大比例尺三维地质建模方法研究

张 雪，刘改霞，朱 涛，陈 瑾



大比例尺三维地质建模方法研究

张 雪1，刘改霞2，朱 涛3，陈 瑾2

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市地质工程勘察院，北京 102600；3.北京市大兴区环境保护局，北京100048）

当前地下空间大比例尺建模难度较大，少有案例提及。主要难点在于严格按照原始地层开展大比例尺建模，会出现大量的透镜体和螺旋体，给建模工作带来较大难度。6号线地面沉降易发区的试验段研究，共涉及7个站点和6个区间的模型。通过收集整理多方位资料，以横向1∶500，纵向1∶200比例尺进行大比例建模。选用钻孔537个，剖面299条，格子252个，建模面积为0.6km2。按照规范对筛选出的钻孔归纳岩性、统一命名，将岩层分为7大类，40层。应用交互拼接建模的方法，将模型分为地质体、地表建筑物两个部分，加入DEM、卫星贴图耦合显示。同时，地层的属性数据也在建模过程中加入到地层属性表中。本次工作解决了透镜体和螺旋体的建模难点，提高了建模精度。

透镜体；螺旋体；交互拼接；DEM；地下空间；工程地质；三维建模

0　引言

在现阶段看，地下资源开发有其自身的复杂性、隐蔽性等特点，加之地下构筑物、管线等错综复杂的排列，对地下环境造成了很大影响，地质灾害时有发生。北京恰是地质安全问题较多且较严重的城市之一，山区主要有泥石流、滑坡、崩塌（滑塌）、地面塌陷（采空塌陷）等突发性地质灾害，而地裂缝、地面沉降、活动断裂、特殊性土等缓变性地质问题主要集中在平原区。就其分布而言，全市57%以上的面积为地质灾害高易发区，其余虽不是地质灾害高易发区，但仍有地质安全问题存在。北京的交通网络一般呈环状或辐射状分布，几乎都要穿过（或紧邻）地质灾害易发区，在地质灾害易发区内，无论是突发性还是缓变性的地质灾害，都将对交通网络造成极大危害。为了保障交通网络的安全运营，应尽快开展地质安全监测预警工作（张乐鑫，2014；黄汉平，2008；张聚兴，2006）。

首先要持续有效的进行预警监测，现有的二维数据或者较小比例尺的地下三维模型，只能基本展示地下结构的相对位置，不能有效地说明具体地层、阐释空间结构、以及进行沉降、水位等监测数据的展示，对具体工作起到的作用不大（张春峰，2010；朱发华，2010；钟登华等，2007；邵昊，2008）。因此，需要建立大比例尺的工程地质地下三维模型及其应用模型，才能对我们的地下环境有更准确的了解，及时掌握危险的易发区位置和情况。本文着重选取地面沉降突出地区的线性工程地下地质模型进行实例建模（张素君，2011）。

1　三维建模的研究现状

随着岩土工程信息化建设，以及 GIS 技术的快速发展，工程地质三维建模与分析已经成为当前数学地质、工程地质、计算机科学等多个领域研究的前沿和热点（郝才伟，2008）。国外三维地质建模及可视化研究开展得较早，在理论研究、软件开发和实际应用等方面的发展较为成熟，比较典型的大型专业软件有 Earth Vision，Go CAD，Vulan，Gemcom，Micro Lynx 等，这些软件广泛的应用在石油物探、石油开采和露天矿开采等领域。其中以法国研制的 Go CAD 最为突出，达到了半智能化建模的最高水平，具有功能强，界面友好，并能在几乎所有硬件平台上（Sun，SGI，PC-Linux，PCWindows）运行的特点（张春峰，2010；朱良峰等，2006；熊祖强等，2007）。但是，国外软件费用较高，并且受到具体地质条件的限制，在我国的应用受到很大限制。国内的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的理论和应用成果。MapGIS-TDE K9三维平台是武汉中地公司MapGIS K9平台下的一个子平台，以MapGIS数据中心服务理念为指导思想，主要提供行业内基于真三维GIS的解决方案服务，同时MapGIS K9三维平台也是一个二次开发体系平台，平台提供了一系列基于二次开发的三维存储服务，三维显示服务以及三维分析应用服务（黄静莉等，2013； 李国栋等，2010；张煜等，2002）。

