉆孔地層數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面上賦有地質(zhì)屬性的地質(zhì)線(xiàn)進(jìn)行搜索，從第一個(gè)鉆孔的第一個(gè)鉆孔段開(kāi)始，統(tǒng)計(jì)所有鉆孔中首次出現(xiàn)與第一個(gè)鉆孔當(dāng)前鉆孔段的地層代號(hào)相同的鉆孔段的次數(shù)。若該次數(shù)與鉆孔個(gè)數(shù)相同，且城市區(qū)塊邊界上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面上賦有相同地質(zhì)屬性的地質(zhì)線(xiàn)連續(xù)出現(xiàn)，則認(rèn)為存在完整層數(shù)據(jù)，提取完整層的底部位置數(shù)據(jù)、最底層地層代號(hào)、起始鉆孔段序號(hào)集合、終止鉆孔段序號(hào)集合作為完整層數(shù)據(jù)。

非完整層數(shù)據(jù)提取流程如下：對(duì)地層單元的完整層分段進(jìn)行遍歷，從地層單元的完整層分段中每一個(gè)鉆孔的起始鉆孔段和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面上開(kāi)始，找出地層序號(hào)最小的鉆孔段，搜索所有鉆孔中和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面上與該地層序號(hào)最小的鉆孔段的地層代號(hào)相同的鉆孔段，將城市區(qū)塊界面地質(zhì)剖面上部分賦有相同地質(zhì)屬性地質(zhì)線(xiàn)、部分鉆孔當(dāng)前鉆孔段的終點(diǎn)坐標(biāo)和地層代號(hào)定義為非完整層數(shù)據(jù)。

基于勘察數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面，完成所有城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模，其中還包含地層界面的創(chuàng)建。通過(guò)地層單元數(shù)據(jù)，采用Kriging插值算法，擬合生成較光滑的地質(zhì)曲面，包括完整層界面和非完整層界面。完整層界面指的是所有鉆孔及拓?fù)涞刭|(zhì)剖面所均揭露某地層的分界面，它是基于完整層數(shù)據(jù)創(chuàng)建。非完整層界面指的是所有鉆孔及拓?fù)涞刭|(zhì)剖面所部分揭露的地層分界面，對(duì)于地層缺失的鉆孔引入虛擬揭露點(diǎn)，對(duì)非完整層數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。該虛擬揭露點(diǎn)定在鉆孔地層缺失點(diǎn)位的上方，且高出距離為累計(jì)虛擬厚度，能對(duì)非完整層界面的空間形態(tài)加以約束，使地層非完整層實(shí)體在鉆孔之間的位置合理尖滅。

城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模是通過(guò)創(chuàng)建的完整層界面和非完整層界面，對(duì)原始地形體分別進(jìn)行完整層實(shí)體切分和非完整層實(shí)體切分，并對(duì)切分后的地層

實(shí)體賦予地質(zhì)和顏色屬性，最終完成地層模型的自動(dòng)建模。

城市區(qū)塊地質(zhì)三維模型動(dòng)態(tài)更新是指先根據(jù)更新的鉆孔數(shù)據(jù)的幾何坐標(biāo)遍歷查找其所屬的城市區(qū)塊，將更新的鉆孔數(shù)據(jù)與其所屬的城市區(qū)塊中已有的鉆孔數(shù)據(jù)整合，聯(lián)合城市區(qū)塊地質(zhì)剖面上帶地質(zhì)屬性的地質(zhì)線(xiàn)，采用上述城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模方法完成有鉆孔數(shù)據(jù)更新的城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模。如果只是城市區(qū)塊內(nèi)部有鉆孔更新，則只需再重新構(gòu)建該城市區(qū)塊的地質(zhì)三維模型，周邊相鄰城市區(qū)塊因?yàn)橛羞吔缈刂疲瑹o(wú)需更新其地質(zhì)三維模型。如果城市區(qū)塊邊界處的地質(zhì)剖面有數(shù)據(jù)更新，則需更新相鄰兩個(gè)城市區(qū)塊的地質(zhì)三維模型。通過(guò)這樣的一種更新機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)局部地質(zhì)三維模型的快速更新，這在城市開(kāi)發(fā)進(jìn)程中能夠非?？焖龠m應(yīng)海量地質(zhì)數(shù)據(jù)的持續(xù)更新帶來(lái)的地質(zhì)三維模型更新，而不至于在城市的不同開(kāi)發(fā)階段都需要重新構(gòu)建整個(gè)城市片區(qū)地質(zhì)三維模型。同時(shí)，還可隨時(shí)追溯不同時(shí)期積累的地質(zhì)數(shù)據(jù)源，將海量的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理并使用。

