譚建輝，周志遠，黃佳銘，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

地質體中往往賦存著非連續(xù)性斷層、覆蓋層、褶皺和透鏡體以及其他復雜地質構造特征，而以二維靜態(tài)的方式描述其分布規(guī)律和構造形態(tài)，致使人們難以準確理解地下的地質狀況。通常鉆探是工程界了解地質狀況的主要手段，但工程鉆探資料是一系列空間分布不均的離散數據，對于城市規(guī)劃和建設管理等非地質專業(yè)的工作者來說，難以通過這些數據達到精確的理解。因此，有必要采用更直觀的方式描述地質體。地上與地下一體化三維地質可視化模型就是其中一種途徑[1]。所謂地上地下一體化三維地質可視化模型，就是運用計算機技術，進行空間信息管理、地質學解譯后，實現地上與地下三維模型的可視化[2]。

目前，將可視化技術應用于三維地質模型的軟件主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，這些軟件可應用于礦山模擬、開采評估、地質結構建模等領域，有些是通用型可視化系統(tǒng)，有些則是專門針對地質領域[3]。但對于大區(qū)域、復雜地質構造以及信息規(guī)范存儲和管理等方面存在一定的不足[4]。而借助于ArcGIS的信息化管理技術，可實現不同工程地質信息的規(guī)范存儲、有效管理和高效應用，同時也能為三維可視化提供數據支持。眾所周知，三維地質建模的核心是精確擬合復雜的地質曲面，唯有得到符合勘察原始資料和地質解譯的曲面，才能構建真三維地質的實體模型[5]。ItasCAD就是一個針對地球物理、地質工程應用的三維地質建模軟件，其核心建模技術是DSI離散光滑插值技術，具有模擬非連續(xù)性和多值性地質界面，可根據約束條件構建復雜的褶皺、透鏡體和非連續(xù)性的斷層、覆蓋層，且能根據地勘資料進行同步更新而不必重建模型的優(yōu)勢。

因此，本文基于ArcGIS平臺實現空間數據庫的管理和維護，調用DSI離散光滑插值技術的ItasCAD進行三維地質模型構建，最后再通過ArcGIS對模型進行三維渲染以及地上地下模型集成以及實現南沙區(qū)真三維地質實體模型的可視化、空間分析和應用，

2 南沙區(qū)基本地質概況

南沙區(qū)處于粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，位于珠江出?？诨㈤T水道西岸，東與虎門隔海相望，西連中山市，是連接珠三角城市群的樞紐性節(jié)點。區(qū)內地層由覆蓋層和基巖組成。經鉆孔資料揭示：陸地面積占比最大的沖積平原主要由三角洲沖積土形成；低丘陵臺地主要分布在南沙街道，某些孤丘由白堊系紅色礫巖組成，而低洼區(qū)由第四紀河口相沉積物組成；中生代燕山運動使地臺活化，形成的主要斷裂有沙灣斷裂、洪奇瀝斷裂、獅子洋斷陷和萬頃沙斷陷以及大規(guī)模的巖漿活動；基底由古生界變質巖系構成，最老的為下古生界震旦系變質砂巖、板巖、片巖及硅質巖，分布于塘坑至南沙林場茸鵝山一帶；加里東期的混合花崗巖分布于南沙深灣；大面積基巖為燕山期的細粒、中粒、粗粒(或班狀)黑云母花崗巖，分布于黃山臺一帶以及黃閣的大山乸等地。

3 數據規(guī)范化入庫

目前工程界常通過地質鉆探等手段，在野外地質編錄后，內業(yè)整理分析紅紙和報表，繪制鉆孔柱狀圖，再通過后期經驗分析，得到連接各鉆孔的地質斷面圖并編制勘察報告。對于大面積區(qū)域而言，各工程的地質資料是離散的且格式多樣，不易于整合應用。而通過規(guī)范化統(tǒng)一格式使數據入庫，具有格式統(tǒng)一、高效可靠、完整自同步等特性，是系統(tǒng)進行數據控制的最佳選擇。城市地質調查數據規(guī)范化入庫流程如圖1所示。

