山東省日照市藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查及三維建模

秦泗偉，吉烜瑩，姜洪勝，廉永彪

(1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000；3.山東省國(guó)土空間數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250002；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250110)

0 引言

日照地區(qū)開展了大量的地質(zhì)工作，取得了豐富的地質(zhì)資料和研究成果[1-5]，為區(qū)域發(fā)展和開發(fā)活動(dòng)提供了數(shù)據(jù)支持。在前人工作的基礎(chǔ)上，本次藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)城市三維地質(zhì)調(diào)查運(yùn)用綜合現(xiàn)代化地質(zhì)調(diào)查手段，開展城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)填圖，首次利用GIS[6-7]技術(shù)建立了日照市鉆孔三維實(shí)體、第四系結(jié)構(gòu)、基巖三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。該模型在可視化系統(tǒng)條件下，能夠直觀看到第四系及隱伏基巖表層起伏形態(tài)和透視內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，為以后日照市城市地質(zhì)工作提供了較好的借鑒依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

研究區(qū)北起秦樓街道，東至黃海海岸線，西與204國(guó)道相鄰，南至奎山鎮(zhèn)焦家莊子村。地理坐標(biāo)東經(jīng)：119°24′56.8″～119°36′3.8″，北緯：35°19′17.9″～35°28′16.9″，總面積200km2(圖1)。

1—旭口組；2—維北組；3—沂河組；4—臨沂組；5—山前組；6—陡崖巖組；7—野頭組；8—嶗山序列下書院?jiǎn)卧?—嶗山序列青臺(tái)山單元；10—偉德山序列鼓樓單元；11—偉德山序列后野單元；12—偉德山序列崖西單元；13—玲瓏序列云山單元；14—月季山序列汪家村單元；15—榮成序列絲山單元；16—榮成序列冠山單元；17—海洋所序列老黃山單元；18—萊州序列西水夼單元

研究區(qū)地貌特征分區(qū)明顯，絲山-石臼-奎山一帶花崗巖地區(qū)，地表風(fēng)化作用強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙發(fā)育，形成波狀起伏的剝蝕構(gòu)造地形，而海岸線及河流兩側(cè)則為沖積、海積等作用形成的河谷、瀉湖、砂岸等低洼海濱地貌[8]。區(qū)內(nèi)出露的地層較少，主要為新生代第四系，僅局部地區(qū)見少量古元古代荊山群，侵入巖發(fā)育，分布廣泛，構(gòu)造主要表現(xiàn)為較為發(fā)育的脆性斷裂，按走向分別為NE向、近EW向、NW向。

2 調(diào)查工作情況概述

通過分析總結(jié)前人的地質(zhì)資料，尤其是近年來的鉆孔資料，結(jié)合勘查工作取得的成果，進(jìn)一步查明研究區(qū)地層、巖漿巖、地質(zhì)構(gòu)造的空間展布及形態(tài)。查明了淺部第四系及基巖的分布及結(jié)構(gòu)特征，修測(cè)了研究區(qū)基巖地質(zhì)圖。查明了研究區(qū)淺部工程地質(zhì)分層，對(duì)各工程地質(zhì)分層的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，從承載力及壓縮性等方面對(duì)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在充分搜集資料的基礎(chǔ)上，對(duì)城區(qū)各含水巖組特征、地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件、地下水水位動(dòng)態(tài)特征等水文地質(zhì)條件進(jìn)行了歸納與總結(jié)，編制了水文地質(zhì)圖。

2.1 調(diào)查工作方法

在整理以往地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，開展了野外地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯、剖面電測(cè)深[9]、地質(zhì)鉆探、水質(zhì)分析、波速測(cè)試、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和地質(zhì)圖編制等工作。

2.2 調(diào)查工作特點(diǎn)

以往工作基礎(chǔ)上，充分搜集已有資料，并注重資料的二次開發(fā)利用，加強(qiáng)了綜合分析研究。實(shí)物工作以地面調(diào)查為主，本著缺什么補(bǔ)什么的原則，有針對(duì)性地開展各項(xiàng)工作，取得了較好的調(diào)查效果。運(yùn)用先進(jìn)的勘察技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)，開展城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查，為建立GMS三維可視化地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型[10]，提供針對(duì)性的調(diào)查數(shù)據(jù)。

