潘卓，鄧波，李嘉寶

文章編號(hào)：1672-5603（2020）02-74-6

摘 要 張家界地貌以山地丘陵為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)資料稀缺，存在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的隱患。摸清本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，建立張家界中心城區(qū)三維地質(zhì)模型，能夠?yàn)橹行某菂^(qū)深部地質(zhì)特征研究提供參考依據(jù)。本論文以湖南省財(cái)政項(xiàng)目—《張家界城市地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查評(píng)價(jià)》成果為依托，全面收集工作區(qū)內(nèi)的基巖地質(zhì)圖件、第四系地質(zhì)圖件、鉆孔數(shù)據(jù)等資料，對(duì)中心城區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，基于mapgis k10平臺(tái)的三維地質(zhì)建模功能，建立張家界中心城區(qū)81.74km2的三維地質(zhì)模型。

關(guān)鍵詞 三維地質(zhì)建模;mapgis k10;交互建模;分區(qū)圖自動(dòng)建模

中圖分類(lèi)號(hào)：P628 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Establish Of Three-dimensional Geological Model in Zhangjiajie's Central Urban Area Based on MapGis K10 Platform

Pan Zhuo， Deng Bo， Li Jiabao

（Natural Resources Affairs Center of Hunan Province，Changsha Hunan 410004）

Abstract： In Zhangjiajie city， landscape is dominated by mountain and hill， geological conditions are complex and geological data is scarce， there are hidden danger of geological hazards occurred. Surveying regional geological structure and establishing three-dimensional geological model in central urban area of Zhangjiajie city can provide a reference basis for study on deep geological characteristics of central urban area. Based on the financial project of Hunan Province "comprehensive investigation and evaluation of urban geological environment in Zhangjiajie"， this paper comprehensively collects data of bedrock geological map， Quaternary geological map and borehole data in the working area， and systematically analyzes and researches the geological environment conditions in the central urban area. And the three-dimensional geological model of 81.74km2 in central urban area of the Zhangjiajie has been built by using the three-dimensional geological modeling function of the MAPGIS K10 platform.

Keywords： three-dimensional geological modeling; mapgis k10; interactive modeling; automatic modeling of partition map

0 引言

在三維可視化和地質(zhì)建模方面的研究中，發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，早在1987年Calson E.就從地質(zhì)學(xué)的角度提出了地下空間結(jié)構(gòu)的三維概念模型[1]。1989年Bak、Smith和Raper提出地學(xué)信息的三維表達(dá)形式。國(guó)外相繼出現(xiàn)了很多成熟三維地質(zhì)軟件[2] [3]，如澳大利亞的Surpac，美國(guó)的M-KEagles等。而國(guó)內(nèi)在2005年城市地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)工作開(kāi)展后，相繼有6個(gè)城市建立了三維可視化信息平臺(tái)及三維地質(zhì)模型。

該類(lèi)型服務(wù)平臺(tái)以服務(wù)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展為宗旨，在充分整合已有地質(zhì)成果的基礎(chǔ)上，以mapgis為平臺(tái)，盡可能擴(kuò)大了信息類(lèi)地質(zhì)資料社會(huì)化公益性服務(wù)的范圍，提升了公益性地質(zhì)資料的服務(wù)水平。

本論文主要是探討在mapgis K10平臺(tái)下，利用城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查成果建立張家界中心城區(qū)三維地質(zhì)模型的思路，所遇到的相應(yīng)問(wèn)題及解決方式。

1 管理服務(wù)系統(tǒng)及三維地質(zhì)建模概述

張家界市三維可視化城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)是基于中地公司mapgis K10平臺(tái)而開(kāi)發(fā)，集成了張家界市多年來(lái)的地質(zhì)成果資料，建立了張家界市城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫(kù)，將地質(zhì)調(diào)查工作與信息化相融合，采用B/S和C/S相結(jié)合的模式，所研發(fā)的信息系統(tǒng)能夠服務(wù)于社會(huì)公眾、專(zhuān)業(yè)人員和政府管理人員，增強(qiáng)了城市地質(zhì)服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)與管理的快速反應(yīng)能力，并可提供城市規(guī)劃與選址、地下資源開(kāi)發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的基礎(chǔ)地質(zhì)信息。

三維地質(zhì)建模屬于該系統(tǒng)中的三維展示與分析子系統(tǒng)，其作用主要是區(qū)別地質(zhì)成果以往的二維表達(dá)方式，通過(guò)張家界城市地質(zhì)多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，讓成果表達(dá)更直觀，讓分析過(guò)程更簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖1。

