張 雪，劉改霞，朱 濤，陳 瑾

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大比例尺三維地質(zhì)建模方法研究

張 雪1，劉改霞2，朱 濤3，陳 瑾2

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 102600；3.北京市大興區(qū)環(huán)境保護局，北京100048）

當前地下空間大比例尺建模難度較大，少有案例提及。主要難點在于嚴格按照原始地層開展大比例尺建模，會出現(xiàn)大量的透鏡體和螺旋體，給建模工作帶來較大難度。6號線地面沉降易發(fā)區(qū)的試驗段研究，共涉及7個站點和6個區(qū)間的模型。通過收集整理多方位資料，以橫向1∶500，縱向1∶200比例尺進行大比例建模。選用鉆孔537個，剖面299條，格子252個，建模面積為0.6km2。按照規(guī)范對篩選出的鉆孔歸納巖性、統(tǒng)一命名，將巖層分為7大類，40層。應用交互拼接建模的方法，將模型分為地質(zhì)體、地表建筑物兩個部分，加入DEM、衛(wèi)星貼圖耦合顯示。同時，地層的屬性數(shù)據(jù)也在建模過程中加入到地層屬性表中。本次工作解決了透鏡體和螺旋體的建模難點，提高了建模精度。

透鏡體；螺旋體；交互拼接；DEM；地下空間；工程地質(zhì)；三維建模

0　引言

在現(xiàn)階段看，地下資源開發(fā)有其自身的復雜性、隱蔽性等特點，加之地下構筑物、管線等錯綜復雜的排列，對地下環(huán)境造成了很大影響，地質(zhì)災害時有發(fā)生。北京恰是地質(zhì)安全問題較多且較嚴重的城市之一，山區(qū)主要有泥石流、滑坡、崩塌（滑塌）、地面塌陷（采空塌陷）等突發(fā)性地質(zhì)災害，而地裂縫、地面沉降、活動斷裂、特殊性土等緩變性地質(zhì)問題主要集中在平原區(qū)。就其分布而言，全市57%以上的面積為地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)，其余雖不是地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)，但仍有地質(zhì)安全問題存在。北京的交通網(wǎng)絡一般呈環(huán)狀或輻射狀分布，幾乎都要穿過（或緊鄰）地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，在地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)內(nèi)，無論是突發(fā)性還是緩變性的地質(zhì)災害，都將對交通網(wǎng)絡造成極大危害。為了保障交通網(wǎng)絡的安全運營，應盡快開展地質(zhì)安全監(jiān)測預警工作（張樂鑫，2014；黃漢平，2008；張聚興，2006）。

首先要持續(xù)有效的進行預警監(jiān)測，現(xiàn)有的二維數(shù)據(jù)或者較小比例尺的地下三維模型，只能基本展示地下結構的相對位置，不能有效地說明具體地層、闡釋空間結構、以及進行沉降、水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示，對具體工作起到的作用不大（張春峰，2010；朱發(fā)華，2010；鐘登華等，2007；邵昊，2008）。因此，需要建立大比例尺的工程地質(zhì)地下三維模型及其應用模型，才能對我們的地下環(huán)境有更準確的了解，及時掌握危險的易發(fā)區(qū)位置和情況。本文著重選取地面沉降突出地區(qū)的線性工程地下地質(zhì)模型進行實例建模（張素君，2011）。

1　三維建模的研究現(xiàn)狀

隨著巖土工程信息化建設，以及 GIS 技術的快速發(fā)展，工程地質(zhì)三維建模與分析已經(jīng)成為當前數(shù)學地質(zhì)、工程地質(zhì)、計算機科學等多個領域研究的前沿和熱點（郝才偉，2008）。國外三維地質(zhì)建模及可視化研究開展得較早，在理論研究、軟件開發(fā)和實際應用等方面的發(fā)展較為成熟，比較典型的大型專業(yè)軟件有 Earth Vision，Go CAD，Vulan，Gemcom，Micro Lynx 等，這些軟件廣泛的應用在石油物探、石油開采和露天礦開采等領域。其中以法國研制的 Go CAD 最為突出，達到了半智能化建模的最高水平，具有功能強，界面友好，并能在幾乎所有硬件平臺上（Sun，SGI，PC-Linux，PCWindows）運行的特點（張春峰，2010；朱良峰等，2006；熊祖強等，2007）。但是，國外軟件費用較高，并且受到具體地質(zhì)條件的限制，在我國的應用受到很大限制。國內(nèi)的研究雖然起步較晚，但也取得了一定的理論和應用成果。MapGIS-TDE K9三維平臺是武漢中地公司MapGIS K9平臺下的一個子平臺，以MapGIS數(shù)據(jù)中心服務理念為指導思想，主要提供行業(yè)內(nèi)基于真三維GIS的解決方案服務，同時MapGIS K9三維平臺也是一個二次開發(fā)體系平臺，平臺提供了一系列基于二次開發(fā)的三維存儲服務，三維顯示服務以及三維分析應用服務（黃靜莉等，2013； 李國棟等，2010；張煜等，2002）。