3 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模

城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查項(xiàng)目獲取了大量的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)[11]，建立了日照市三維可視化模型。該模型基于GMS軟件中的Boreholes[12]、TIN[13]、Solid[14]模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表分析與編輯等功能，為政府決策部門系統(tǒng)、直觀地掌握工作區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，科學(xué)合理的規(guī)劃、管理和利用提供了重要依據(jù)。

3.1 建模流程

采用鉆孔-層面模型方法構(gòu)建三維地層實(shí)體模型，該方法能根據(jù)實(shí)際的工程鉆孔數(shù)據(jù)，允許用戶結(jié)合自己的專家經(jīng)驗(yàn)和其他勘察手段獲取的成果，生成并編輯相鄰鉆孔之間的一系列剖面圖，然后將編輯后的剖面圖與原有的鉆孔數(shù)據(jù)生成三維地層模型[15]，按照該方法構(gòu)建三維地質(zhì)模型的基本工作流程(圖2)。

圖2 三維地質(zhì)模型流程圖

(1)選擇鉆孔，提取鉆孔數(shù)據(jù)。選取研究區(qū)一定數(shù)目的鉆孔，然后從鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中提取各個(gè)鉆孔的地層信息以作為建模的原始數(shù)據(jù)，供下面各個(gè)建模步驟使用。

(2)建模區(qū)域整體地層編號(hào)。將研究區(qū)鉆孔所揭示的全部地層按照地層沉積順序進(jìn)行編號(hào)[16]，生成一個(gè)涵蓋建模區(qū)域全部地層的“區(qū)域地層層序表”，以備后續(xù)建模使用。

(3)對(duì)鉆孔地層層面進(jìn)行編號(hào)。將研究區(qū)鉆孔中的各個(gè)地層與“區(qū)域地層層序表”相對(duì)照，確定鉆孔中各個(gè)地層層面的序號(hào)。

(4)定義“主TIN”?？梢钥醋鍪谴_定建模區(qū)域地層拓?fù)潢P(guān)系的一個(gè)“模版”，它可以沿著鉆孔深度自上而下推延至建模區(qū)域的全部地層。

(5)相鄰鉆孔剖面編輯。在建模過程中，將地質(zhì)剖面圖(本次繪制)中的信息加入建模過程，能取得較好的效果。

(6)對(duì)地層層面高程進(jìn)行插值。分別提取各個(gè)地層層面的控制點(diǎn)高程信息，然后利用這些點(diǎn)插值求“主TIN”上各個(gè)未知點(diǎn)的高程值。

(7)地層層面相交處理。經(jīng)過第(6)步插值處理后的TIN面可能會(huì)出現(xiàn)上下地層層面交叉的情況，這就需要進(jìn)行地層層面相交處理來消除。

(8)調(diào)整地層高程。經(jīng)過地層層面相交處理后的“主TIN”可能會(huì)出現(xiàn)本應(yīng)位于下部底層上的點(diǎn)的高程卻高于其上面的地層的情況，這需要調(diào)整地層高程，強(qiáng)行將其拉回到與其上一層相等的高程上。

(9)構(gòu)建三維地質(zhì)模型。需將上下相鄰的地層層面的三角網(wǎng)在豎向上“縫合”起來，就可以構(gòu)成完整的三維地質(zhì)實(shí)體模型。

(10)對(duì)模型進(jìn)行三維分析，完成對(duì)三維地層實(shí)體模型的重構(gòu)之后，可以展示研究區(qū)任意地層剖面，以及分解和組合不同地層的功能。

3.2 三維模型建設(shè)

在工作區(qū)內(nèi)開展三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查，包括第四系厚度、基巖地層和隱伏的斷裂結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)查研究[17]，并利用三維空間渲染技術(shù)，建立第四系、基巖、工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維地質(zhì)模型，把空間分布不均勻、不連續(xù)、散亂的地質(zhì)信息，通過數(shù)字曲面擬合與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法變成可視的、連續(xù)的、形象直觀的三維地質(zhì)模型，以三維真實(shí)感圖象的形式形象地表達(dá)地質(zhì)構(gòu)造的真實(shí)形態(tài)、特征以及三維空間物化屬性參數(shù)的分布規(guī)律[18]。