2 建模區(qū)簡(jiǎn)介

建模區(qū)范圍包含了規(guī)劃城市建成區(qū)及部分中心城區(qū)城市建設(shè)發(fā)展區(qū)，范圍內(nèi)北至沙堤，南至焦柳鐵路，東至陽(yáng)湖坪組團(tuán)，西至楓香崗組團(tuán)，面積81.74km2。

建模區(qū)內(nèi)基巖地層由老至新出露主要有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、白堊系。第四系地層以白水江組及橘子洲組為主。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育不強(qiáng)烈，無(wú)活動(dòng)斷裂。

建模區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題包括特殊類(lèi)土、地質(zhì)災(zāi)害及巖溶地質(zhì)問(wèn)題。特殊類(lèi)土主要是指淤泥質(zhì)土，該類(lèi)土主要是分布在永定、荷花及陽(yáng)湖坪組團(tuán)離澧水河較近的范圍內(nèi)，在建筑物荷載的作用下容易發(fā)生不均勻下沉和大量下沉，而且下沉緩慢，完成下沉的時(shí)間長(zhǎng)。地質(zhì)災(zāi)害主要指滑坡與崩塌。巖溶地質(zhì)問(wèn)題主要有巖溶塌陷、溶洞坍塌及巖溶滲漏。

3 建模區(qū)三維地質(zhì)建模

3.1 建模思路與方法

本次三維地質(zhì)建模功能主要是基于張家界城市地質(zhì)多源專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，包括工程地質(zhì)模型、基礎(chǔ)地質(zhì)模型、水文地質(zhì)模型。本次工作建模軟件是武漢中地公司開(kāi)發(fā)的“張家界市三維可視化城市地質(zhì)資料信息服務(wù)與管理系統(tǒng)”，針對(duì)于建模區(qū)情況選擇以下兩種建模方法。

3.1.1 ?交互式建模

交互式建模法，是基于交叉剖面的半自動(dòng)交互式建模，需要根據(jù)鉆孔建立三維地質(zhì)剖面圖。其優(yōu)點(diǎn)是可以解決復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)例如斷層、透鏡體等問(wèn)題，即在相應(yīng)的單元格原件構(gòu)造等問(wèn)題采用人工干預(yù)處理，該半自動(dòng)的建模方式更能夠接近實(shí)際情況;缺點(diǎn)是建模過(guò)程較繁瑣，建模消耗時(shí)間長(zhǎng)，不易于模型的修改。

張家界地區(qū)結(jié)合地形地質(zhì)圖進(jìn)行建模的這種方式在國(guó)內(nèi)屬于第二例，本次采用的交叉網(wǎng)格建模，對(duì)于剖面要求更高，建模難度更大。建模中有相當(dāng)大的工作量是在前期數(shù)據(jù)處理上，以下是建模流程，見(jiàn)圖2。

這種方法最大的創(chuàng)新之處是結(jié)合了垂向地質(zhì)數(shù)據(jù)（地質(zhì)剖面）和水平向地質(zhì)數(shù)據(jù)（平面地質(zhì)圖）。在以往的城市地質(zhì)建模過(guò)程中，通常只使用了垂向地質(zhì)數(shù)據(jù)，而平面地質(zhì)圖基本只是作為建模過(guò)程中的一個(gè)參考數(shù)據(jù)，平面地質(zhì)圖的作用并沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，其實(shí)在這種建模過(guò)程中，平面地質(zhì)圖中包含的地質(zhì)信息大部分都被舍棄掉了。而本次交叉網(wǎng)格建模法則完全消除了這種弊端，也基本解決了丘陵地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下難以客觀真實(shí)表達(dá)地層接觸關(guān)系、地層之間易穿插、地表高程和地質(zhì)情況表達(dá)嚴(yán)重失真等三維空間地學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建庫(kù)難題，大大提高了模型的精度。

此外，針對(duì)張家界的地質(zhì)環(huán)境條件及相應(yīng)的需求，我們也提供了一些特殊的功能，如通過(guò)剖面約束地質(zhì)面作為模型的頂面進(jìn)行建模、相交剖面自動(dòng)分割、三維捕捉等。

3.1.2 ?分區(qū)圖自動(dòng)建模

分區(qū)圖自動(dòng)建模是一種利用鉆孔數(shù)據(jù)和地層平面分布圖結(jié)合的建模方式，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)易方便，適合于模型范圍不大、鉆孔資料分布均勻、地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的情況。以下是建模流程，見(jiàn)圖3。

3.2 建模成果

考慮到建模區(qū)地層的較復(fù)雜性，針對(duì)工程地質(zhì)模型、基礎(chǔ)地層模型、水文地質(zhì)模型、地質(zhì)災(zāi)害模型采用不同的建模方式。基本情況見(jiàn)表1?？紤]到張家界地下空間開(kāi)發(fā)利用深度，建模深度均為地面向下至-50米。