2　MapGIS-TDE K9三維平臺的特點和操作流程

2.1軟件介紹

武漢中地公司的MapGIS-TDE K9三維平臺，作為主流GIS行業(yè)中率先提出三維GIS服務理念的平臺，具有在行業(yè)中獨特的技術領先水平，實現(xiàn)了空間信息表達的完整性，多源數(shù)據(jù)管理的一致性，豐富的三維建模方法，多樣化的模型可視化表達，專業(yè)特色的三維分析應用以及2D、3D一體化的數(shù)據(jù)處理分析等功能。MapGIS-TDE平臺采用二次開發(fā)機制允許用戶針對專業(yè)領域應用需求，開發(fā)具有針對性的快速建模與專業(yè)分析插件，動態(tài)擴展平臺功能模塊以適應特定的三維應用；其采用的基于數(shù)據(jù)中心與功能倉庫搭建解決方案的模式，適合用戶在MapGIS-TDE平臺專業(yè)、深入、成熟的應用領域快速定制出應用系統(tǒng)。

2.2建模的主要流程

模型的建立主要分為兩個部分，一是地質(zhì)體模型的建立，二是地表建筑物的建立，最后通過MapGIS-TDE K9三維平臺將建好的兩個模型進行整合顯示（圖1）。對于工程地質(zhì)地質(zhì)體模型的建立，需要用到復雜地質(zhì)體建模的方法，即：交互拼接建模。

基本思路為：利用建模區(qū)域內(nèi)多條交叉剖面將空間分割成多個單元格，用戶建模的最小單元就是一個單元格。所做工作就是利用單個單元格內(nèi)一系列閉合輪廓線建立起曲面片，進而確定該單元格內(nèi)所有地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)，形成一個單元格地質(zhì)塊，最后將每個單元格的地質(zhì)塊進行合并形成完整的地質(zhì)體模型。對于非交叉剖面或邊界處無法自然封閉的單元格，可以通過手動添加輔助線的方式進行封閉，之后按照封閉單元格相同方式建模。除剖面數(shù)據(jù)外，在單元格內(nèi)的空白區(qū)域，系統(tǒng)將鉆孔、等值線等能夠揭示地質(zhì)體或地質(zhì)構造信息的數(shù)據(jù)進行約束，也可將這些信息在構面的過程中加以利用，以提高模型精度?；趩卧窠５姆椒ㄗ顬楹诵牡慕９ぷ鳛榻缀?、拓撲一致的地質(zhì)子面，而這也是建模的難點所在。

在這里需要說明一點，之所以選擇交互拼接建模方法，沒有用鉆孔自動建模，其中最主要原因是：鉆孔建模要求每一個參與建模的地層，如果不是在同一個層位上的，就需要有獨立的名稱來區(qū)分開，否則計算機在把這個鉆孔地層和其他鉆孔地層相連的時候，就會出錯。北京恰恰又是一個地下結構非常復雜的地區(qū)，工程地質(zhì)層要是全部按照不同特征區(qū)分編錄，其工作量巨大是很難想象的。況且目前不同單位在進行地層命名的時候，方式也不盡相同。不同于上海地區(qū)，地下結構較為簡單，用幾十個基本地層可以覆蓋出整個地區(qū)，所以我們這里更多的是傾向選擇人工干預的交互拼接建模。

圖1　交拼互接拼三接維三系維統(tǒng)系建統(tǒng)模建流模流程程圖圖Fig.1 FIIingt.e1r aIncttievrea cmtivoes amico s3aDic s3yDs tseymst emmmo mdeoldinegli npgr opcreeo scse sms mapap

2.3模型分析功能

交互拼接三維建模針對地鐵這類容易出現(xiàn)透鏡體和螺旋體的工程地質(zhì)建模非常適合。建成地質(zhì)體后首先可以自由的展示需要方向的地層結構，即多模式的三維模型分析：平面剖切、折線剖切、任意面剖切、組合剖切、基坑開挖等，更重要的是可以隧道虛擬開挖模擬及漫游觀覽，通過推進讓我們對地鐵沿線的地層結構，有更深入和清晰的直觀感知。