圖1 數據規(guī)范化入庫流程圖

根據研究區(qū)域，通過野外調查以及全面收集圖形、圖像、報告、數據等資料，并對資料進行系統(tǒng)的分析、整理及篩選。在此基礎上，對屬性類數據(柱狀圖、勘察報告附表)進行分類，編制屬性表；其次對圖形類數據(基巖地質圖、地質構造圖、水文系列圖)進行矢量化，并數字化、配準校正后進行三維轉換；然后，將建好的屬性數據文件和編輯好的圖形數據文件利用圖元編號或特殊標識意義的關鍵字段進行掛接，按要求進行必要的分層處理，逐層進行拓撲重建，形成具有拓撲關系的多邊形圖層文件，并利用圖形和屬性一一對應的特點，對圖形數據和屬性數據進行全面檢查和修改，直到全部對應。

資料來源類型 表1

針對數據的存儲形式與模型可視化的表現要求，可采用如下三種數據表：鉆孔基本信息、分層信息表、地層屬性表，其數據結構字段如表2、表3、表4所示。本次地質建模正是依據這三個鏈表數據進行。將規(guī)范化處理的數據整理成表文件，并且以點要素的方式導入ArcGIS里面，建立本模型需要的三維地質空間數據庫，其最大的優(yōu)點是使地質環(huán)境數據管理有序，使用方便，非常適合于城市規(guī)劃管理工作者使用，但不足的是未能形成直觀的三維模型，因此在建立上述數據庫的基礎上，若能再實現三維可視化模型，則將大大拓展其使用功能。

鉆孔基本信息表 表2

鉆孔分層信息表 表3

地層屬性表 表4

4 南沙區(qū)真三維地質實體建模

三維地質實體建模是一門通過空間信息管理理論研究地質實體的物理、化學屬性數據及幾何結構，并應用數字化可視技術對其進行真三維再現的科學與技術。廣義的三維地質建模包括三維地質模型的生成、可視化、空間分析和應用等。

目前，國際上將可視化技術應用于真三維地質模型的系統(tǒng)主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，這些軟件系統(tǒng)可應用于礦山模擬、開采評估、地質結構建模等領域，有些是通用型可視化系統(tǒng)，有些則是專門針對地質領域。其中ItasCAD就是一個針對地球物理、地質工程應用的三維地質建模軟件，其核心建模技術是DSI離散光滑插值技術，具有能模擬非連續(xù)性和多值性地質界面，可根據約束條件構建復雜的褶皺、透鏡體和非連續(xù)性的斷層、覆蓋層，且能根據地勘資料進行同步更新而不必重建模型的優(yōu)勢。

因此，本文基于ArcGIS平臺實現空間數據庫的管理和維護，調用DSI離散光滑插值技術的ItasCAD進行三維地質模型構建，最后再通過ArcGIS對模型進行三維渲染以及地上地下模型集成以及實現南沙區(qū)真三維地質實體模型的可視化、空間分析和應用，其建模流程如圖2所示。

圖2 三維地質實體建模流程圖

4.1 地層面模型的構建

地層面模型的構建可采用ItasCAD軟件的DSI離散光滑插值技術，調用基于ArcGIS建立的空間數據庫，對離散的點數據進行插值計算形成連續(xù)的三維曲面，如圖3所示。本次地層面模型的構建分為土層面模型和基巖面模型。

圖3 地層面模型

地表面模型的構建，采用DEM面構建，構建地表面的數據源是具有高程值的地理數據，包括水系、等高線、邊界等。在使平面比例尺與高程比例尺一致后，在軟件中先將高程的線數據轉換成離散點數據，再以離散點數據生成面，從而創(chuàng)建地表面。

土層面模型的構建，采用鉆孔數據構建。首先將南沙區(qū)約1 000個鉆孔的土層歸納為填土、軟土、砂土、黏性土四種類型；然后將鉆孔的每一個土層抽取作為一個空間采樣點，其X、Y為鉆孔坐標，Z值為孔深；再對同一層的采樣點，分析是否連續(xù)分布或者尖滅，ItasCAD可通過建模算法對尖滅界限進行自動識別，自動生成尖滅層，如圖4所示，圖中地層3-1和7為尖滅層；最后按照ItasCAD軟件的格式導入軟件之中，進行離散光滑插值，生成地層面。

