城市地质调查中知识驱动的多尺度三维地质体模型构建方法

陈 麒 玉，刘 刚,2*，吴 冲 龙,2，李 新 川，张 志 庭

(1.中国地质大学(武汉)计算机学院，湖北 武汉430074；2.智能地学信息处理湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074)

城市地质调查中知识驱动的多尺度三维地质体模型构建方法

陈 麒 玉1，刘 刚1,2*，吴 冲 龙1,2，李 新 川1，张 志 庭1

(1.中国地质大学(武汉)计算机学院，湖北 武汉430074；2.智能地学信息处理湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074)

在城市地质三维模型构建中，数据来源庞杂，且不同应用领域对模型精度的要求不同。当前地质体三维模型构建技术还无法很好地支持大范围复杂地质结构模型的快速构建，建模过程繁杂，并影响后续地质分析工作的开展。为了解决这一问题，该文面向三维城市地质调查工作，提出了一种知识驱动的多尺度三维地质体模型快速构建方法。以专家知识为指导，通过对研究区域进行盆地分析和古沉积环境分析，建立了研究区域内符合城市地质要求的沉积地层分层标准，摸清了时代内沉积相和沉积微相的空间分布。在此基础上，融合多源多类地质数据，运用Kriging插值、多约束条件Delaunay三角剖分与局部拓扑重构技术，详细探讨了从钻孔与剖面数据→地层格架面→三维地质体模型的快速构建过程。该方法已在中国地质调查局试点项目“闽江口地区地质环境调查”项目中得到应用，并集成在QuantyView3D系列地矿应用软件中。

三维地质体建模；知识驱动；构造-地层格架；拓扑重构

0 引言

目前，三维城市地质调查已成为中国地质调查局新时期地质工作的重点之一。随着地质信息科学理论和技术方法的形成和发展，三维地质建模技术已在数字矿山、煤田及石油勘察、水利工程、灾害地质和城市地质等领域取得广泛、深入的应用[1-5]。

已有的三维建模方法依据数据来源可将其分为基于钻孔、剖面及多源数据混合的建模方法[6-11]。钻孔数据在一定程度上能够直接反映研究区域的地下构造情况，但也仅限于有限的区域，而地质体的实际分布是延续的。钻孔之间存在的盲区，需要通过相互比较和分析来形成剖面[12]，才能够较好地反映钻孔之间地层和构造的变化。采用多源数据进行模型的构建，虽然可以提高模型的精度，但却因为资料的获取途径、数据标准的不同而不可避免地会产生一定的信息冲突，这便需要有更好的机制来协调、融合多源异构地质数据，使其更好地为后期的三维建模服务。另一个突出的问题是这些方法在一定程度上都停留在基于地层对比的地质结构建模，所涉及的地质内容仅仅是地层岩性的划分，不包含研究区的地质背景知识和沉积物的沉积相和沉积体系，造成所构建模型与实际的地质内容脱节，难以用来进行古沉积体系、工程地质条件、地质灾害孕育条件、含水层和隔水层空间分布等地质分析。已有学者提出了基于知识规则对剖面数据进行处理，再进行三维模型构建的方法[13-18]，但也没有完全解决以上这一问题。

开展城市地下三维地质建模的目的，是为进行城区工程地质条件评价、地面建筑选址和地基稳定性评价、地下空间利用和地下工程建设、地面沉降与塌陷等地质灾害预测预警、地下水污染源追踪与后备水源评价等，提供易于实现各种空间分析和空间数据挖掘的三维可视化精细地质模型。因此，其建模对象主要是第四纪沉积体系的结构模型及其岩土体地层格架模型。

针对存在的问题和建模的目标，本文面向三维城市地质调查工作，提出了一种知识驱动的多尺度三维地质体模型快速构建方法。以钻孔及基于钻孔所建立的剖面为基本数据源，建立多源多类数据的融合方法。通过对研究区域进行盆地分析和古沉积环境分析，摸清了时代内沉积相和沉积微相的空间分布，从而使生成的模型既基于实际的钻孔资料同时又具备了真正意义上的带有研究区域地质涵义。在此工作基础上，详细探讨了从钻孔与剖面数据→地层格架面→三维地质体模型的快速构建过程。

1 知识驱动的多尺度三维地质体建模方法

1.1 多源多类地质数据的融合与预处理

多源多类地质数据融合主要研究如何对不同来源和类型的数据进行加工与转换，使其相互协同补充，得到更加充分的应用，从而实现对同一地质实体更加客观、精确的表达与认识。数据的丰富与准确性是决定所建三维地质模型是否精准的重要因素，但很多时候，并不是缺少数据，而是不能将已有的多源、多类、异构数据进行充分的协调融合，使其更好地为模型的构建服务。