還可以系統(tǒng)的利用三維可視化技術，利用文本文件、矢量文件建立曲面模型，如利用地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域地面沉降動態(tài)發(fā)展過程，直觀反映地面沉降對城市安全的影響。再者進行地質(zhì)體屬性空間分布建模，主要用于地質(zhì)體內(nèi)物理、化學屬性值和其它地質(zhì)參數(shù)的三維空間分布規(guī)則化建模，顯示屬性數(shù)據(jù)，進行屬性模型切割以及等值面追蹤等功能。

3　三維建模實例

3.1工程段的選擇

選取地鐵線性工程作為研究對象。通過多年對地面沉降的觀測，結合地鐵線路圖，找出地面沉降嚴重地區(qū)的某一地鐵線路段作為本次工作的試驗段進行闡述。降區(qū)域內(nèi)的地鐵線路段共有8條，即：14號線北段，從望京站到善各莊站；15號線北段，從望京到崔各莊站；機場線北段；3號線和12號線東北段；1號線、6號線還有7號線的東段（圖2）。

圖2　北京地鐵與部分沉降區(qū)域耦合展示圖Fig.2 Coupling of Beijing Metro and partial settlement area map

圖3　工作區(qū)規(guī)劃展示圖Fig.3 Work area planning display map

由于3號線、7號線、12號線、15號線地鐵尚未完工，14號線北段地表暫無標志性建筑物群（主要以農(nóng)田為主），機場線地下建設站臺很少（不易于進行地下模型展示），1號線建設太早，地下數(shù)據(jù)不收集不全。所以本次工作選取6號線沉降區(qū)內(nèi)段落進行試驗工作。工作區(qū)共7個站點6個區(qū)間，長度約14km，建模面積0.6km2。本文以重點工作區(qū)青年路站為例，進行詳細分析研究（圖3）。

圖4　工程勘察剖面和建模使用剖面對比圖Fig.4 Comparison of the section of the engineering survey section and modeling map

3.2地層的劃分

通過剖面圖能比較清晰的分辨出各個主層、亞層的所處深度及展布情況（圖4），與工程勘察剖面進行對比驗證，二者在地層的層序、層頂?shù)酌娴男螒B(tài)和尖滅位置上都十分相同，說明青年路站的三維地質(zhì)體建模是準確可靠的。

在定地層顏色的時候，我們也進行了一系列的考察，咨詢了相關的工作人員，他們的意見是在實際工作中，對三維地質(zhì)體生成的二維剖面，他們更多的是關心巖性問題，清晰直觀的展示不同的巖性（這里討論的是含水層和隔水層），對提高工作效率十分重要。于是我們在定義巖層色彩的時候，沒有按照巖層從上到下的順序進行標色，而是根據(jù)不同的巖層、巖性定義的不同色標，巖層符號同樣使用了國家通用標準（綜合工程地質(zhì)圖圖例及色標GB 12328-90、綜合水文地質(zhì)圖圖例及色標GB/T 14538-93、區(qū)域地質(zhì)圖圖例GB 958-1989、地質(zhì)圖用色標準及用色原則DZ/T 0179-1997）。

由于北京市河流發(fā)育比較多，造成工程地質(zhì)地層的沉積非常復雜，在實際工作中，把已經(jīng)劃分好的地層統(tǒng)一命名歸類的難度過大，工作量會超乎我們的想象，所以這里集中選擇依靠原始分層不變來建模，這也是為了最大限度的發(fā)揮模型今后的作用，屬于一項實驗性的突破。最后把不同的屬性值放入三維地層的屬性表中來規(guī)整最終成果，這樣對今后實際工作的指導意義更大（圖5）。如果能把地層在今后的研究中統(tǒng)一、或者分區(qū)域統(tǒng)一歸納命名，將會出現(xiàn)更大的進展。

圖5　地鐵6號線試驗段三維建模使用的地層符號和色標圖Fig.5 The use of symbols and color formation test section of Metro Line 6， 3D modeling map

3.3地質(zhì)體的建立

建模之前需對地質(zhì)體進行規(guī)劃，加大地質(zhì)體建模成體的精準度，最大限度的應用青年路站所有的鉆孔和剖面資料，保證資料的不缺失使用。在原有的剖面基礎上，根據(jù)鉆孔的分布，選擇了40個鉆孔，從新劃分出了4條橫剖，6條縱剖，共組成14個模型格子，建模面積為0.025km2?；驹瓌t為：在單位面積上，模型的格子越多，應用的鉆孔數(shù)據(jù)越全，建造出來的模型就更加準確可靠。