2　MapGIS-TDE K9三维平台的特点和操作流程

2.1软件介绍

武汉中地公司的MapGIS-TDE K9三维平台，作为主流GIS行业中率先提出三维GIS服务理念的平台，具有在行业中独特的技术领先水平，实现了空间信息表达的完整性，多源数据管理的一致性，丰富的三维建模方法，多样化的模型可视化表达，专业特色的三维分析应用以及2D、3D一体化的数据处理分析等功能。MapGIS-TDE平台采用二次开发机制允许用户针对专业领域应用需求，开发具有针对性的快速建模与专业分析插件，动态扩展平台功能模块以适应特定的三维应用；其采用的基于数据中心与功能仓库搭建解决方案的模式，适合用户在MapGIS-TDE平台专业、深入、成熟的应用领域快速定制出应用系统。

2.2建模的主要流程

模型的建立主要分为两个部分，一是地质体模型的建立，二是地表建筑物的建立，最后通过MapGIS-TDE K9三维平台将建好的两个模型进行整合显示（图1）。对于工程地质地质体模型的建立，需要用到复杂地质体建模的方法，即：交互拼接建模。

基本思路为：利用建模区域内多条交叉剖面将空间分割成多个单元格，用户建模的最小单元就是一个单元格。所做工作就是利用单个单元格内一系列闭合轮廓线建立起曲面片，进而确定该单元格内所有地质体的空间几何形态，形成一个单元格地质块，最后将每个单元格的地质块进行合并形成完整的地质体模型。对于非交叉剖面或边界处无法自然封闭的单元格，可以通过手动添加辅助线的方式进行封闭，之后按照封闭单元格相同方式建模。除剖面数据外，在单元格内的空白区域，系统将钻孔、等值线等能够揭示地质体或地质构造信息的数据进行约束，也可将这些信息在构面的过程中加以利用，以提高模型精度。基于单元格建模的方法最为核心的建模工作为建立几何、拓扑一致的地质子面，而这也是建模的难点所在。

在这里需要说明一点，之所以选择交互拼接建模方法，没有用钻孔自动建模，其中最主要原因是：钻孔建模要求每一个参与建模的地层，如果不是在同一个层位上的，就需要有独立的名称来区分开，否则计算机在把这个钻孔地层和其他钻孔地层相连的时候，就会出错。北京恰恰又是一个地下结构非常复杂的地区，工程地质层要是全部按照不同特征区分编录，其工作量巨大是很难想象的。况且目前不同单位在进行地层命名的时候，方式也不尽相同。不同于上海地区，地下结构较为简单，用几十个基本地层可以覆盖出整个地区，所以我们这里更多的是倾向选择人工干预的交互拼接建模。

图1　交拼互接拼三接维三系维统系建统模建流模流程程图图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

交互拼接三维建模针对地铁这类容易出现透镜体和螺旋体的工程地质建模非常适合。建成地质体后首先可以自由的展示需要方向的地层结构，即多模式的三维模型分析：平面剖切、折线剖切、任意面剖切、组合剖切、基坑开挖等，更重要的是可以隧道虚拟开挖模拟及漫游观览，通过推进让我们对地铁沿线的地层结构，有更深入和清晰的直观感知。

还可以系统的利用三维可视化技术，利用文本文件、矢量文件建立曲面模型，如利用地面沉降监测数据，模拟区域地面沉降动态发展过程，直观反映地面沉降对城市安全的影响。再者进行地质体属性空间分布建模，主要用于地质体内物理、化学属性值和其它地质参数的三维空间分布规则化建模，显示属性数据，进行属性模型切割以及等值面追踪等功能。

3　三维建模实例

3.1工程段的选择

选取地铁线性工程作为研究对象。通过多年对地面沉降的观测，结合地铁线路图，找出地面沉降严重地区的某一地铁线路段作为本次工作的试验段进行阐述。降区域内的地铁线路段共有8条，即：14号线北段，从望京站到善各庄站；15号线北段，从望京到崔各庄站；机场线北段；3号线和12号线东北段；1号线、6号线还有7号线的东段（图2）。

图2　北京地铁与部分沉降区域耦合展示图Fig.2 Coupling of Beijing Metro and partial settlement area map

图3　工作区规划展示图Fig.3 Work area planning display map

由于3号线、7号线、12号线、15号线地铁尚未完工，14号线北段地表暂无标志性建筑物群（主要以农田为主），机场线地下建设站台很少（不易于进行地下模型展示），1号线建设太早，地下数据不收集不全。所以本次工作选取6号线沉降区内段落进行试验工作。工作区共7个站点6个区间，长度约14km，建模面积0.6km2。本文以重点工作区青年路站为例，进行详细分析研究（图3）。