本文主要以钻孔、剖面和沉积环境区划图等为数据来源。数据融合的主要难点在于数据属性的多样性和外在表现形式的多样性。从数据内容上看，涉及的数据有钻孔、剖面、平面图等；从数据表现形式上，有点、线、面等多种特征数据；从数据来源看，有实测数据和经过分析推测、包含地质专家认识的成果数据。这就要求必须用统一的编码规则对这些数据进行融合处理。

对钻孔分层信息、剖面地层属性和沉积相属性描述进行统一编码。其编码规则如图1a所示，前两位为时代代号，中间两位为岩土类别大类(相)代号，最后两位为岩土类别小类(微相)代号。这样的6位编码，便可将钻孔、剖面的时代、分层属性统一起来，方便根据具体研究需求快速构建多尺度三维地质模型(图1b、图1c)。如果要研究该区域大的地质背景及时代成因，则只需按照时代代号，提取时代的分层信息即可；如需继续细化，可依次根据后面几位提取更加丰富的分层信息，构建更加精细的三维地质模型。对于沉积相分区图，主要关注的是某一时代内沉积相的空间划分，所以需要按照以上编码规则将每个分区的所属时代、沉积相类型和沉积微相类型进行编码(图1d)，这样就可以根据设定自动提取特定沉积环境的分区边界，用于同一时代内地层的进一步划分。

按照以上编码规则，地质专家对全区第四纪地层及基岩风化层进行统一编码。但在实际地质建模过程中，并不是建模区域包含全部地层分层信息(图1e)；再者，应用需求不同，也可对地层进行相应的简化归并处理。所以需要根据应用需求和区域内钻孔和剖面的对比分析，制定某次建模的地层序列定义表(图1f)。之后将按照此表中的编码及层序，进行钻孔信息、剖面分层界线和沉积相分区边界线提取。

在钻孔和剖面数据的提取与处理中，需特别注意地层缺失的情况，即尖灭、透镜体等复杂地质结构。图2a示例性说明了在地层缺失的情况下钻孔地层分隔点的提取。假设总共分为C1、C2、C3三层，那么对应的地层分割点就有p0、p1、p2、p3，当C2层缺失时，分割点p1和p2便处于同一位置，当C1、C2层都缺失时，分割点p0、p1和p2处于同一位置，同理可处理所有类似缺失地层的情况。如图2b所示为剖面地层分割线的处理方法，从上到下地层依次为Ci-1、Ci和Ci+1，当Ci层两边缺失时，为了保证缺失处地层层面重合，必须让每一条地层分割线都从头到尾，并且保证缺失处点的一致性，即Ci与Ci+1层的上界线在缺失处的点p(i,1)、p(i,2)、p(i,3)、p(i,10)、p(i,11)、p(i,12)与p(i+1，1)、p(i+1，2)、p(i+1，3)、p(i+1，12)、p(i+1，13)、p(i+1，14)必须对应重合。

图1 多源多类地质数据的融合处理

依据以上所述数据融合方法，进行标准化编码处理，按照试验区三维地质建模地层序列表对钻孔、剖面分层信息及沉积环境区划边界信息进行提取，最终以真实坐标位置将其展布在三维空间中。与传统将钻孔投影在一个平面上的勘探剖面相比，其显著特征是钻孔及其连接而成的剖面形态严格遵循勘探工程在三维空间的展布形式，故而能够更加真实地反映出地质体在勘探位置处的特征。图3是钻孔、剖面地层界线及沉积环境区划边界在三维空间的真实展布情况。

图2 地层缺失处理

图3 钻孔、剖面地层界线及沉积环境区划边界在三维空间的展布

1.2 带约束条件的地层层面校正

在以上数据的基础上，将钻孔及剖面线离散成带有高程属性的空间离散点，利用Kriging空间插值算法进行某一特定地层层面的拟合。最后将拟合点(插值得到的带高程属性点)和型值点(原始钻孔及剖面线离散点)一起，运用Delaunay三角剖分算法生成地层TIN曲面。型值点也参与曲面剖分，可保证所建模型的地层信息在钻孔及有勘察剖面经过的位置与实际勘察数据完全一致(图4a)。

由于输入的型值点是有限的，在依次进行上下层面构建时，利用插值得到的拟合点，难免会出现上下交错的情况，导致上下地层层面交错，这在地层实体模型构建时是不允许的，所以需要对交错层面进行校正。如图4所示为层面校正过程示意图，可分为从上到下校正和从下到上校正。层面的构建顺序是由具体数据特征决定的，一般会选择从上到下来构建，因为地表有高精度的等高线数据，这样以高精度层面为约束面校正低精度数据，才能保证模型的准确性。