接下來就是在三維建模軟件工具中導入做好的二維剖面，可以單獨或者批量導入，檢查坐標和一致性處理無誤。把每一個單元格分別建立一個單獨的數(shù)據(jù)庫，在二維數(shù)據(jù)管理器里進行管理，這樣做清晰不宜出錯。模型全部建成后，再統(tǒng)一導入同一個數(shù)據(jù)庫。對于復雜、數(shù)據(jù)量大的建模工作，一旦出現(xiàn)錯誤，修改非常麻煩，如此可以避免整體返工，進行單獨庫的糾錯。

（1）地質(zhì)體的構建

本次工作所選劃分多個單元格建模的方法，是一種“分治”的方法。將復雜模型進行分割，除了提高建模精度外，也便于觀察和操作，對于分工合作完成大數(shù)據(jù)量的復雜模型構建也有很大作用。當然缺點也同樣存在，地層劃分的越細致，格子切分的越多，建?；ㄙM的時間也就越長，精力投入相對更多（圖6）。

圖6　青年路站模型剖面在三維軟件中顯示圖Fig.6 Qingnian Road station section of model in 3D software

最后就是按照每個單元格，根據(jù)分層情況，每層分別建立各自的上下面，與格子周圍剖面結合，構造三維地質(zhì)體模型。模型中每個地層的小地質(zhì)體都可以爆炸顯示出來，便于觀察整個地層結構（圖7）

圖7　三維地質(zhì)體模型及其爆炸地層圖Fig.7 The 3D geological model and its explosion formation map

3透鏡體的構建透鏡

體在地層體中是一種很常見的類型（圖83）。它的得特點是數(shù)量多、區(qū)域小，又沒有規(guī)律可循，時常會彼此相連、疊加存在。在建模過程中是不能利用現(xiàn)有剖面線建模的地質(zhì)體。如果鉆孔自動建模，或者以前的方法手動建模，一旦地質(zhì)面重復，很容易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，地質(zhì)體建模就會出現(xiàn)錯誤，因此需要構建輔助線搭建需要的 面層。

主要思路是：找到透鏡體兩端的端點，利用輔助線構造工具連接端點構建輔助線，鏡建線和原有透鏡體剖面的上線和下線分別構成兩個平面，最后再和透鏡體剖面合成建立地質(zhì)體。特別需要注意的是，在透鏡體疊加地層里，輔助線要分段、分情況建模，因為模型面層是不能重疊的，共用面不能是兩個面組成。這是遵照實際地質(zhì)體的規(guī)律要求，否則后期工作在切割剖面、開挖隧道時，易出現(xiàn)地質(zhì)體報錯現(xiàn)象（圖9）

圖8　青年路剖面中典型尖滅地質(zhì)體圖Fig.8 Typical pointed out geological body in Qingnian Road section map

圖9　構建透鏡體思路和流程圖Fig.9 To construct the idea and process of the pointed out geological body map

3螺旋體的構建

螺旋體是工程地質(zhì)中一種極為復雜地層結構。該地層的特點是尖滅點不在同一個高度且在地層中呈環(huán)抱狀態(tài)出現(xiàn)，地質(zhì)體整體上不間斷，一般都表現(xiàn)為兩個螺旋體相扣。螺旋體在二維剖面里是無判別出來的，最初合成三維立體模型時候，常常被誤認為是二維剖面出錯所致。但經(jīng)過研究，這種螺旋狀地質(zhì)體是可以構建出來的，在空其存在合理性的。建模過程中特別需要注是，由于螺旋體相擁在地層里，首先要選擇一個的中心點，這是構造輔助線、地乃至地質(zhì)體的中心點，也是一同時出現(xiàn)在、下兩個層位、中間卻不相連接的關鍵所在（圖10）。

圖10　構建螺旋地質(zhì)體思路和流程圖Fig.10 Train of thought and process of construction of spiral geological body map

3.4仿真分析

通過建模后切割的剖面與是原始剖面對比驗證。

地質(zhì)體建成后，可以任意切割折線生成剖面。這個剖面可以在三維里顯示，也可以在二維編輯器里顯示和編輯，下圖列舉出來建模前后剖面的對比圖，可以看出地層基本遵照實際建成，相差無幾（圖11，圖12）。

通過以上的對比可以看出，地質(zhì)體建模的結構是準確的，并且三維系統(tǒng)將二維的立面及平面轉化為三維實體結構，可通過切割、旋轉、拉伸、縮放等功能進行觀察，比二維圖更加準確、形象，包含的信息量更加豐富。

