城市地質調查中知識驅動的多尺度三維地質體模型構建方法

陳 麒 玉，劉 剛,2*，吳 沖 龍,2，李 新 川，張 志 庭

(1.中國地質大學(武漢)計算機學院，湖北 武漢430074；2.智能地學信息處理湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

城市地質調查中知識驅動的多尺度三維地質體模型構建方法

陳 麒 玉1，劉 剛1,2*，吳 沖 龍1,2，李 新 川1，張 志 庭1

(1.中國地質大學(武漢)計算機學院，湖北 武漢430074；2.智能地學信息處理湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

在城市地質三維模型構建中，數(shù)據(jù)來源龐雜，且不同應用領域對模型精度的要求不同。當前地質體三維模型構建技術還無法很好地支持大范圍復雜地質結構模型的快速構建，建模過程繁雜，并影響后續(xù)地質分析工作的開展。為了解決這一問題，該文面向三維城市地質調查工作，提出了一種知識驅動的多尺度三維地質體模型快速構建方法。以專家知識為指導，通過對研究區(qū)域進行盆地分析和古沉積環(huán)境分析，建立了研究區(qū)域內符合城市地質要求的沉積地層分層標準，摸清了時代內沉積相和沉積微相的空間分布。在此基礎上，融合多源多類地質數(shù)據(jù)，運用Kriging插值、多約束條件Delaunay三角剖分與局部拓撲重構技術，詳細探討了從鉆孔與剖面數(shù)據(jù)→地層格架面→三維地質體模型的快速構建過程。該方法已在中國地質調查局試點項目“閩江口地區(qū)地質環(huán)境調查”項目中得到應用，并集成在QuantyView3D系列地礦應用軟件中。

三維地質體建模；知識驅動；構造-地層格架；拓撲重構

0 引言

目前，三維城市地質調查已成為中國地質調查局新時期地質工作的重點之一。隨著地質信息科學理論和技術方法的形成和發(fā)展，三維地質建模技術已在數(shù)字礦山、煤田及石油勘察、水利工程、災害地質和城市地質等領域取得廣泛、深入的應用[1-5]。

已有的三維建模方法依據(jù)數(shù)據(jù)來源可將其分為基于鉆孔、剖面及多源數(shù)據(jù)混合的建模方法[6-11]。鉆孔數(shù)據(jù)在一定程度上能夠直接反映研究區(qū)域的地下構造情況，但也僅限于有限的區(qū)域，而地質體的實際分布是延續(xù)的。鉆孔之間存在的盲區(qū)，需要通過相互比較和分析來形成剖面[12]，才能夠較好地反映鉆孔之間地層和構造的變化。采用多源數(shù)據(jù)進行模型的構建，雖然可以提高模型的精度，但卻因為資料的獲取途徑、數(shù)據(jù)標準的不同而不可避免地會產(chǎn)生一定的信息沖突，這便需要有更好的機制來協(xié)調、融合多源異構地質數(shù)據(jù)，使其更好地為后期的三維建模服務。另一個突出的問題是這些方法在一定程度上都停留在基于地層對比的地質結構建模，所涉及的地質內容僅僅是地層巖性的劃分，不包含研究區(qū)的地質背景知識和沉積物的沉積相和沉積體系，造成所構建模型與實際的地質內容脫節(jié)，難以用來進行古沉積體系、工程地質條件、地質災害孕育條件、含水層和隔水層空間分布等地質分析。已有學者提出了基于知識規(guī)則對剖面數(shù)據(jù)進行處理，再進行三維模型構建的方法[13-18]，但也沒有完全解決以上這一問題。

開展城市地下三維地質建模的目的，是為進行城區(qū)工程地質條件評價、地面建筑選址和地基穩(wěn)定性評價、地下空間利用和地下工程建設、地面沉降與塌陷等地質災害預測預警、地下水污染源追蹤與后備水源評價等，提供易于實現(xiàn)各種空間分析和空間數(shù)據(jù)挖掘的三維可視化精細地質模型。因此，其建模對象主要是第四紀沉積體系的結構模型及其巖土體地層格架模型。