图4 层面校正过程示意

型值点是勘察实测数据，必须保证所建模型与实测数据的一致性，所以型值点不参与层面校正。拟合点是通过空间插值计算得到的估计点，其分布如图4a参考面所示，每一个层面的拟合点在XOY平面的投影是完全一致的，但通过空间插值之后其高程属性Z各不相同。所以校正过程就是要保证上下层面任意位置拟合点的高程值不交错。

1.3 地质体结构模型拓扑重构

对经过层面校正后的地质体上下格架面，自动计算获取侧面，并围合成体，生成对应地层的地质体模型。但是，经上述层面校正后，上下层面在地层缺失位置完全重合，构建地质体模型之后，必须对重合位置进行体拓扑重构，才能使地层形态符合实际情况。

本文选择实体模型(Solid Model)来表达地质实体。在此数据结构的基础上，通过对每个三角面片法线方向的判断，将其分为顶底两部分。然后依次遍历查找每个三角面片上3个顶点坐标之间的距离，当两个三角面片对应的3个顶点之间距离都为零时，则两个面片完全重合，将其记录从其数据结构的拓扑域中删除。遍历完成后，调整拓扑域中面的个数，用调整后的拓扑结构重构该体。图5为体拓扑重构的过程示意，经过处理，将图5a中间区域的三角面拓扑从体拓扑结构中删除，得到重构后的体；图5b上下层面直接成体后，经拓扑重构，得到该地层的真实形态。

图5 体拓扑重构

2 技术实现

该方法已在三维地学信息系统软件平台QuantyView[19]上得到实现，图6是知识驱动的多尺度三维地质体建模方法的整体实现流程，详细描述了从数据整理入库，到多源多类数据融合，再到模型动态构建的全过程。首先将国家及行业标准、地质专家解释的成果数据以及包含专家知识的区域地质认识等存入专家知识库，并以此为标准指导空间数据的规范化与标准化入库。在专家库的基础上，定制试验区“三维地质建模地层序列表”，并以此为约束，融合钻孔、剖面以及带有专家认识的综合评价图(如沉积环境区划图)等多源多类地质数据，使其按照实际空间位置展布在三维空间中。最后结合本文的关键技术，通过空间插值拟合地层格架面，并通过层面校正与体拓扑重构等技术方法，动态构建地层格架模型。根据后续需要，可依次构建地质时代模型→沉积相模型→精细岩土体模型，使其更好地支持后续的地质分析与应用。

图6 知识驱动的多尺度三维地质体建模方法的整体实现流程

3 应用实例

本文依托于中国地质调查局试点项目“闽江口地区地质环境调查”，基本数据源为该项目开展过程中对研究区域内进行工程、水文、地热地质调查所获得的各类资料，具体包括钻探数据、测井数据及剖面数据等。

3.1 研究区沉积环境分析

闽江口是福州市及其辐射经济区的总称，处于闽江下游近入海口，中生代火山岩及燕山期花岗岩构成了福州盆地的基底以及盆地周边的山地。福州市坐落于闽江河口区内侧的福州断陷盆地第四纪冲积平原之上。自从中生代花岗岩侵入后，该盆地基底地壳长期处于上升剥蚀的状态。直到晚更新世时期，盆地开始发生沉降，才开始充填并堆积第四纪沉积物。晚更新世以来，由于气候的变化，海平面出现3次升降。海水的每次进退都对盆地的沉积环境产生过重要的影响，在不同时期形成了不同的沉积相和沉积体系。正是因为以上原因，造成福州盆地第四纪沉积比较复杂，陆相沉积和海相沉积交错出现，第四纪盖层很薄，平均在30～40 m左右，同一性质沉积物零碎且分散，这些都为岩性对比及后续的三维建模带来了一定的困难。

依次对福州盆地各个时代做沉积环境分析，圈画出不同时代沉积相及沉积微相的空间分布，矢量化提取沉积相边界，并通过数据融合处理，使其与钻孔及剖面一起参与到后续的三维地质建模中。

3.2 建模实例

整个研究区面积为1 587 km2，布设勘查剖面50条，其中南北向45条，东西向5条，用到钻孔1 374个，平均钻孔间距为1 km。考虑到仅依靠剖面数据无法保证三维模型的精度，又规范化处理了1 149个钻孔，和50条剖面一起参与到三维地质建模中。为了保证地表地形的精度，使用区域内5 m等高线拟合生成地表面。

