基于多層DEM建立小比例尺三維地質(zhì)模型的方法
——以山東省濱州市沿海地區(qū)為例

逯光明，劉揚

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南　250002)

基于多層DEM建立小比例尺三維地質(zhì)模型的方法

——以山東省濱州市沿海地區(qū)為例

逯光明，劉揚

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南250002)

在鉆孔數(shù)據(jù)較少時，為提高小比例尺三維地質(zhì)模型的精度，利用GMS軟件根據(jù)多層DEM建立模型。該文通過分析實際條件下地層分布特點，提出了不同數(shù)據(jù)精度下DEM相交計算的原則。將修改后的DEM導入原模型中，再次插值形成三維地質(zhì)模型。利用GMS軟件得到的三維地質(zhì)模型，具有可查詢，可任意角度任意位置切割剖面的功能。

GMS軟件；三維地質(zhì)模型；鉆孔數(shù)據(jù)；DEM地層；SOLID模塊；TIN網(wǎng)格；山東濱州

引文格式：逯光明，劉揚.基于多層DEM建立小比例尺三維地質(zhì)模型的方法——以山東省濱州市沿海地區(qū)為例[J].山東國土資源，2015,31(10)：79-82.LUGuangming,LIUYang.MethodofEstablishingSmallScale3DGeologicalModelBasedonMulti-layerDEM——SettingCoastalAreainBinzhouCityofShandongProvinceasanExample[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):79-82.

在地質(zhì)勘察與穩(wěn)定性評價中，三維地質(zhì)模擬應用較為廣泛。區(qū)域地質(zhì)模型的建立往往需要大量的鉆孔作為依托，而實際工作中，取得足夠密度的鉆孔資料很難實現(xiàn)。區(qū)域小比例尺的地層具有面積大、地質(zhì)分層界線不清晰、地層連續(xù)性較差和透鏡體較多等特點，在鉆孔數(shù)據(jù)密度較小的條件下，單純依靠GMS軟件自動生成的模型與實際條件相差較大，難以滿足生產(chǎn)及生活要求。該文旨在探索一種新的建模方法，針對沿海地區(qū)層狀發(fā)育的特點，利用地層鉆孔的屬性數(shù)據(jù)建立地層DEM，通過實際情況修改DEM數(shù)據(jù)，形成符合精度要求的三維地質(zhì)模型。

1　GMS軟件

GMS軟件(GroundwaterModelingSystem)是由美國BrighamyoungUniversity的環(huán)境模型研究試驗室在綜合MODFLOW，MODPATH等已有地下水模型基礎(chǔ)上研發(fā)而成的。它能利用鉆孔數(shù)據(jù)，建立一種平面延展到空間的地質(zhì)模型或水文地質(zhì)模型[1]。

BOREHOLE模塊是GMS軟件中的重要模塊，它將鉆孔數(shù)據(jù)集合管理，建立鉆孔數(shù)據(jù)中相同地層的數(shù)據(jù)資料庫，并通過插值數(shù)據(jù)庫的同類數(shù)據(jù)生成地質(zhì)體，以建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。由該模塊建立的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)鉆孔資料進行插值計算，確定鉆孔之間的地層展布情況，真實準確地反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)[2]。

2DscatterPoint是用來管理離散點數(shù)據(jù)的模塊。該模塊可將鉆孔資料中的同類數(shù)據(jù)歸納分類并進行管理[3]。在模塊中，可通過不同的插值方法生成該地層的高程數(shù)據(jù)。

TIN(triangulatedirregularnet-works)即三角不規(guī)則網(wǎng)格，是表示相鄰地層單元界面的面，它是由鉆孔內(nèi)精選的地層界面組成的[4]。多個TIN就可以被用來建立實體模型或三維網(wǎng)格。該文建立的地面TIN模型是選用相應的方法(如克里金法)將地面高程點(X，Y，Z)進行插值所得，得到地面高程TIN分布圖。

