洪泽湖北部黄泛区三维地质建模及可视化系统的应用研究

徐 徕，夏 睿，姜 峰，吴千丰，许长青

(1.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210000； 2.国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，江苏 宿迁 223800)

三维地质建模系统因具有显示完整、操作简便和分析透彻等优点，在“数字城市”、矿产开采、地质结构、区域稳定评价和规划设计等领域广泛应用[1-5]。该系统是在计算机模拟的三维环境下，采用合理的数据形式，综合运用现代空间信息理论、3S集成技术和地学多尺度信息架构，将地学统计信息、空间信息管理、空间分析及预测、地学统计、地质解译、实体内容分析及图形可视化等工具结合起来，建立三维地质模型，从而研究其几何特征和物化属性的系统[6-10]。“三维地质建模”的概念首先由加拿大学者Holding S.W.提出[7]。随后，刘少华等[8-10]对该概念和建模方法进行了丰富与扩展，并提出了钻孔建模[11-13]、剖面建模[14-15]、多元交互建模[16]方法，发明了诸如MapGIS K10、DataMine studio、RockWare[17]、Surpac vision[18]、GeoStation[19]、3Dmine等数值建模软件，使三维地质建模技术得到了快速的发展和广泛应用。但工程勘察信息化是一项复杂的工作，它需要多源地学信息(钻孔数据、地球物理勘察数据、原位测试数据及室内实验数据)进行标准化处理，设计出合适的储存数据结构，从而建立起工程地质信息三维可视化模型。

上述建模方法尽管在一定程度上可以实现模型剖面绘制问题，但碍于软件算法限制，不能快速、高效地获取基础地质信息，从而在一定程度上阻碍了工程选线、决策及工程地质评价。本文在上述研究的基础上，基于Access数据库操作和GIS平台开发组建了地质环境数据库和三维地质建模系统。可以较好地完成三维模型剖面分析和三维空间分析。

1 三维地质建模及可视化

相对于传统的二维和“假”三维模型来说，三维地质模型可以更清晰、直观、完整地描绘出模型中的地质现象，准确快速地再现各地质结构的空间展布及相互位置关系，从而得出更多相关地质可视化信息。

1.1 三维地质建模多源数据类型

多源地学数据包括钻孔数据、地化数据、物探数据、遥感数据、地勘数据、原位测试数据、室内实验数据等。这些数据资料因为具有不同量纲、不同维度、不同类别、不同时态和不同尺度等特点，因而需要对它们采用数据融合技术，进行标准化处理，设计合适的存储数据结构，并制定地质图件的预处理以及地质信息存储的规则。

1.2 三维地质建模及可视化流程

三维地质建模一般而言，首先，需要从所得的多源地学数据出发，化解结构化数据和非结构化数据同时存在的现象，重点考虑非结构化数据的存储和效率问题。其次，根据这些数据建立出三维结构模型和三维属性模型。前者是通过地质解译，得描述基本地层和构造特征的构造模型；后者则是使用各种预测分析法来建立描述地学参数空间起伏状态的模型。在建立模型过程中，后者可以对前者进行控制和约束，共同开展空间分析应用。

其可视化则表现在生成地质模型中，采用多种算法来生成模型的几何形状，使图形成为具有颜色、材质、纹理和渐变色所表达的具有地层、结构面和分界面的三维地质实体，并具有良好的视觉效果。从中可以清晰展示出模型所表现出的地质空间结构形态和变化规律。此外，在构建模型过程中，还添加了放大、缩小、恢复、旋转等基本功能模块。三维地质建模及可视化流程如图1所示。

图1 三维建模与可视化流程Fig.1 3D modeling and visualization process

2 基于GIS的三维地质建模系统搭建

2.1 数据库的建立

作为三维地质建模的对象，不同地质现象和人为工程(如边坡、矿体、大坝和地下工程等)可以在GIS中采用3D面状模型和3D线状模型进行静态拓扑描述。①选取Access数据库管理系统对洪泽湖北部黄泛区多源地学数据进行存放，并把空间数据库和非空间数据库区分开(图2)；②在GIS平台上对钻孔柱状图、地质图、剖面图进行数字化处理，并拆分成GIS可表达的各种点、线、面和实体；③采用多方法、多元集成的思路，把经过数字化处理的多源信息在GIS平台上进行三维模型的搭建。