图4　工程勘察剖面和建模使用剖面对比图Fig.4 Comparison of the section of the engineering survey section and modeling map

3.2地层的划分

通过剖面图能比较清晰的分辨出各个主层、亚层的所处深度及展布情况（图4），与工程勘察剖面进行对比验证，二者在地层的层序、层顶底面的形态和尖灭位置上都十分相同，说明青年路站的三维地质体建模是准确可靠的。

在定地层颜色的时候，我们也进行了一系列的考察，咨询了相关的工作人员，他们的意见是在实际工作中，对三维地质体生成的二维剖面，他们更多的是关心岩性问题，清晰直观的展示不同的岩性（这里讨论的是含水层和隔水层），对提高工作效率十分重要。于是我们在定义岩层色彩的时候，没有按照岩层从上到下的顺序进行标色，而是根据不同的岩层、岩性定义的不同色标，岩层符号同样使用了国家通用标准（综合工程地质图图例及色标GB 12328-90、综合水文地质图图例及色标GB/T 14538-93、区域地质图图例GB 958-1989、地质图用色标准及用色原则DZ/T 0179-1997）。

由于北京市河流发育比较多，造成工程地质地层的沉积非常复杂，在实际工作中，把已经划分好的地层统一命名归类的难度过大，工作量会超乎我们的想象，所以这里集中选择依靠原始分层不变来建模，这也是为了最大限度的发挥模型今后的作用，属于一项实验性的突破。最后把不同的属性值放入三维地层的属性表中来规整最终成果，这样对今后实际工作的指导意义更大（图5）。如果能把地层在今后的研究中统一、或者分区域统一归纳命名，将会出现更大的进展。

图5　地铁6号线试验段三维建模使用的地层符号和色标图Fig.5 The use of symbols and color formation test section of Metro Line 6， 3D modeling map

3.3地质体的建立

建模之前需对地质体进行规划，加大地质体建模成体的精准度，最大限度的应用青年路站所有的钻孔和剖面资料，保证资料的不缺失使用。在原有的剖面基础上，根据钻孔的分布，选择了40个钻孔，从新划分出了4条横剖，6条纵剖，共组成14个模型格子，建模面积为0.025km2。基本原则为：在单位面积上，模型的格子越多，应用的钻孔数据越全，建造出来的模型就更加准确可靠。

接下来就是在三维建模软件工具中导入做好的二维剖面，可以单独或者批量导入，检查坐标和一致性处理无误。把每一个单元格分别建立一个单独的数据库，在二维数据管理器里进行管理，这样做清晰不宜出错。模型全部建成后，再统一导入同一个数据库。对于复杂、数据量大的建模工作，一旦出现错误，修改非常麻烦，如此可以避免整体返工，进行单独库的纠错。

（1）地质体的构建

本次工作所选划分多个单元格建模的方法，是一种“分治”的方法。将复杂模型进行分割，除了提高建模精度外，也便于观察和操作，对于分工合作完成大数据量的复杂模型构建也有很大作用。当然缺点也同样存在，地层划分的越细致，格子切分的越多，建模花费的时间也就越长，精力投入相对更多（图6）。

图6　青年路站模型剖面在三维软件中显示图Fig.6 Qingnian Road station section of model in 3D software

最后就是按照每个单元格，根据分层情况，每层分别建立各自的上下面，与格子周围剖面结合，构造三维地质体模型。模型中每个地层的小地质体都可以爆炸显示出来，便于观察整个地层结构（图7）

图7　三维地质体模型及其爆炸地层图Fig.7 The 3D geological model and its explosion formation map

3透镜体的构建透镜

体在地层体中是一种很常见的类型（图83）。它的得特点是数量多、区域小，又没有规律可循，时常会彼此相连、叠加存在。在建模过程中是不能利用现有剖面线建模的地质体。如果钻孔自动建模，或者以前的方法手动建模，一旦地质面重复，很容易出现空洞现象，地质体建模就会出现错误，因此需要构建辅助线搭建需要的 面层。

主要思路是：找到透镜体两端的端点，利用辅助线构造工具连接端点构建辅助线，镜建线和原有透镜体剖面的上线和下线分别构成两个平面，最后再和透镜体剖面合成建立地质体。特别需要注意的是，在透镜体叠加地层里，辅助线要分段、分情况建模，因为模型面层是不能重叠的，共用面不能是两个面组成。这是遵照实际地质体的规律要求，否则后期工作在切割剖面、开挖隧道时，易出现地质体报错现象（图9）