(1)鉆孔三維實(shí)體建模。鉆孔是地學(xué)研究領(lǐng)域重要的地質(zhì)數(shù)據(jù)資源[19]，能夠充分的挖掘鉆孔數(shù)據(jù)的信息，擴(kuò)展鉆孔信息的表達(dá)方式，是將鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行有效應(yīng)用到生產(chǎn)建設(shè)等各方面工作的前提。在此次日照城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查項(xiàng)目中，項(xiàng)目組充分應(yīng)用日照市三維城市地質(zhì)信息管理系統(tǒng)提供的建模功能，在將鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行二維可視化點(diǎn)位展示的同時(shí)，建立了鉆孔的三維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的三維可視化表達(dá)與分析(圖3)。

圖3 三維鉆孔模型示意圖

(2)第四系、基巖及工程地質(zhì)三維模型。三維模型建立的范圍為本次的工作區(qū)，面積約200km2。

建模時(shí)采用了鉆孔-層面模型方法[20]，建模選用鉆孔187個(gè)[21]，鉆孔深度50m以內(nèi)，針對(duì)第四系地質(zhì)、基巖地質(zhì)、工程地質(zhì)，將鉆孔劃分四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分層。建模選用13條三維剖面(圖4、圖5)。

圖4 第四系地層三維地質(zhì)模型示意圖

圖5 基巖三維地質(zhì)模型示意圖

3.3 三維模型分析應(yīng)用

(1)模型屬性拾取。針對(duì)建立的三維模型，包括地質(zhì)體模型、三維鉆孔模型等，用戶可以對(duì)模型進(jìn)行屬性信息的查詢和瀏覽。查詢地質(zhì)體模型，系統(tǒng)會(huì)將所查詢地層的地層名稱、代號(hào)、巖性等信息呈現(xiàn)給用戶；查詢?nèi)S鉆孔模型，可以查詢鉆孔的整體信息，如鉆孔基本信息、鉆孔柱狀簡(jiǎn)圖等，也可以查詢鉆孔的某一分層信息。

(2)三維模型切割。支持平面剖切、水平剖切、斜切、折線垂直剖切及組合剖切等多種剖切方式。通過鼠標(biāo)輸入線、對(duì)話框輸入坐標(biāo)、讀取線文件等方式生成剖切路徑，然后沿著切割路徑進(jìn)行切割操作，可以將切割后的模型保存起來，供下次使用。

(3)隧道切割及漫游。通過在三維地層模型上手動(dòng)輸入或文件導(dǎo)入路徑，同時(shí)設(shè)置切割界面，可以對(duì)模型進(jìn)行隧道切割，模型切割完成之后即可進(jìn)行隧道漫游，在隧道漫游過程中，用戶還可以隨時(shí)停下來拾取地層內(nèi)部信息。

(4)三維模型爆炸。三維模型爆炸顯示功能實(shí)現(xiàn)將整個(gè)模型進(jìn)行一次爆炸顯示的過程，使得模型能夠被充分的打散開來，便于用戶了解模型內(nèi)部的細(xì)節(jié)問題。系統(tǒng)提供任意爆炸、整體爆炸、沿軸向爆炸等三種爆炸方式。對(duì)爆炸的散開距離，爆炸的過程都提供參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)論

通過一系列調(diào)查手段，基本查明了研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、巖土體工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境特征，在此基礎(chǔ)上依托空間數(shù)據(jù)庫(kù)、三維GIS、三維可視化技術(shù)建立了城市三維可視化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，把空間分布不均勻、不連續(xù)、散亂的地質(zhì)信息通過數(shù)字曲面擬合與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法變成可視的、連續(xù)的、形象直觀的三維地質(zhì)模型，以三維真實(shí)感圖象的形式形象地表達(dá)了各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的真實(shí)形態(tài)、特征。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表分析與編輯等功能，為政府決策部門系統(tǒng)、直觀的掌握工作區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)，科學(xué)合理的規(guī)劃、管理和利用提供了重要依據(jù)。