針對存在的問題和建模的目標，本文面向三維城市地質調查工作，提出了一種知識驅動的多尺度三維地質體模型快速構建方法。以鉆孔及基于鉆孔所建立的剖面為基本數(shù)據(jù)源，建立多源多類數(shù)據(jù)的融合方法。通過對研究區(qū)域進行盆地分析和古沉積環(huán)境分析，摸清了時代內沉積相和沉積微相的空間分布，從而使生成的模型既基于實際的鉆孔資料同時又具備了真正意義上的帶有研究區(qū)域地質涵義。在此工作基礎上，詳細探討了從鉆孔與剖面數(shù)據(jù)→地層格架面→三維地質體模型的快速構建過程。

1 知識驅動的多尺度三維地質體建模方法

1.1 多源多類地質數(shù)據(jù)的融合與預處理

多源多類地質數(shù)據(jù)融合主要研究如何對不同來源和類型的數(shù)據(jù)進行加工與轉換，使其相互協(xié)同補充，得到更加充分的應用，從而實現(xiàn)對同一地質實體更加客觀、精確的表達與認識。數(shù)據(jù)的豐富與準確性是決定所建三維地質模型是否精準的重要因素，但很多時候，并不是缺少數(shù)據(jù)，而是不能將已有的多源、多類、異構數(shù)據(jù)進行充分的協(xié)調融合，使其更好地為模型的構建服務。

本文主要以鉆孔、剖面和沉積環(huán)境區(qū)劃圖等為數(shù)據(jù)來源。數(shù)據(jù)融合的主要難點在于數(shù)據(jù)屬性的多樣性和外在表現(xiàn)形式的多樣性。從數(shù)據(jù)內容上看，涉及的數(shù)據(jù)有鉆孔、剖面、平面圖等；從數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式上，有點、線、面等多種特征數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)來源看，有實測數(shù)據(jù)和經(jīng)過分析推測、包含地質專家認識的成果數(shù)據(jù)。這就要求必須用統(tǒng)一的編碼規(guī)則對這些數(shù)據(jù)進行融合處理。

對鉆孔分層信息、剖面地層屬性和沉積相屬性描述進行統(tǒng)一編碼。其編碼規(guī)則如圖1a所示，前兩位為時代代號，中間兩位為巖土類別大類(相)代號，最后兩位為巖土類別小類(微相)代號。這樣的6位編碼，便可將鉆孔、剖面的時代、分層屬性統(tǒng)一起來，方便根據(jù)具體研究需求快速構建多尺度三維地質模型(圖1b、圖1c)。如果要研究該區(qū)域大的地質背景及時代成因，則只需按照時代代號，提取時代的分層信息即可；如需繼續(xù)細化，可依次根據(jù)后面幾位提取更加豐富的分層信息，構建更加精細的三維地質模型。對于沉積相分區(qū)圖，主要關注的是某一時代內沉積相的空間劃分，所以需要按照以上編碼規(guī)則將每個分區(qū)的所屬時代、沉積相類型和沉積微相類型進行編碼(圖1d)，這樣就可以根據(jù)設定自動提取特定沉積環(huán)境的分區(qū)邊界，用于同一時代內地層的進一步劃分。

按照以上編碼規(guī)則，地質專家對全區(qū)第四紀地層及基巖風化層進行統(tǒng)一編碼。但在實際地質建模過程中，并不是建模區(qū)域包含全部地層分層信息(圖1e)；再者，應用需求不同，也可對地層進行相應的簡化歸并處理。所以需要根據(jù)應用需求和區(qū)域內鉆孔和剖面的對比分析，制定某次建模的地層序列定義表(圖1f)。之后將按照此表中的編碼及層序，進行鉆孔信息、剖面分層界線和沉積相分區(qū)邊界線提取。