圖11　地質(zhì)體切割剖面圖Fig.11 Geological body section map

圖12　建模前剖面和建成地質(zhì)體切割出剖面對比圖Fig.12 Comparison of the profile and the built geological bodies before modeling map

3.5地表構造

（1）加入DEM地表起伏

地質(zhì)體建成后，為了融入建設場地的特點，便于觀察地下活動對地表一系列特征性設物的影響，我們需要模擬真實的地面場景。因此就需要給地面加入DEM起伏，以及遙感衛(wèi)星貼圖（圖13）。

圖13　地質(zhì)體覆蓋DEM和地表影像圖Fig.13 Geological bodies cover DEM and surface images map

（2）加入代表性地面設物

為了進一步深入觀察研究區(qū)域，隨時了解區(qū)域地下情況對地表的作用，還需加入代表性的地面設物。下面我們?yōu)榱苏f明更加具體詳盡，使地面建筑物更加全面和具有代表性，選取地質(zhì)體上較大范圍的一塊地表作為研究對象，來展示區(qū)域地面、地下一體立體展示情況（圖14）（陳聰發(fā)等，2015；田小甫等，2012）。

圖14　地上、地下三維一體圖Fig.14 Above ground and underground three dimensional integration map

4　結論

（1）本次工作是對6號線試驗段7個站點和6個區(qū)間的模型研究，通過收集整理多方位資料，以橫向1∶500，縱向1∶200比例尺進行建模，其中參與工作的共有鉆孔537個，剖面299條，格子252個，建模面積為0.6km2。

（2）對篩選出的537個鉆孔進行了巖性歸納、統(tǒng)一命名的整理工作，遵照詳勘的最初定義，最大限度的保證不破壞原有地層命名的基礎。按照規(guī)范定了七大類，包括：人工填土、粘土、粘質(zhì)粉土、粉土、粉細砂、中粗砂和圓礫卵石。主要依據(jù)其粒度和成分來分別進行定名，共分為40層，其中按照主層和亞層分別定名。

（3）模型的建立主要分為兩個部分，一是地質(zhì)體模型的建立，二是地表建筑物的建立，最后通過MapGIS-TDE K9三維平臺將建好的兩個模型進行整合顯示。對于工程地質(zhì)地質(zhì)體模型的建立，需要用到復雜地質(zhì)體建模的方法，即：交互拼接建模。地層的屬性數(shù)據(jù)，在建模過程中加入到地層屬性表中，以便今后研究使用。

總之，大比例尺三維地質(zhì)建模技術在區(qū)域勘查中，可以有很大的應用空間。通過本次工作所突破的難點方式進行三維建模，可以為建筑場地選址、地下空間建設與數(shù)據(jù)管理提供地質(zhì)信息支持，在很大程度上，可以提高工作效率，如果能把北京市工程地質(zhì)地層，在今后的研究中統(tǒng)一、或者分區(qū)域統(tǒng)一歸納命名，就可以進一步引入鉆孔自動建模，和較少的人工干預操作，這將使三維地質(zhì)建模技術在區(qū)域地質(zhì)勘查領域擁有更為廣闊的應用前景。

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Research on large scale 3D geological modeling method

ZHANG Xue1， LIU Gaixia2， ZHU Tao3， CHEN Jin2
（1. Information Centre of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100195； 2. Beijing Institute of Geological Engineering， Beijing 102600； 3. Daxing District Environmental Protection Bureau， Beijing 100048）

It is difficult to model the current underground space at large scale， and few cases are mentioned. The main difficulty lies on the strict carrying out the large scale modeling according to the original strata， so there will be a lot of lens body and spiral. The test section of the easily subsidence area of subway line 6 includes 7 station sites and 6 intervals. By collecting and arranging the multi azimuth data， the model at horizontal scale of 1:200 and longitudinal scale of 1:500 are established. We choose 537 drills， 299 sections， 252 grids， and 0.6km2areas. According to the rules， we selected some rock cores， and classified the lithology， uniformed the rock names； the rocks are divided into seven categories， 40 layers. The model can be divided into two parts， the geological body and the surface structure， by using the method of interactive splicing modeling， which includes the DEM and the satellite maps. At the same time， the attribute data of stratum is added into the formation attribute table in the process of modeling. This work solved the modeling difficulties of the lens body and the spiral body， and improved the accuracy of the modeling.

Lens body； Helix； Cross stitching； DEM； Underground space； Engineering geology； 3D modeling.

TP311.52

A

1007-1903（2016）02-0030-08

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.007

張雪（1984- ），碩士，工程師，主要從事水環(huán)境評價、水文地質(zhì)工作，E-mail：m13810260293@163.com