山东省日照市蓝色经济区城市三维地质结构调查及三维建模

秦泗伟，吉烜莹，姜洪胜，廉永彪

(1.山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276826；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271000；3.山东省国土空间数据和遥感技术研究院，山东 济南 250002；4.山东省第一地质矿产勘查院，山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室，山东 济南 250110)

0 引言

日照地区开展了大量的地质工作，取得了丰富的地质资料和研究成果[1-5]，为区域发展和开发活动提供了数据支持。在前人工作的基础上，本次蓝色经济区城市三维地质调查运用综合现代化地质调查手段，开展城市三维地质结构填图，首次利用GIS[6-7]技术建立了日照市钻孔三维实体、第四系结构、基岩三维地质结构模型。该模型在可视化系统条件下，能够直观看到第四系及隐伏基岩表层起伏形态和透视内部地质构造结构，为以后日照市城市地质工作提供了较好的借鉴依据。

1 研究区概述

研究区北起秦楼街道，东至黄海海岸线，西与204国道相邻，南至奎山镇焦家庄子村。地理坐标东经：119°24′56.8″～119°36′3.8″，北纬：35°19′17.9″～35°28′16.9″，总面积200km2(图1)。

1—旭口组；2—维北组；3—沂河组；4—临沂组；5—山前组；6—陡崖岩组；7—野头组；8—崂山序列下书院单元；9—崂山序列青台山单元；10—伟德山序列鼓楼单元；11—伟德山序列后野单元；12—伟德山序列崖西单元；13—玲珑序列云山单元；14—月季山序列汪家村单元；15—荣成序列丝山单元；16—荣成序列冠山单元；17—海洋所序列老黄山单元；18—莱州序列西水夼单元

研究区地貌特征分区明显，丝山-石臼-奎山一带花岗岩地区，地表风化作用强烈，节理、裂隙发育，形成波状起伏的剥蚀构造地形，而海岸线及河流两侧则为冲积、海积等作用形成的河谷、泻湖、砂岸等低洼海滨地貌[8]。区内出露的地层较少，主要为新生代第四系，仅局部地区见少量古元古代荆山群，侵入岩发育，分布广泛，构造主要表现为较为发育的脆性断裂，按走向分别为NE向、近EW向、NW向。

2 调查工作情况概述

通过分析总结前人的地质资料，尤其是近年来的钻孔资料，结合勘查工作取得的成果，进一步查明研究区地层、岩浆岩、地质构造的空间展布及形态。查明了浅部第四系及基岩的分布及结构特征，修测了研究区基岩地质图。查明了研究区浅部工程地质分层，对各工程地质分层的物理力学指标进行了统计与计算，从承载力及压缩性等方面对场地工程建设适宜性进行了评价。在充分搜集资料的基础上，对城区各含水岩组特征、地下水的补给、径流、排泄条件、地下水水位动态特征等水文地质条件进行了归纳与总结，编制了水文地质图。

2.1 调查工作方法

在整理以往地质资料的基础上，开展了野外地质调查、遥感解译、剖面电测深[9]、地质钻探、水质分析、波速测试、数据库建设和地质图编制等工作。

2.2 调查工作特点

以往工作基础上，充分搜集已有资料，并注重资料的二次开发利用，加强了综合分析研究。实物工作以地面调查为主，本着缺什么补什么的原则，有针对性地开展各项工作，取得了较好的调查效果。运用先进的勘察技术、地理信息系统技术、三维地质建模技术，开展城市三维地质结构调查，为建立GMS三维可视化地质体结构模型[10]，提供针对性的调查数据。

3 三维地质结构建模

城市三维地质结构调查项目获取了大量的地质资料和数据[11]，建立了日照市三维可视化模型。该模型基于GMS软件中的Boreholes[12]、TIN[13]、Solid[14]模块，实现了数据管理、数据查询、数据分析、报表分析与编辑等功能，为政府决策部门系统、直观地掌握工作区的基础地质资料，科学合理的规划、管理和利用提供了重要依据。

3.1 建模流程

采用钻孔-层面模型方法构建三维地层实体模型，该方法能根据实际的工程钻孔数据，允许用户结合自己的专家经验和其他勘察手段获取的成果，生成并编辑相邻钻孔之间的一系列剖面图，然后将编辑后的剖面图与原有的钻孔数据生成三维地层模型[15]，按照该方法构建三维地质模型的基本工作流程(图2)。