2 實(shí)現(xiàn)流程

上文所述方法已在GeoStation系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，圖6為基于GeoStation的城市片區(qū)地質(zhì)建模技術(shù)方法的實(shí)現(xiàn)流程。

圖6 地質(zhì)三維建模技術(shù)方法的實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 Implementation process of 3D geological modeling technology

首先將城市片區(qū)按照拓?fù)浞謪^(qū)規(guī)則劃分成若干個(gè)城市區(qū)塊，在相鄰區(qū)塊界面上繪制共享的地質(zhì)剖面，然后利用勘察數(shù)據(jù)和地質(zhì)剖面進(jìn)行所有城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模，最后通過(guò)無(wú)縫拼接進(jìn)行城市片區(qū)地質(zhì)三維建模?？偟膩?lái)說(shuō)主要包括以下步驟：

勘察數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。收集城市片區(qū)地質(zhì)勘察資料，整理成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的格式化數(shù)據(jù)。城市片區(qū)勘察資料收集包括地形圖、點(diǎn)云、等高線(xiàn)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察剖面、物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)等。實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

城市片區(qū)拓?fù)浞謪^(qū)。以城市片區(qū)內(nèi)橫縱交錯(cuò)的交通軸線(xiàn)作為分區(qū)邊界，按照拓?fù)浞謪^(qū)規(guī)則和勘察數(shù)據(jù)充足條件，將城市片區(qū)管理的空間劃分為若干個(gè)城市區(qū)塊，每個(gè)城市區(qū)塊可包含一個(gè)或者多個(gè)城市單元地塊。

城市區(qū)塊界面地質(zhì)剖面繪制。以城市區(qū)塊分界面附近的勘察數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照傳統(tǒng)方式在所有城市區(qū)塊分界面上繪制地質(zhì)剖面，使鄰接的城市區(qū)塊共享一個(gè)地質(zhì)剖面，鄰接的地質(zhì)剖面地質(zhì)線(xiàn)連續(xù)，且地質(zhì)線(xiàn)賦予地質(zhì)屬性。

城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模與動(dòng)態(tài)更新?；诳辈鞌?shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面，完成所有城市區(qū)塊地質(zhì)三維建模，當(dāng)某個(gè)城市區(qū)塊內(nèi)勘察數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)相應(yīng)的地質(zhì)三維模型動(dòng)態(tài)更新。通過(guò)這樣的方法可以高效快速的更新城市片區(qū)的地質(zhì)三維模型，將海量的地質(zhì)數(shù)據(jù)高效的存儲(chǔ)、共享、管理、使用。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某城市片區(qū)為扇形區(qū)域，長(zhǎng)度8.2 km，寬度2.1 km，面積17.22 km2，為填海造地形成。該城市處于新近填海區(qū)，地下淤泥層深厚、填石散亂，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。地下空間、地下環(huán)路、市政設(shè)施以及地鐵樓宇項(xiàng)目縱橫交錯(cuò)，面臨地上地下群體性項(xiàng)目整體開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)，且勘探孔分布不均勻，由多家單位施工，最大孔深81.8 m，最小孔深8.5 m，地質(zhì)建模及模型更新難度極大。

