武汉都市发展区工程地质三维模型建设及应用

刘顺昌，徐德馨，张春梅

（武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

武汉都市发展区工程地质三维模型建设及应用

刘顺昌*，徐德馨，张春梅

（武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

在对武汉都市发展区工程地质条件及钻孔资料分析的基础上，重新对钻孔数据进行标准化处理，并结合研究区的地表地形参数等，在MapGIS-TDE软件平台上实现了武汉都市发展区地层结构的三维可视化，形象直观地再现了岩土地层的空间结构及其空间变化规律，为进一步认识武汉市工程地质条件提供依据。

工程地质；MapGIS-TDE；三维地层模型；自动建模

1　引 言

人类的工程活动一般是在地壳浅层进行的。地壳中的岩土体大部分是呈层状分布的，但在长期复杂的地质作用和人类活动的影响下，地层（尤其是地壳浅层）形态各异，地层之间相互交叉侵蚀，空间位置关系错综复杂。岩土工程中地层信息主要是由地质勘察的钻孔数据、地质剖面图，基础地理数据的等高线和监测数据获得的。其中，钻孔采样的数据可以直接获取详细的岩层分布状况，是地层建模的主要数据来源，利用有限的工程勘察资料模拟出复杂的地层状况对工程建设有很重要的意义［1］。

传统的工程勘察成果是以二维图件（钻孔柱状图、工程地质剖面图）的方式来表达地层信息空间分布，越来越不能满足人们对地层认识和空间分析的需求［2］。三维地层模型的研究成为国内外研究的热点。一些学者在基于钻孔的地层建模方面有深入的研究［3～8］。近年来，我国先后在北京、上海、天津、南京、广州和杭州等城市开展了三维城市地质调查工作，建立了各城市三维地质模型［9，10］。

本文在借鉴前人研究及“十二五”武汉城市地质调查的基础上，采用MapGIS-TDE平台建立了武汉市都市发展区三维工程地质模型，并在模型的基础上对其应用进行了研究，实现了三维平面剖切、基坑开挖、三维隧道模拟漫游和地上地下一体化展示等方面的应用。

2　MapGIS-TDE平台简介

MapGIS-TDE三维GIS开发平台是中地公司在MapGIS 7.0中推出的一套真三维数据处理开发平台，它采用先进的三维空间数据模型、构模算法、三维可视化技术及框架+插件的软件架构体系，具有良好的框架开放性和功能构件的可动态扩展性。

MapGIS-TDE的组成除了MapGIS核心模块以外，还包括显示平台，数据存储平台以及功能开发框架。显示平台是TDE的三维引擎，是用C++开发的面向对象的3D图形渲染引擎。数据存储平台采用全新的面向实体和拓扑的数据组织方式进行数据管理，实现了多种三维模型数据的一体化存储管理。支持三维要素的本地存储和网络数据库存储。功能开发框架是MapGIS-TDE平台的主要二次开发层，它是在插件+对象的基础上构建应用系统。

3　研究区工程地质条件

武汉都市发展区内分布的是新元古界至新生界地层。新元古界的地层分布较少，仅在新洲区阳逻街七湖村有出露的。古生界地层地表出露不广，多隐伏于新生界地层之下。新生界上第三系地层地表未见出露，埋于第四系松散堆积物之下。境内自志留系中统至第三系，除个别地层缺失外，发育了一套较为完整的陆、海相沉积及少量的喷出岩堆积。其中石炭系上统、二叠系下统栖霞组、三叠系中统为碳酸盐岩地层；其他主要为页岩、石英砂岩等。

第四纪以来，武汉地区地壳运动处于沉降时期，因此大面积覆盖了第四纪地层，约占本区总面积的三分之一。下更新统为冲积的砂砾石、黏土；中更新统为洪冲积黏土；上更新统为湖冲积砂砾石、粗砂、粉细砂、淤泥质土、黏土，全新统下部为冲积砂砾石、粗砂、粉细砂，上部为一套湖积—冲积堆积形成的亚砂土与淤泥质土互层。

4　基于钻孔数据三　维建模

4.1钻孔筛选

武汉城市地质三维建模主要依据钻孔资料进行，三维模型质量的好坏取决于钻孔的质量，为此在开展三维建模工作前主要参考了武汉市测绘研究院《工程地质信息系统》中收集的武汉市内约21万余个钻孔资料及在“十二五”武汉城市地质调查工作中获取的勘探资料，在这些钻孔数据中，选取质量可靠，信息量大的钻孔作为本次三维建模的基础资料。筛选出参与建模的钻孔2 651个，其分布如图1所示。

图1　建模钻孔分布图

4.2钻孔数据标准化

根据武汉市标准地层信息，在系统中建立一套与之对应的有新老和上下关系的分层标准，并将筛选出的钻孔信息导入数据库，钻孔地层标准化是将系统建立的标准地层与数据库中的地层信息进行匹配并重新编码，使MapGIS-TDE建模平台能够识别。

4.3基于MapGIS-TDE三维自动建模

针对层状地质体特征，系统可采用一种“地层到实体”的建模方法，根据钻孔分层信息，将离散的钻孔地层信息，通过插值和拟合算法生成曲面，曲面间通过网格剖分进而生成地层实体，从而完成三维工程地质自动建模。