图2 三维地质模型流程图

(1)选择钻孔，提取钻孔数据。选取研究区一定数目的钻孔，然后从钻孔数据库中提取各个钻孔的地层信息以作为建模的原始数据，供下面各个建模步骤使用。

(2)建模区域整体地层编号。将研究区钻孔所揭示的全部地层按照地层沉积顺序进行编号[16]，生成一个涵盖建模区域全部地层的“区域地层层序表”，以备后续建模使用。

(3)对钻孔地层层面进行编号。将研究区钻孔中的各个地层与“区域地层层序表”相对照，确定钻孔中各个地层层面的序号。

(4)定义“主TIN”。可以看做是确定建模区域地层拓扑关系的一个“模版”，它可以沿着钻孔深度自上而下推延至建模区域的全部地层。

(5)相邻钻孔剖面编辑。在建模过程中，将地质剖面图(本次绘制)中的信息加入建模过程，能取得较好的效果。

(6)对地层层面高程进行插值。分别提取各个地层层面的控制点高程信息，然后利用这些点插值求“主TIN”上各个未知点的高程值。

(7)地层层面相交处理。经过第(6)步插值处理后的TIN面可能会出现上下地层层面交叉的情况，这就需要进行地层层面相交处理来消除。

(8)调整地层高程。经过地层层面相交处理后的“主TIN”可能会出现本应位于下部底层上的点的高程却高于其上面的地层的情况，这需要调整地层高程，强行将其拉回到与其上一层相等的高程上。

(9)构建三维地质模型。需将上下相邻的地层层面的三角网在竖向上“缝合”起来，就可以构成完整的三维地质实体模型。

(10)对模型进行三维分析，完成对三维地层实体模型的重构之后，可以展示研究区任意地层剖面，以及分解和组合不同地层的功能。

3.2 三维模型建设

在工作区内开展三维地质结构的调查，包括第四系厚度、基岩地层和隐伏的断裂结构等方面的调查研究[17]，并利用三维空间渲染技术，建立第四系、基岩、工程地质结构三维地质模型，把空间分布不均匀、不连续、散乱的地质信息，通过数字曲面拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型，以三维真实感图象的形式形象地表达地质构造的真实形态、特征以及三维空间物化属性参数的分布规律[18]。

(1)钻孔三维实体建模。钻孔是地学研究领域重要的地质数据资源[19]，能够充分的挖掘钻孔数据的信息，扩展钻孔信息的表达方式，是将钻孔数据进行有效应用到生产建设等各方面工作的前提。在此次日照城市三维地质结构调查项目中，项目组充分应用日照市三维城市地质信息管理系统提供的建模功能，在将钻孔数据进行二维可视化点位展示的同时，建立了钻孔的三维模型，实现了对钻孔数据的三维可视化表达与分析(图3)。

图3 三维钻孔模型示意图

(2)第四系、基岩及工程地质三维模型。三维模型建立的范围为本次的工作区，面积约200km2。

建模时采用了钻孔-层面模型方法[20]，建模选用钻孔187个[21]，钻孔深度50m以内，针对第四系地质、基岩地质、工程地质，将钻孔划分四级标准分层。建模选用13条三维剖面(图4、图5)。

图4 第四系地层三维地质模型示意图

图5 基岩三维地质模型示意图

3.3 三维模型分析应用

(1)模型属性拾取。针对建立的三维模型，包括地质体模型、三维钻孔模型等，用户可以对模型进行属性信息的查询和浏览。查询地质体模型，系统会将所查询地层的地层名称、代号、岩性等信息呈现给用户；查询三维钻孔模型，可以查询钻孔的整体信息，如钻孔基本信息、钻孔柱状简图等，也可以查询钻孔的某一分层信息。

(2)三维模型切割。支持平面剖切、水平剖切、斜切、折线垂直剖切及组合剖切等多种剖切方式。通过鼠标输入线、对话框输入坐标、读取线文件等方式生成剖切路径，然后沿着切割路径进行切割操作，可以将切割后的模型保存起来，供下次使用。

(3)隧道切割及漫游。通过在三维地层模型上手动输入或文件导入路径，同时设置切割界面，可以对模型进行隧道切割，模型切割完成之后即可进行隧道漫游，在隧道漫游过程中，用户还可以随时停下来拾取地层内部信息。

(4)三维模型爆炸。三维模型爆炸显示功能实现将整个模型进行一次爆炸显示的过程，使得模型能够被充分的打散开来，便于用户了解模型内部的细节问题。系统提供任意爆炸、整体爆炸、沿轴向爆炸等三种爆炸方式。对爆炸的散开距离，爆炸的过程都提供参数进行设置。

4 结论

通过一系列调查手段，基本查明了研究区地层结构、岩土体工程地质条件、水文地质条件及地质环境特征，在此基础上依托空间数据库、三维GIS、三维可视化技术建立了城市三维可视化地质结构模型，把空间分布不均匀、不连续、散乱的地质信息通过数字曲面拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型，以三维真实感图象的形式形象地表达了各种地质结构的真实形态、特征。实现了数据管理、数据查询、数据分析、报表分析与编辑等功能，为政府决策部门系统、直观的掌握工作区地质、水文地质、工程地质、环境地质，科学合理的规划、管理和利用提供了重要依据。