结合地质专家认识，并根据城市地质实际需求，着重对第四纪沉积层进行精细建模，依次构建了地质时代模型、沉积相模型和精细岩土体模型(图7,彩图见封2)。其中，图7a是该区域地质时代模型，从上到下依次为全新世上段(Qh3)、全新世中下段(Qh1-2)、更新世上段(Qp3)、更新世中段(Qp2)、更新世下段(Qp)和基岩。在时代模型的基础上，对每一个时代体模型进行沉积相划分，构建沉积相模型(图7b)。从模型中可清楚地看出，由于海侵，在Qp3时期，研究区东部区域为海相沉积，主要为砂质潮坪相和泥质潮坪相。该模型还对古河道及河道砂、洪泛平原等都有清晰地刻画。图7c为更小区域的精细岩土体模型，按时代依次细化，总共17层，精细刻画并可视化表达了区域内各时代岩土体空间分布状况。

图7 试验区建模实例

对不同尺度的区域模型，可通过设置剖分网格间距来控制数据点密度，从而控制模型精度。本次建模中，对于较大范围的时代模型和沉积相模型，网格间距为500 m，对于更小范围的精细岩土体模型，网格间距20 m。所建模型从不同尺度、不同细节层次刻画了区域内地下地质构造、沉积环境分布情况。尤其是第四纪沉积地层的精细刻画，分层数较多，层与层之间形态各异，且同一层地层存在大量缺失，这都在一定程度上反映了该方法良好的建模质量和效果，验证了该方法的准确性和稳健性。

4 结论

本文面向三维城市地质调查工作，提出了一种知识驱动的多尺度三维地质体模型快速构建方法。所选研究区为中国福建省闽江口地区，结合地质工作人员的认识，绘制区域内50条地质剖面，和钻孔数据一起参与到模型的构建中。同时，为了解决城市三维地质模型缺乏地质含义的问题，通过对研究区域进行盆地分析和古沉积环境分析，摸清了时代内沉积相和沉积微相的空间分布，从而使生成的模型既基于实际的钻孔资料同时又具备真正意义上的带有研究区域地质涵义。建立了多源多类数据的融合方法，使钻孔、剖面、沉积相区划边界等不同来源、不同类型的数据有效地融合在一起。在此工作基础上，运用Kriging插值、多约束条件Delaunay三角剖分算法，拟合生成地层格架面，并通过层面校正和体局部拓扑重构技术，生成符合要求的三维地质体模型。根据后续地质分析需要，动态生成多尺度构造-地层格架模型：时代模型→沉积相模型→精细岩土体模型。该方法已集成于地学信息系统QuantyView3D平台中，所建模型满足城市地质分析需求，进一步验证了模型的有效性和该方法的健壮性。包含断层、褶皱及倒转等复杂地质结构模型的动态构建，以及地质知识在这些特殊情况下的表达与融合方法等，需要做进一步研究和讨论。

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Knowledge-Driven Multiple Scale 3D Geological Modeling Method in Urban Geological Survey

CHEN Qi-yu1,LIU Gang1,2,WU Chong-long1,2,LI Xin-chuan1,ZHANG Zhi-ting1

(1.SchoolofComputerScience,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074;2.HubeiKeyLaboratoryofIntelligentGeo-InformationProcessing,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

3D urban geological survey has been a major part of the work of China Geological Survey in recent years.In the process of 3D urban geological modeling,the data are enormous and complex while the different application area require different precision.At present，3D geological modeling technology cannot well support the rapid modeling of complex geological structure,leading to the intricate modeling process and influencing the further geological analysis.In order to solve this problem,this paper proposes a rapid knowledge-driven multiple scale 3D geological modeling method according to 3D urban geological survey.Instructed by expert knowledge,the analysis of basin and sedimentary environment in the study area helps to build up the division standard of sedimentary stratum conforming to the urban geological requirement.Thereupon,a good knowledge of spatial distribution of sedimentary facies and sedimentary micro facies is obtained in the different geologic age.Based on the work above,the paper uses Kriging interpolation,multi-constraints Delaunay triangulation and surface topological reconstruction technology,to discuss the rapid modeling process adequately.This method has been applied in a pilot project "Investigation of Urban Geological Environment in Minjiang Port Area"which is launched by Geological Survey of China and it has been integrated in the QuantyView3D series application software in the geological and mineral field.These also show the availability and robustness of the proposed method.

3D geological modeling;knowledge-driven;tectonic-stratigraphic framework;topology reconstruction

2015-12-15；

2016-01-25

国家863计划重点项目课题(2012AA121401)；国家自然科学基金面上项目(41172300)

陈麒玉(1990-)，男，博士研究生，主要从事三维地质建模、时空数据模型和GIS应用方面的研究和开发。*通讯作者E-mail:liugang67@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.04.003

P642；TP391；P208

A

1672-0504(2016)04-0011-06