3.2.1 ?基礎(chǔ)地質(zhì)模型

按照交互式建模方法，大致按照45°、135°走向，1.5-2km一條典型區(qū)域地質(zhì)剖面，約1000m一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鉆孔的網(wǎng)度，利用實(shí)測(cè)剖面、收集鉆孔點(diǎn)，完成標(biāo)準(zhǔn)剖面21條，剖面線總長(zhǎng)度135.68km，建模深度為0-50m，詳見(jiàn)剖面線分布圖和基礎(chǔ)地質(zhì)模型圖。這21條剖面將建模區(qū)劃分為66個(gè)三維單元格。項(xiàng)目組完成所有三維單元格，最終合并單元格完成建模區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)模型，可以看出建模區(qū)上覆為第四系松散層，下伏地層為基巖。如圖4所示。

3.2.2 ?水文地質(zhì)模型

同樣采取的是交互式建模的方式，含水性與地層巖性相關(guān)，在完成張家界中心建模區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)三維模型的基礎(chǔ)之上，只需利用軟件中“地質(zhì)體合并”和“地質(zhì)體切割”的功能，將同一含水性的地質(zhì)塊體合并、將不同含水性的地質(zhì)塊體分割即可。本模型基本能反映出城區(qū)范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，如圖5所示。

3.2.3 ?工程地質(zhì)模型

由于本次收集的鉆孔數(shù)量有限，質(zhì)量參差不齊，區(qū)域內(nèi)鉆孔分布不均，劃分地層較多，不宜采用剖面法建模，項(xiàng)目組慎重考慮后，最終采用分區(qū)圖自動(dòng)建模法建立工作區(qū)范圍內(nèi)的工程地質(zhì)模型，圖6所示。建模方法已在上文中進(jìn)行描述，在此不再贅述。

3.2.4 ?建模成果總結(jié)

基于多約束條件的交互建模法建成了基礎(chǔ)地質(zhì)模型和水文地質(zhì)模型：在建立三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)的處理和計(jì)算能力，對(duì)交互建模技術(shù)進(jìn)行效率優(yōu)化和改進(jìn)。以剖面為基礎(chǔ)，結(jié)合1：5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖形成了三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。建模數(shù)據(jù)源不僅僅有傳統(tǒng)的城市地質(zhì)建模所用的大量工程地質(zhì)鉆孔，還結(jié)合了地質(zhì)圖和地表高精度DEM數(shù)據(jù)的嚴(yán)格約束，這種建模方法大大提高了模型的精度和可視化效果，所以建成的三維數(shù)據(jù)庫(kù)的地表地質(zhì)分區(qū)是和1：5萬(wàn)地質(zhì)圖完全一致的，也具有真實(shí)的地形起伏。

基于分區(qū)圖自動(dòng)建模法建成了工程地質(zhì)模型：基于鉆孔數(shù)據(jù)、地層分區(qū)數(shù)據(jù)、地表DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建的工程地質(zhì)模型，具有真實(shí)的地形起伏，而且兼?zhèn)淠Ｐ透驴欤Ｐ矢叩葍?yōu)勢(shì)，為后續(xù)鉆孔補(bǔ)充后重新建模提供了便利。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 ?地質(zhì)資料空白區(qū)處理

建模中針對(duì)于本項(xiàng)目資料收集的實(shí)際情況，在資料空白區(qū)沒(méi)有補(bǔ)勘，而是在繪制剖面時(shí)遇到即定剖面線方向沒(méi)有鉆孔，而其附近有重要孔時(shí)，則在附近選取重要孔代替或根據(jù)實(shí)際情況繪制虛擬鉆孔，并采用畫(huà)折線的方式繪制標(biāo)準(zhǔn)剖面。為了方便構(gòu)建地質(zhì)塊體，剖面折線的彎折處盡量不形成明顯的銳角。

3.3.2 ?重要鉆孔篩選處理

工程地質(zhì)鉆孔選取的原則是：坐標(biāo)明確的鉆孔;天然露頭所形成的虛擬鉆孔;工程地質(zhì)勘察報(bào)告中明確的控制性鉆孔;深度達(dá)到了基巖的鉆孔或鉆孔深度大于等于20m的鉆孔;報(bào)告中有試驗(yàn)信息的鉆孔;出現(xiàn)有特殊性土、全風(fēng)化巖、采空區(qū)、溶洞、斷層、軟弱層等的鉆孔;區(qū)域地質(zhì)圖上地層邊界處及地層區(qū)域范圍內(nèi)的約束性鉆孔;重要線型工程的鉆孔，比如高速公路，符合以上條件的全部選為建模區(qū)域的重要鉆孔。本次共收集整理1349個(gè)鉆孔紙質(zhì)信息，入庫(kù)462個(gè)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（后續(xù)還在不斷加入標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔）。