Solid是GMS軟件區(qū)別于其他同類軟件特有的模塊，它的功能主要是對地質(zhì)結(jié)構(gòu)體進行管理。在Solid模塊中可根據(jù)需要分解和組合不同的層，在任意層位、任意位置切剖面，查看剖面上地層的展布情況，并可對模型進行空間上的旋轉(zhuǎn)，從不同的角度觀察模型結(jié)構(gòu)[5]。

2　三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)整理

2.1鉆孔布置

該文的工作區(qū)位于山東省濱州市沿海地區(qū)，總面積約760km2。鉆孔數(shù)據(jù)是支持三維地質(zhì)建模的最重要數(shù)據(jù)[6]。根據(jù)搜集的(包括工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)報告及剖面圖等)資料，將工作區(qū)內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)調(diào)整為17個。17個鉆孔深度均為20m，利用該鉆孔建立深度20m的三維地質(zhì)模型。由于模型區(qū)面積較大，深度較小，可視效果較差，因此，為達到層次清晰的可視效果，該模型將深度Z軸放大500倍。鉆孔在工作區(qū)內(nèi)的分布情況見圖1。

圖1　模型區(qū)內(nèi)鉆孔分布圖

2.2數(shù)據(jù)調(diào)整

由于工作區(qū)面積較大，鉆孔密度較小，GMS軟件在生成地層時自動規(guī)避層序有誤的地層，插值過程中，對于地層尖滅及出現(xiàn)透鏡體的地層不予顯示，因此需要通過手動修改調(diào)整生成的地層。根據(jù)鉆孔實際情況，將海拔-20m至地表范圍從上到下依次分為素填土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂和粉質(zhì)粘土11層。將每個鉆孔地層賦值為層序值(horizon)，并將鉆孔數(shù)據(jù)輸出為鉆孔數(shù)據(jù)組。

地層中常常存在地層尖滅，為了描繪地層尖滅的特性，按照地層順序，修改鉆孔中地層層序值，將鉆孔中地層缺失部分的層序值依序賦在相同位置。例如圖2，鉆孔A與鉆孔B地層層序完整，而鉆孔C缺失1～2地層，為使每一鉆孔都有完整地層層序，該文將鉆孔C中層序1的位置同時賦予層序2的值，以顯示出1～2地層在鉆孔C處的尖滅效果。依據(jù)上述原則，對17個鉆孔中每一地層層序值(horizon)散點坐標及高程進行歸類處理，分出11個含有相同層序值的數(shù)據(jù)組。

圖2　鉆孔層序值的賦值示意圖

3　DEM的調(diào)整

利用2DScatterpoint模塊，采用反距離加權(quán)法對整理出的11個數(shù)據(jù)組進行插值，形成獨立的TIN，即相鄰地層接觸面的DEM。按照從上到下的地層順序依次命名DEM為H11到H1，模型底層設(shè)定為-20m。由于插值后的地層相互交錯，形成高低交叉的地層，不符合實際情況。因此，需要將TIN數(shù)據(jù)導出，手動修改出現(xiàn)錯誤的地層DEM?？紤]到模型底層為-20m，將要修改的地層DEM分為3類。

3.1與地表DEM相交的其他DEM

由于地表DEM的生成數(shù)據(jù)是采用的遙感解譯數(shù)據(jù)，精度較高，因此地表DEM與其他DEM采用“頂層為標準，下層交叉減頭發(fā)”的方法對相交DEM進行減運算。

3.2與地層-20m相交的其他DEM

由于模型底層-20m為固定值，因此，插值后的地層深度大于20m的DEM采用“底層為標準，上層交叉減尾巴”的方法對相交DEM進行減運算。

3.3其他相交DEM

由于插值后的DEM精度都是相同的，因此采用“交叉求平均值”的方法進行平均值運算。將修改后的DEM數(shù)據(jù)導入GMS中，生成每一地層的TIN。由于地層模型厚度為20m，為達到較好的可視效果，本模型將垂向Z軸放大500倍(圖3)。