在鉆孔和剖面數(shù)據(jù)的提取與處理中，需特別注意地層缺失的情況，即尖滅、透鏡體等復雜地質結構。圖2a示例性說明了在地層缺失的情況下鉆孔地層分隔點的提取。假設總共分為C1、C2、C3三層，那么對應的地層分割點就有p0、p1、p2、p3，當C2層缺失時，分割點p1和p2便處于同一位置，當C1、C2層都缺失時，分割點p0、p1和p2處于同一位置，同理可處理所有類似缺失地層的情況。如圖2b所示為剖面地層分割線的處理方法，從上到下地層依次為Ci-1、Ci和Ci+1，當Ci層兩邊缺失時，為了保證缺失處地層層面重合，必須讓每一條地層分割線都從頭到尾，并且保證缺失處點的一致性，即Ci與Ci+1層的上界線在缺失處的點p(i,1)、p(i,2)、p(i,3)、p(i,10)、p(i,11)、p(i,12)與p(i+1，1)、p(i+1，2)、p(i+1，3)、p(i+1，12)、p(i+1，13)、p(i+1，14)必須對應重合。

圖1 多源多類地質數(shù)據(jù)的融合處理

依據(jù)以上所述數(shù)據(jù)融合方法，進行標準化編碼處理，按照試驗區(qū)三維地質建模地層序列表對鉆孔、剖面分層信息及沉積環(huán)境區(qū)劃邊界信息進行提取，最終以真實坐標位置將其展布在三維空間中。與傳統(tǒng)將鉆孔投影在一個平面上的勘探剖面相比，其顯著特征是鉆孔及其連接而成的剖面形態(tài)嚴格遵循勘探工程在三維空間的展布形式，故而能夠更加真實地反映出地質體在勘探位置處的特征。圖3是鉆孔、剖面地層界線及沉積環(huán)境區(qū)劃邊界在三維空間的真實展布情況。

圖2 地層缺失處理

圖3 鉆孔、剖面地層界線及沉積環(huán)境區(qū)劃邊界在三維空間的展布

1.2 帶約束條件的地層層面校正

在以上數(shù)據(jù)的基礎上，將鉆孔及剖面線離散成帶有高程屬性的空間離散點，利用Kriging空間插值算法進行某一特定地層層面的擬合。最后將擬合點(插值得到的帶高程屬性點)和型值點(原始鉆孔及剖面線離散點)一起，運用Delaunay三角剖分算法生成地層TIN曲面。型值點也參與曲面剖分，可保證所建模型的地層信息在鉆孔及有勘察剖面經(jīng)過的位置與實際勘察數(shù)據(jù)完全一致(圖4a)。

由于輸入的型值點是有限的，在依次進行上下層面構建時，利用插值得到的擬合點，難免會出現(xiàn)上下交錯的情況，導致上下地層層面交錯，這在地層實體模型構建時是不允許的，所以需要對交錯層面進行校正。如圖4所示為層面校正過程示意圖，可分為從上到下校正和從下到上校正。層面的構建順序是由具體數(shù)據(jù)特征決定的，一般會選擇從上到下來構建，因為地表有高精度的等高線數(shù)據(jù)，這樣以高精度層面為約束面校正低精度數(shù)據(jù)，才能保證模型的準確性。

圖4 層面校正過程示意

型值點是勘察實測數(shù)據(jù)，必須保證所建模型與實測數(shù)據(jù)的一致性，所以型值點不參與層面校正。擬合點是通過空間插值計算得到的估計點，其分布如圖4a參考面所示，每一個層面的擬合點在XOY平面的投影是完全一致的，但通過空間插值之后其高程屬性Z各不相同。所以校正過程就是要保證上下層面任意位置擬合點的高程值不交錯。

1.3 地質體結構模型拓撲重構

對經(jīng)過層面校正后的地質體上下格架面，自動計算獲取側面，并圍合成體，生成對應地層的地質體模型。但是，經(jīng)上述層面校正后，上下層面在地層缺失位置完全重合，構建地質體模型之后，必須對重合位置進行體拓撲重構，才能使地層形態(tài)符合實際情況。

本文選擇實體模型(Solid Model)來表達地質實體。在此數(shù)據(jù)結構的基礎上，通過對每個三角面片法線方向的判斷，將其分為頂?shù)變刹糠?。然后依次遍歷查找每個三角面片上3個頂點坐標之間的距離，當兩個三角面片對應的3個頂點之間距離都為零時，則兩個面片完全重合，將其記錄從其數(shù)據(jù)結構的拓撲域中刪除。遍歷完成后，調整拓撲域中面的個數(shù)，用調整后的拓撲結構重構該體。圖5為體拓撲重構的過程示意，經(jīng)過處理，將圖5a中間區(qū)域的三角面拓撲從體拓撲結構中刪除，得到重構后的體；圖5b上下層面直接成體后，經(jīng)拓撲重構，得到該地層的真實形態(tài)。