3.3.3 ?地層標(biāo)準(zhǔn)化原則及問(wèn)題處理

為了構(gòu)建模型時(shí)系統(tǒng)插值準(zhǔn)確，模型合理，不同的模型需要建立不同的標(biāo)準(zhǔn)地層，針對(duì)于張家界三套主要模型構(gòu)建了三套標(biāo)準(zhǔn)地層—基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)分層標(biāo)準(zhǔn)。

工程地質(zhì)重要鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化主要依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》及《分層標(biāo)準(zhǔn)》中編制的“三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)—工程地質(zhì)分層標(biāo)準(zhǔn)”，土體按照地層巖性采取三級(jí)劃分的原則;基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)《湖南省1：25萬(wàn)地質(zhì)圖地層巖性簡(jiǎn)介》按照地層時(shí)代劃分到組;水文地質(zhì)按照巖性及富水性劃分。

建模過(guò)程中，針對(duì)以下5個(gè)問(wèn)題制定了相應(yīng)的處理辦法：

1、遇到比較薄的地層不方便建模。處理辦法：除淤泥、淤泥質(zhì)土等特殊地質(zhì)情況外，暫定厚度小于10cm的地層可與下一層地層合并。2、亞粘土標(biāo)準(zhǔn)化的處理辦法：標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)處理為“粉質(zhì)粘土”。3、輕亞粘土標(biāo)準(zhǔn)化的處理辦法：輕亞粘土亦稱(chēng)亞砂土，標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)處理為“粉土”。4、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土標(biāo)準(zhǔn)化的處理辦法：標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)處理為“淤泥質(zhì)土”。5、遇到鉆孔反應(yīng)的地層時(shí)代與區(qū)域地質(zhì)圖不符的情況，原則上依據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖為準(zhǔn)，再查周?chē)こ添?xiàng)目的勘查情況確定。

3.3.4 ?地表模型的建立

工作區(qū)地勢(shì)總體上是南北高、中間低。北部為低山丘崗，南部為中低山區(qū);中部為蜿蜒東流的澧水河及其階地，其地勢(shì)較平坦。我們利用數(shù)字高程模型（DEM）加遙感影像圖模擬地表模型，展示效果直觀逼真，更接近于實(shí)際情況。如圖7所示。

4 建議及展望

4.1 建議

1、提高地質(zhì)信息精度，深挖地質(zhì)應(yīng)用

本次系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，提出了多約束條件的鉆孔交叉剖面法進(jìn)行三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，將三維GIS技術(shù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高了地質(zhì)數(shù)據(jù)三維地質(zhì)模型的使用價(jià)值，但是由于三維地質(zhì)模型精度限制，加上地質(zhì)條件的不確定性，在地質(zhì)方面的因素存在一定的誤差。為了能夠更加充分有效的利用GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)解決地質(zhì)問(wèn)題更好的為城市建設(shè)提供服務(wù)，在今后工作中需要完善地質(zhì)因素參與相關(guān)評(píng)價(jià)的算法研究，提高計(jì)算精度，進(jìn)一步挖掘地質(zhì)模型應(yīng)用價(jià)值。

2、完善數(shù)據(jù)更新機(jī)制，保障應(yīng)用時(shí)效性

隨著今后地質(zhì)調(diào)查工作的推進(jìn)，鉆孔數(shù)和其他地質(zhì)資料的不斷更新，對(duì)三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新需要一定的投入，這樣地下的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度不斷提升，一方面有利于真實(shí)反映地下地質(zhì)情況，為工程建設(shè)提供三維可視化決策分析作用;另一方面還可以考慮將工程地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型作為地下空間評(píng)價(jià)因子，精度的不斷提高，有利于地下空間適宜性評(píng)價(jià)精度的提高，為地下空間的開(kāi)發(fā)利用提供更具有時(shí)效性的應(yīng)用。

4.2 展望

盡管當(dāng)前三維地質(zhì)建模還存在不少難題，但技術(shù)和經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)正朝著減少這些阻礙的方向發(fā)展。伴隨著二維GIS在地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用缺陷，三維GIS的研發(fā)和應(yīng)用已成為GIS領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，三維地質(zhì)建模正是三維GIS在地學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

隨著社會(huì)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的期望及環(huán)境保護(hù)對(duì)復(fù)雜模型提出的更高要求，未來(lái)地質(zhì)建模和地下可視化無(wú)疑將被應(yīng)用于更多的工程和滿(mǎn)足用戶(hù)需求與期望的決策中，可以說(shuō)，地質(zhì)建模和可視化的前景是不可限量的。

參考文獻(xiàn)/References

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