圖3　相鄰地層接觸面DEM圖

4　地質(zhì)模型的建立

利用生成的TIN建立地質(zhì)模型，將H11作為地質(zhì)模型的頂層，-20m作為地質(zhì)模型的底層進行反距離加權(quán)計算，生成研究區(qū)的地質(zhì)模型(圖4)。該模型可以查詢?nèi)我獾貙拥恼共记闆r，還可以查詢?nèi)我馄拭娴男螒B(tài)及地層分布。按Z軸放大500倍，效果見圖5。

圖4　地質(zhì)模型的建立

圖5　任意切割的地層剖面圖

5　結(jié)語

(1)GMS是一款集地質(zhì)模型與水文模型于一體的建模軟件[7]，地質(zhì)模型作為水文地質(zhì)模型的前身，其精確的建立成為保證水文地質(zhì)模型準確的前提條件，地質(zhì)模型能否準確建立直接影響了后續(xù)工作的進展程度。

(2)地質(zhì)模型建立中，DEM建模方法是一種傳統(tǒng)的較為成熟的方法，在構(gòu)建小比例尺模型中，鉆孔數(shù)據(jù)不足成為制約模型精準度的最大問題。利用鉆孔數(shù)據(jù)對每一層進行插值計算，并根據(jù)實際情況修改DEM，是使模型精準度提高的最有效辦法。

(3)該建模方法思路清晰，可操作性強，建立的模型能夠很好地反應地層之間的相互關(guān)系，通過任意角度的剖面切割可以查詢計算地層數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬計算提供了很好的數(shù)據(jù)平臺。該方法自動化程度較低，手動修改操作要求較高，還需進一步完善。

[1]方海東，劉義懷，施斌，等.三維地質(zhì)建模及其工程應用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002，(29)：12-13.

[2]黃新迎.GMS軟件在三維地質(zhì)建模的測量應用[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理，2011，(4)：10-12.

[3]沈愛俊，李偉波，國洪艷.基于多層DEM與GTP混合數(shù)據(jù)模型研究與應用[J].軟件導刊，2007，(11)：23-24.

[4]王李管，何昌盛，賈明濤.三維地質(zhì)體實體建模技術(shù)及其在工程中的應用[J].金屬礦山，2006，(2)：58-62.

[5]姜川，曲寶杰，董強，等.基于GIS的淄博市地質(zhì)災害預警預報系統(tǒng)建設(shè)[J].山東國土資源，2014，30(3)：89-91.

[6]張珊珊，劉志輝.基于多層DEM表面模型的地層結(jié)構(gòu)的三維可視化[J].測繪信息與工程,2003，28(3)：14-15.

[7]程朋根，王承瑞，甘衛(wèi)軍，肖根如.基于多層EM與QTPV的混合數(shù)據(jù)模型及其在地質(zhì)建模中的應用[J].吉林大學學報(地球科學版)，2005，35(6)：806-811.

MethodofEstablishingSmallScale3DGeologicalModelBasedonMulti-layerDEM——SettingCoastalAreainBinzhouCityofShandongProvinceasanExample

LUGuangming,LIUYang

(ShandongGeologicalSurveyingandMappingInstitute,ShandongJinan250002,China)

Onthepremiseoflessboreholedata,inordertoimprovetheaccuracyofsmallscale3Dgeologicalmodel,multi-layerDEMmodelusingGMSshouldbeestablished.Inthispaper,throughanalysingdistributioncharacteristicsoflayersunderactualcondition,theprincipleofDEMintersectioncalculationunderdifferentdataaccuracyhavebeenputforward.AftermodifyingtheoriginalDEM,importingthemintotheoriginalmodel,andinterpolatingagain, 3Dgeologicalmodelhasbeenformed. 3Dgeologicalmodelhasthefunctionofcuttingsectionatanypositionandatanyarbitraryangle.Itshigheraccuracylayagoodfoundationforthenextstepofhydrologysimulation.

GMS; 3Dgeologicalmodel;boreholedata;DEM;SOLIDmodule;TINgrid;BinzhouinShandongprovince

2014-12-09；

2014-12-30；編輯：曹麗麗

逯光明(1965—)，男，山東臨沂人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工作；E-mail：646959927@qq.com

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