本文建立了不同尺度范围的工程地质三维模型，如图2～图4所示。

与传统的二维工程地质图件相比，三维地层模型的建立可以形象、直观地反映区域内各岩土层的空间展布情况，特别是透镜体的空间位置及其延伸规律和尖灭情况。三维地层模型的建立能使地质工作者对区域内的工程地质条件有更加深刻地了解。

图2　都市发展区三维模型

图3　江夏区三维模型

图4　建银大厦三维模型

5　三　维模型应用

本文在建立三维地层模型的基础上，在MapGISTDE平台下对三维模型在空间分析和工程应用等方面的应用进行研究，分别进行了模型的平面切割分析、模拟基坑开挖分析、地铁隧道模拟分析和地上地下一体化展示分析等。

（1）模型剖切

与传统的工程地质剖面图的成图过程对比，在三维地层模型基础上实现的平面剖切功能可以更快速、直观、准确的反映某个剖面的地层情况。图5所示为三维地层模型基础上进行多个交互平面切割后的效果图。

图5　三维交互剖面图

（2）模拟基坑开挖

基坑工程是指为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填等一系列措施。建筑场地的工程地质条件是影响基坑工程的重要因素之一。在基坑开挖前了解场地地层包括地层的结构和分布，尤其是软弱层的空间分布至关重要。如图6所示，在三维地层模型基础上模拟基坑开挖可以详尽了解场地的工程地质情况，为基坑工程的实施提供决策依据。

图6　模拟基坑开挖图

（3）隧道模拟

隧道模拟可以为地铁规划不同路线，进行隧道切割分析，分析地铁沿线经过的地层，看哪些是不良地层，决定是否需要处理或者需要避开，最大限度避免在地铁建设过程中因工程地质问题而导致的重大工程问题，如图7。

图7　隧道模拟图

（4）地上地下一体化研究

在三维地层模型的基础上叠加地上三维模型，并在地表的衔接处进行融合处理，使其达到地上地下一体化展示的效果，如图8、图9所示。

图8　建银大厦地上地下一体化展示图

图9　中山公园地上地下一体化展示图

6　结论与展望

本文将钻孔地层数据利用插值、拟合算法在Map-GIS-TDE平台上完成了武汉市都市发展区三维工程地质建模与可视化展示，同时实现了三维地质模型的任意方式的剖切、基坑开挖的模拟、虚拟隧道的模拟和地上地下一体化展示等专项功能，以数字化、立体化、可视化、智能化的应用与表达方式，使地质图件形象生动、直观易懂，易于被非专业人士理解与应用，三维地质建模是国土资源与地质调查城市发展和社会信息化的必然趋势。但是在三维建模过程中没有考虑断层和地下水等因素，同时也没有一个量化的指标来评价三维模型的精度与误差，影响其在实际工程中的应用。因此考虑断层和地下水因素的三维地质建模以及三维模型的误差评价是本文以后的研究重点。

［1］朱发华，贺怀建.复杂地层建模与三维可视化［J］.岩土力学，2010，31（6）：1919～1922.

［2］施木俊，熊毅明，甄云鹏.基于工程勘察钻孔数据的三维地层模型的自动构建［J］.城市勘测，2006（5）：62～65.

［3］朱良峰，吴信才，刘修国等.基于钻孔数据的三维地层构建［J］.地理与地理信息科学，2004，20（3）：26～30.

［4］明镜.基于钻孔的三维地质模型快速构建及更新［J］.地理与地理信息科学，2012，9，28（5）：55～59.

［5］魏占营，段敏燕，李青元.利用钻孔数据构建无缝三维地层模型［J］.武汉大学学报信息科学版，2013，38（11）：1383～1386.

［6］柳庆武，吴冲龙，李绍虎.基于钻孔资料的三维数字地层格架自动生成技术研究［J］.石油实验地质，2003，25 （5）：501～504.

［7］陈学习，吴立新，车德福等.基于钻孔数据的含断层地质体三维建模方法［J］.煤田地质与勘探，2005，33（5）：5～8.

［8］张渭军，王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究［J］.大地构造与成矿学，2006，30（1）：108～113.

［9］崔新友，李东亮.基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究［J］.Science&Technology Information，2010，15：462～463.

［10］顾丽影，花卫华，李三凤.三维城市地质信息平台［J］.地质学刊，2012，36（3）：285～290.

Build and Application of The 3D Geological Model in WuHan Urban Development Zone

Liu Shunchang，Xu Dexin，Zhang Chunmei
（Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China）

The article based on the analysis of engineering geological conditions and borehole data in Wuhan urban development zone，re-standardized the drilling data and combine the surface topography parameters，3D visualization of stratum structure of Wuhan urban development zone is realized in MAPGIS TDE platform，The spatial structure and spatial variation law of the rock and soil layer are visually reproduced and provide a basis for further understanding of the engineering geological conditions of Wuhan City.

engineering geology；Mapgis-TDE；3D stratum model；automatic modeling

1672-8262（2016）04-160-04

P628.3

B

2016—04—28

刘顺昌（1986—），男，硕士，助理工程师，主要从事岩土工程和GIS方面研究工作。

研究项目：本文研究得到“十二五”武汉城市地质调查项目资助。