基于体元模型的工程勘查三维地质建模及Geo3DML转换研究

曾涛，郭甲腾，杨坡，陈新，张文娟，屈茜茜

（1.河南省地质调查院，郑州 450000；2.河南省城市地质工程技术研究中心，郑州 450000；3.东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819；4.河南省地质矿产勘查开发局河南省地质大数据应用中心，郑州 450000；5.河南省自然资源科技创新中心（智慧城市时空大数据），郑州 450000）

城市高层建筑和大型桥梁隧道的地基建设，与工程地质、水文地质条件直接相关，建设过程中需要对地质条件进行三维可视化，进而实现联合分析[1，2]。

近年来，三维地质建模技术快速发展，在地质工作中的应用越来越广泛[3-5]。来自不同国家的地质调查组织（GSO）提出了三维地质建模和绘图程序，旨在建立一个三维地质框架，为地下全面3D认知提供基础平台[6]。早在1994年，Houlding就提出了利用计算机技术进行三维地质模拟（3D-Geoscience Modeling），进而解决工程问题的技术方法思路[7]。随后的二十年间，为满足国内外围绕岩土工程需要，三维可视化功能的研发取得了实质进展[8-9]。国外专业化工具类型建模软件取得了长足的发展并逐渐成熟，如Micromine、Gocad、Surpac等[10-11]。

我国三维地质结构模型建设也取得了一定的成绩，如以中国地质调查局组织的城市地质调查项目为引领，依托钻孔、剖面、地震解译等数据开展了北京、天津、上海等城市的三维地质结构模型的建设[12-15]。随后在济南、沈阳等城市开展三维地质建模应用中[16-17，20]，利用钻探数据，采用GTP的建模方法[18-21]进行了三维地质模型的建设。

当前，随着三维地质结构模型的建设的推进，多元、多格式、多方法建立的三维地质结构模型应运而生，但是目前并没有一种普适性的建模方法可实现纷繁复杂的、不同地质条件下的三维地质结构的可视化，而实现可交换的、规范的、轻便的三维地质结构模型格式是实现不同平台下模型共享的一种途径。本文以郑州航空港勘探钻孔数据为基础，基于郑州航空港项目勘探钻孔数据及地层分层资料，采用GTP建模方法，自动创建三维地层模型，同时，实现了广义三棱柱体元模型向中国地质调查局颁布的三维地质模型数据交换格式标准（Geo3DML）进行了转换。

1 GTP建模方法

1.1 广义三棱柱（GTP）模型

该模型是一种精确描述和表达地质体表面结构的非规则体元（三棱柱体），由上下面不一定平行的三角形和三个侧面空间四边形组成，主要几何要素包括：结点、棱边、顶、底、三角形、空间四边形[18-25]。考虑到GTP模型非常适合钻孔采样约束，通常用于地质地层界面构建和平原区地质建模。

1.2 建模流程

首先，建立研究区地质概念模型。由于地层是各地质年代岩土体沉积、侵蚀的产物，因此地质实体之间关系也呈现不连续、不均匀、不确定等特性。在三维地层信息系统中，如何对地层进行划分是涉及到三维地层建模的一个关键问题。在三维地质建模中，地层的层序关系与地质学中的地层层序关系的概念有所不同。地质学中地层的层序关系是根据地层形成时间的先后次序而划分的；而在三维地质建模中，地层层序关系根据钻孔上所记录地层（以岩性为区分标准）的上下关系来划分。

其次，钻孔数据预处理。由于原始数据中钻孔的地层信息与建模所需的数据格式存在差异，即原始钻孔数据中未保存缺失地层的数据信息，而建模需要完整的地层数据，所以数据转换过程中需要查找钻孔的缺失地层并对其地层信息进行补充。

最后，构建三维地质模型。通过不同土层类型，利用GTP建模方法进行三维地质体建模。钻孔采用多棱柱拟合圆柱的方式进行模拟。

2 建模方法应用

2.1 研究区基本条件

研究区位于河南省郑州市航空港地区。研究区地形较平坦，地面标高介于115～125 m。研究区地处东经123°38'、北纬41°8'，南北方向长约18 000 m，东西方向宽约31 000 m。

研究区的地质钻探开孔及终孔孔径为110 mm，各钻孔间距2 000 m。获得钻孔69个，钻孔深度20.0～100.0 m。

2.2 建模过程

本次研究主要按以下工作流程进行（图1）：

图1 三维地质建模及格式转换工作流程Fig.1 Workflow of 3D geological modeling and format conversion

2.2.1 工程地质层序概念模型建立

根据工作区工程建设层内土体的成因、岩性、物理力学特征等，对工作区100 m以浅的土层进行了工程地质层组划分。根据收集钻孔情况，埋深100 m深度内，共划分13个工程地质组35个工程地质层（表1）。其中下更新统缺失。概念模型以年代为一级概念，相同年代地层内，根据成因进一步划分，最细一个级别为岩性特征。在分类特征上，属于树形分类体系，有利于多级概念的界定，从而为不同级别的概念模型转换预留集成能力。