基巖面模型的構建，利用基巖地質圖和地質構造圖構建。從基巖地質圖提取各地層邊界線的離散點，從地質構造圖中提取各斷裂邊界的離散點，設置好產狀，導入ItasCAD，利用“點與產狀”功能，構建基巖層面。

圖4 尖滅處理示意圖

4.2 地質體模型的構建

地質體模型由一系列的地層面模型封閉構成。由于ItasCAD構建出地層的頂面、底面、側面在進行插值時，并未考慮邊界條件和地層的分布范圍，所以對于ItasCAD生成的地層面，需要再次導入到ArcGIS軟件，運用ArcGIS的裁剪、連接等功能進行空間運算，從而生成閉合的三維地質體。然后，將所有單個地質體進行拼裝，構成南沙區(qū)三維地質模型，如圖5、圖6所示。最后，運用ArcGIS強大的色彩渲染功能實現三維地質模型的可視化，如圖7所示。

圖5 地質體模型

圖6 南沙區(qū)三維地質實體模型

圖7 南沙區(qū)三維地質實體模型

4.3 地上與地下模型一體化集成

隨著國家大力推進數字化城市的建設，地上與地下一體化三維可視化模型的集成勢在必行。與傳統(tǒng)三維地質模型相比，三維城市在立體層次、視覺效果等感官效果有著很大改進，也能提升城市地質調查工作成果可視化的表達能力。地上與地下模型集成的主要步驟如下：

(1)將基于3ds Max建立的地上精細模型轉換成ArcGIS平臺所需的三維模型格式；

(2)對地上模型進行坐標系統(tǒng)轉換和空間配準，以確保地上與地下模型可以在相同坐標系下進行無縫集成；

(3)將地上與地下模型按照邊界范圍進行裁剪，并拓撲修復地下模型，以消除地下與地上模型不能完全貼合的問題。

按照上述步驟，即可實現地上與地下模型的一體化集成，南沙區(qū)地上與地下模型集成的效果圖如圖8所示。

圖8 地上地下模型一體化集成

集成展示系統(tǒng)能夠集成海量的異構三維實體數據，包括地下地質體模型、地下構筑物模型(管線、地鐵、人防設施等)、地上建(構)筑物等。具有基本的三維可視化和分析功能，包括：場景的放大、縮小、平移、旋轉、單軸放大/縮小、配置可視化參數、屬性分析、統(tǒng)計查詢、瀏覽展示、飛行漫游、動畫生成等功能，支持地質體開挖仿真模擬、任意剖面的切割分析、地上地下一體化空間分析，可實現全方位的地上地下三維數據管理和應用分析。

5 真三維地質實體模型的應用

基于ArcGIS平臺建立的真三維地質模型，可實現對模型的放大、縮小、旋轉、平移等可視化操作，也可實現對南沙區(qū)任意位置進行三維地質剖切及實時漫游等應用，剖切斷面圖和模型漫游效果圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 三維模型剖切圖

圖10 三維模型的漫游

通過真三維地質實體模型，可將地質體的構造形態(tài)既直觀又形象地展現在城市規(guī)劃管理和建設工作者面前，輔助其做出符合地質現象分布規(guī)律的城市規(guī)劃和工程設計施工方案，減少因地質問題理解缺乏而造成的工程設計施工風險。

6 結 語

(1)本文結合Itascad與ArcGIS兩個大型軟件的技術優(yōu)勢，基于ArcGIS平臺建立了空間數據庫，采用DSI離散光滑插值技術，提出了一種能融合多要素的真三維地質實體模型的構建方法；

(2)應用本文建模的理念，基于南沙區(qū)海量鉆孔和地質資料，建立了南沙區(qū)科學精準的真三維地質實體模型，此模型能實現多要素數據的有效集成，同時將地上與地下的三維模型進行合并，實現了地上地下一體化，可提升城市地質調查工作成果的可視化效果；

(3)建立的南沙區(qū)真三維地質實體模型，能對工程地質信息進行有效管理和高效應用，如對任意位置進行地質剖切、三維漫游等操作，可為城市規(guī)劃管理和建設工作者提供直觀的地質構造形態(tài)。