图2 数据库处理流程Fig.2 Database processing flow

2.2 数据库访问及信息查询

研究区和三维地质建模均使用Access数据库，使用用ADO.NET组件访问数据库。该组件中包含大量的Data Provider(数据提供程序)，将使用相似对象与不同数据源进行交互。ADO.NET数据体系s结构如图3所示。其中，数据读取器表示为了进行快速的只向前读取数据，数据适配器为读取或者写入数据源，命令为对象允许与数据源交流并发送命令给它，连接指的是对象管理与数据源的连接。如果想使用断开数据，使用数据集并实现能进行读取或者写入数据源的数据适配器。

图3 数据库访问体系结构Fig.3 Database access architecture

信息查询，可以使用户方便、快捷查阅自己感兴趣的数据，三维地质建模系统的查询功能分为查询所有数据和查询单个数据。其中，查询所有是把数据表中的数据全部查询出来，方便用户对个钻孔之间进行对比观察；它可分为查询所有地层信息、工程情况、钻孔信息等。查询单个数据可以使用户查询感兴趣的钻孔信息和工程情况信息。此外，软件还兼具新增、修改、删除和更新信息的功能。

3 三维模型建立及可视化分析

3.1 三维模型建立流程

以洪泽湖北部黄泛区内的泗阳县为例，该区域三维地质模型建立需要的多源地学信息主要包括高精度地表数字高程模型DEM、三维钻孔模型、三维地质模型、水文地质模型和地下水位动态监测统计分析。基于GIS平台导入DEM模型，通过Sakia3D平台，使用ADO.NET动态链接数据库显示三维钻孔模型，使用表面构模法、边界(B-Rep)表示法、线框(Wireframe)构模法、断面(Section)构模法和多层DEM构模法构建表面模型，任意形态的三维空间体元来表示地质体实现实体模型。

研究区三维地质建模流程采用“钻孔—层面”模型方法(图4)。

图4 三维地质模型建模流程Fig.4 Modeling process of 3D geological model

①在钻孔数据中加入Feature属性信息，对原始钻孔数据进行Delaunay三角剖分，生成表面的不规则三角网；②类似地迭代出相同属性的地层上下表面，由表面钻孔点边界拓扑关系生成侧面，加上先前生成的上下表面生成一个具有相同属性信息的地层；③类似地迭代生成其他各层面，最终就生成了一个相对接近现实世界的三维地层；④加入简单插值算法使得生成的三维实体更加平滑，更加接近真实的三维实体。

3.2 地质模型三维可视化分析

地质模型的三维分析主要包括剖面分析和专业剖切分析2部分内容。用户可以根据需求对地质模型进行任意剖切分析，形成剖面图，观察三维模型内部分布结构，为研究区建设提供决策支持。三维地质模型剖切面如图5所示。图5(a)为在三维地质模型中的剖切面栅栏图形，图5(b)为三维地质模型中的剖切面三正交模型。

图5 三维地质模型剖切面Fig.5 Section of 3d geological model

根据所建成的工程地质和水文地质模型，可以进行专业剖切分析，根据用户需求，可以剖切出泗阳城区地下空间开发地质适宜性分区地质模型及水文模型剖切效果图，如最适宜居住区剖切结果图、适宜居住区剖切效果图、较适宜居住区剖切效果图、较不适宜居住区剖切效果图、水文地质剖切效果图以及水文地质三正交和栅栏剖切效果图。其中，最适宜居住区和较不适宜居住区剖切效果分别如图6所示。研究区处于洪泽湖北部黄泛区(泗阳县)区，地形主要为冲积平原，地面起伏不大，为温带季风气候。此次研究中，适宜居住区的划分主要考虑了岩土体特性、水文地质条件以及交通便利性，遵循“有利生产、方便生活”的原则。

图6 居住区剖切效果Fig.6 Section diagram of residential area

4 结语

三维地质建模系统储存了大量的数据信息，该系统借助于Microsoft公司所提供的Access数据库储存数据和GIS平台完成了洪泽湖北部黄泛区泗阳县的三维地质建模和可视化研究工作。基于Access数据库建立了一个专业化、标准化的综合地质数据库，并实现了数据库的访问和软件的查询、新增、修改、删除和更新功能；基于Sakia3D平台使用ADO.NET动态链接数据库，采用“钻孔—层面”模型方法完成了泗阳县的三维地质建模的建立；研发了基于三维模型的剖面分析和专业剖切分析，本文具有较大的理论指导意义和实用价值。