采用GeoStation系統(tǒng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)管理模塊、地質(zhì)剖面工具、地形體建模、地層建模系列工具實(shí)現(xiàn)某城市片區(qū)的地質(zhì)三維建模。按照文中所述方法首先構(gòu)建城市區(qū)塊地質(zhì)三維模型，并將所有的城市區(qū)塊地質(zhì)模型組裝在一起展示，同時(shí)展示部分地層信息(圖7)。構(gòu)建的地質(zhì)三維模型可與地理測(cè)繪、工程規(guī)劃基礎(chǔ)模型整理在統(tǒng)一的城市BIM平臺(tái)中展示(圖8)，構(gòu)建了BIM+GIS一體化電子沙盤(pán)，真實(shí)反饋地上地下整體情況。該城市的所有地質(zhì)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在統(tǒng)一的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)里，實(shí)現(xiàn)了海量龐雜地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的高效管理。構(gòu)建的地質(zhì)三維模型可滿(mǎn)足該城市BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)要求，可進(jìn)行二維圖件快速編繪、開(kāi)挖方量統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)方案安全性分析等等，為城市的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)期提供豐富的地質(zhì)信息。后期可以持續(xù)補(bǔ)充收集城市發(fā)展進(jìn)程中的地質(zhì)數(shù)據(jù)，形成該區(qū)域城市級(jí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)檔案館，動(dòng)態(tài)更新地質(zhì)模型，為打造數(shù)字化和智慧化的城市打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖7 城市片區(qū)地質(zhì)三維模型地層分層示意圖Fig.7 Stratigraphy layering of 3D geological model in urban area

圖8 BIM+GIS一體化電子沙盤(pán)Fig.8 BIM + GIS integrated electronic sand table

地質(zhì)三維模型完成建模后，需要對(duì)其合規(guī)性、合理性、準(zhǔn)確性、完整性等四個(gè)方面進(jìn)行檢查。本文構(gòu)建的地質(zhì)三維模型參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查，結(jié)果滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

本文基于華東院自主研發(fā)的GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于拓?fù)浞謪^(qū)的城市片區(qū)地質(zhì)三維建模技術(shù)方法，該方法首先采用地質(zhì)勘察剖面作為地質(zhì)拓?fù)淦拭?，然后使用地質(zhì)拓?fù)淦拭鎸⒊鞘袆澐譃槿舾沙鞘衅瑓^(qū)，其次使用GeoStation系統(tǒng)的地層自動(dòng)建模功能獨(dú)立構(gòu)建城市片區(qū)模型，最后將城市片區(qū)拼合為整體模型。

基于GeoStation系統(tǒng)的城市片區(qū)地質(zhì)三維建模技術(shù)方法具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

(1)多源海量數(shù)據(jù)控制的城市片區(qū)三維地質(zhì)建模方法，兼顧了城市區(qū)塊內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)和區(qū)塊之間的地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，將多源數(shù)據(jù)作為城市片區(qū)三維建模的原始數(shù)據(jù)，解決了地質(zhì)模型精度控制問(wèn)題。

(2)基于交通路網(wǎng)軸線(xiàn)、地塊單元?jiǎng)澐謱?duì)城市片區(qū)進(jìn)行拓?fù)浞謪^(qū)建立地質(zhì)三維模型，符合城市劃分單元漸進(jìn)開(kāi)發(fā)和城市單元勘察深度不一致的實(shí)際工作情況。

(3)考慮了城市地質(zhì)三維模型在城市勘察、規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維全周期過(guò)程中動(dòng)態(tài)更新需求，通過(guò)方法中的更新機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)局部地質(zhì)三維模型的快速更新，在城市開(kāi)發(fā)進(jìn)程中能夠快速適應(yīng)海量地質(zhì)數(shù)據(jù)的持續(xù)更新帶來(lái)的地質(zhì)三維模型更新。

綜上所述，基于GeoStation系統(tǒng)的城市片區(qū)地質(zhì)三維建模技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了海量龐雜地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的高效管理，構(gòu)建的地質(zhì)三維模型可滿(mǎn)足某城市BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)要求，使得城市片區(qū)地質(zhì)三維模型表達(dá)的地質(zhì)信息更加豐富，給未來(lái)城市地質(zhì)工作提供更有力的參考。這為城市地理空間信息建模提供新的手段，也為其他城市開(kāi)展數(shù)字化建設(shè)和智慧化管理提供范例。