表1 郑州航空港区地层划分概念模型表Table 1 Conceptual model of stratigraphic division in Zhengzhou airport port area

2.2.2 钻孔数据处理

以郑州航空港勘探钻孔数据为基础，建立三维地质模型。根据研究区钻孔分布情况和地层岩性特征，整个区域地质数据用69个工程地质钻孔进行详细的数据处理。有关钻孔分别取自中国地质调查局部署开展的城市地质调查工作和各地工程勘察工作，因此在钻进深度、岩土体年代表达、岩土体沉积相认定、岩土体岩性特征等方面，导致数据格式和内容均存在一定差异。区内钻孔投影平面分布均匀，能满足区域情况控制的基本需要（图2）。

图2 研究区钻孔二维分布图Fig.2 Two dimensional distribution of boreholes in the study area

2.2.3 建立三维地层模型

本次利用GTP建模方法进行工程地质结构模型构建，按照本区域地质结构概念模型为指导，将钻孔数据表达为从新到老的相互沉积顺序，从而表达为GTP模型下的插值算法顺序，进而依次生成地层模型图元。其三维地质模型和空间三角网格如图3所示。

图3 研究区三维地质模型Fig.3 Three dimensional geological model of the study area

3 交换格式数据转换

3.1 Geo3DML简介

Geo3DML全名为三维地质模型数据交换格式（Geo3DML）（DD2015-06），于2015年12月由中国地质调查局颁布实施[26-35]，主要面向建模成果数据无法在不同部门间实现相互共享和交换的现实问题所设置，也是行业内唯一的地质三维模型交换标准，相关建模成果只有在以此为主的标准基础上实现格式转换，才能具有更强的服务能力。

3.2 转换步骤

3.2.1 面向对象分析

基于GTP构模方法的郑州航空港工程地质模型描述了地质体空间分布。其中地质要素是地质体的抽象，地质要素之间可能存在特定的关系（如地质关系、空间关系等），这些特征基本与Geo3DML的思想一致。

3.2.2 XML文件的建立

Geo3DML是一种规范的数据格式。需要运用统一的XML格式来存储数据，并且将可视化信息与几何数据分离，通过1个工程文件将二者进行关联，据此，需要依据研究区地质条件，建立几何信息、属性信息和可视化信息三部分的XML格式的文件。基于信息平台，通过读取三维模型的几何对象信息、属性信息，写入XML。示例如下：

（1）模型基本情况Xml:

Geo3DML中所有的地质对象都需存储在Model中，将模型按如下格式进行存储，就可以建立与之对应的Geo3DML对象类型。

存储具体的地质对象

＜/GeoModel＞

（2）模型Xml

转换前格式：

转换为Geo3DML标准后的格式：

3.3 精度验证

Geo3DML基于XML设计，旨在提供一种实用开放、与三维地质建模软件无关的交换格式标准，实现三维地质模型数据在不同软件之间的交换与共享。同时研发了交换格式支持工具Geo3DMLViewer，实现了转换过程的可视化，方便各建模软件进行Geo3DML数据交换标准格式解析测试。借助Geo3D MLViewer，本次所建模型经过格式转换，钻孔和地质结构模型均无失真等问题（图4）。

图4 研究区钻孔、三维地质模型在原型系统Geo3DMLViewer中的可视化效果（Z轴放大15倍）Fig.4 Visualization effect of drilling and 3D geological model in the study area in the prototype system and geo3dmlviewer(Z-axis magnified 15 times)

4 结论与展望

（1）基于勘探钻孔数据，采用GTP建模方法，结合区域内的地质构造、地层分布以及岩溶特征，建立了郑州航空港项目三维地质模型，准确客观地反映了研究区域内的复杂地层地质条件。

（2）本文未讨论岩性标准层沿空间位置的插值问题，因此，所构建的模型是一种基于当前准确资料刻画下的可信模型。面对不同工作条件形成的较浅钻孔数据与较深钻孔数据之间，如何以现有空间关系特征，结合地层沉积的统计规律，进一步进行插值实现未知区域的预测性表达，将是下一步研究的重点方向。

（3）基于行业标准的三维模型转换，可以有效解决不同软件系统功能重点不同、与其他非地质要素模型联合分析等现实性问题，有关格式标准转换能确保数据精度、模型元素逻辑关系，是将来跨软件系统实现多源数据接入的主要方法。