图8　青年路剖面中典型尖灭地质体图Fig.8 Typical pointed out geological body in Qingnian Road section map

图9　构建透镜体思路和流程图Fig.9 To construct the idea and process of the pointed out geological body map

3螺旋体的构建

螺旋体是工程地质中一种极为复杂地层结构。该地层的特点是尖灭点不在同一个高度且在地层中呈环抱状态出现，地质体整体上不间断，一般都表现为两个螺旋体相扣。螺旋体在二维剖面里是无判别出来的，最初合成三维立体模型时候，常常被误认为是二维剖面出错所致。但经过研究，这种螺旋状地质体是可以构建出来的，在空其存在合理性的。建模过程中特别需要注是，由于螺旋体相拥在地层里，首先要选择一个的中心点，这是构造辅助线、地乃至地质体的中心点，也是一同时出现在、下两个层位、中间却不相连接的关键所在（图10）。

图10　构建螺旋地质体思路和流程图Fig.10 Train of thought and process of construction of spiral geological body map

3.4仿真分析

通过建模后切割的剖面与是原始剖面对比验证。

地质体建成后，可以任意切割折线生成剖面。这个剖面可以在三维里显示，也可以在二维编辑器里显示和编辑，下图列举出来建模前后剖面的对比图，可以看出地层基本遵照实际建成，相差无几（图11，图12）。

通过以上的对比可以看出，地质体建模的结构是准确的，并且三维系统将二维的立面及平面转化为三维实体结构，可通过切割、旋转、拉伸、缩放等功能进行观察，比二维图更加准确、形象，包含的信息量更加丰富。

图11　地质体切割剖面图Fig.11 Geological body section map

图12　建模前剖面和建成地质体切割出剖面对比图Fig.12 Comparison of the profile and the built geological bodies before modeling map

3.5地表构造

（1）加入DEM地表起伏

地质体建成后，为了融入建设场地的特点，便于观察地下活动对地表一系列特征性设物的影响，我们需要模拟真实的地面场景。因此就需要给地面加入DEM起伏，以及遥感卫星贴图（图13）。

图13　地质体覆盖DEM和地表影像图Fig.13 Geological bodies cover DEM and surface images map

（2）加入代表性地面设物

为了进一步深入观察研究区域，随时了解区域地下情况对地表的作用，还需加入代表性的地面设物。下面我们为了说明更加具体详尽，使地面建筑物更加全面和具有代表性，选取地质体上较大范围的一块地表作为研究对象，来展示区域地面、地下一体立体展示情况（图14）（陈聪发等，2015；田小甫等，2012）。

图14　地上、地下三维一体图Fig.14 Above ground and underground three dimensional integration map

4　结论

（1）本次工作是对6号线试验段7个站点和6个区间的模型研究，通过收集整理多方位资料，以横向1∶500，纵向1∶200比例尺进行建模，其中参与工作的共有钻孔537个，剖面299条，格子252个，建模面积为0.6km2。

（2）对筛选出的537个钻孔进行了岩性归纳、统一命名的整理工作，遵照详勘的最初定义，最大限度的保证不破坏原有地层命名的基础。按照规范定了七大类，包括：人工填土、粘土、粘质粉土、粉土、粉细砂、中粗砂和圆砾卵石。主要依据其粒度和成分来分别进行定名，共分为40层，其中按照主层和亚层分别定名。

（3）模型的建立主要分为两个部分，一是地质体模型的建立，二是地表建筑物的建立，最后通过MapGIS-TDE K9三维平台将建好的两个模型进行整合显示。对于工程地质地质体模型的建立，需要用到复杂地质体建模的方法，即：交互拼接建模。地层的属性数据，在建模过程中加入到地层属性表中，以便今后研究使用。

总之，大比例尺三维地质建模技术在区域勘查中，可以有很大的应用空间。通过本次工作所突破的难点方式进行三维建模，可以为建筑场地选址、地下空间建设与数据管理提供地质信息支持，在很大程度上，可以提高工作效率，如果能把北京市工程地质地层，在今后的研究中统一、或者分区域统一归纳命名，就可以进一步引入钻孔自动建模，和较少的人工干预操作，这将使三维地质建模技术在区域地质勘查领域拥有更为广阔的应用前景。

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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

张雪（1984- ），硕士，工程师，主要从事水环境评价、水文地质工作，E-mail：m13810260293@163.com