圖5 體拓撲重構

2 技術實現(xiàn)

該方法已在三維地學信息系統(tǒng)軟件平臺QuantyView[19]上得到實現(xiàn)，圖6是知識驅動的多尺度三維地質體建模方法的整體實現(xiàn)流程，詳細描述了從數(shù)據(jù)整理入庫，到多源多類數(shù)據(jù)融合，再到模型動態(tài)構建的全過程。首先將國家及行業(yè)標準、地質專家解釋的成果數(shù)據(jù)以及包含專家知識的區(qū)域地質認識等存入專家知識庫，并以此為標準指導空間數(shù)據(jù)的規(guī)范化與標準化入庫。在專家?guī)斓幕A上，定制試驗區(qū)“三維地質建模地層序列表”，并以此為約束，融合鉆孔、剖面以及帶有專家認識的綜合評價圖(如沉積環(huán)境區(qū)劃圖)等多源多類地質數(shù)據(jù)，使其按照實際空間位置展布在三維空間中。最后結合本文的關鍵技術，通過空間插值擬合地層格架面，并通過層面校正與體拓撲重構等技術方法，動態(tài)構建地層格架模型。根據(jù)后續(xù)需要，可依次構建地質時代模型→沉積相模型→精細巖土體模型，使其更好地支持后續(xù)的地質分析與應用。

圖6 知識驅動的多尺度三維地質體建模方法的整體實現(xiàn)流程

3 應用實例

本文依托于中國地質調查局試點項目“閩江口地區(qū)地質環(huán)境調查”，基本數(shù)據(jù)源為該項目開展過程中對研究區(qū)域內進行工程、水文、地熱地質調查所獲得的各類資料，具體包括鉆探數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)及剖面數(shù)據(jù)等。

3.1 研究區(qū)沉積環(huán)境分析

閩江口是福州市及其輻射經(jīng)濟區(qū)的總稱，處于閩江下游近入?？?，中生代火山巖及燕山期花崗巖構成了福州盆地的基底以及盆地周邊的山地。福州市坐落于閩江河口區(qū)內側的福州斷陷盆地第四紀沖積平原之上。自從中生代花崗巖侵入后，該盆地基底地殼長期處于上升剝蝕的狀態(tài)。直到晚更新世時期，盆地開始發(fā)生沉降，才開始充填并堆積第四紀沉積物。晚更新世以來，由于氣候的變化，海平面出現(xiàn)3次升降。海水的每次進退都對盆地的沉積環(huán)境產(chǎn)生過重要的影響，在不同時期形成了不同的沉積相和沉積體系。正是因為以上原因，造成福州盆地第四紀沉積比較復雜，陸相沉積和海相沉積交錯出現(xiàn)，第四紀蓋層很薄，平均在30～40 m左右，同一性質沉積物零碎且分散，這些都為巖性對比及后續(xù)的三維建模帶來了一定的困難。

依次對福州盆地各個時代做沉積環(huán)境分析，圈畫出不同時代沉積相及沉積微相的空間分布，矢量化提取沉積相邊界，并通過數(shù)據(jù)融合處理，使其與鉆孔及剖面一起參與到后續(xù)的三維地質建模中。

3.2 建模實例

整個研究區(qū)面積為1 587 km2，布設勘查剖面50條，其中南北向45條，東西向5條，用到鉆孔1 374個，平均鉆孔間距為1 km?？紤]到僅依靠剖面數(shù)據(jù)無法保證三維模型的精度，又規(guī)范化處理了1 149個鉆孔，和50條剖面一起參與到三維地質建模中。為了保證地表地形的精度，使用區(qū)域內5 m等高線擬合生成地表面。

結合地質專家認識，并根據(jù)城市地質實際需求，著重對第四紀沉積層進行精細建模，依次構建了地質時代模型、沉積相模型和精細巖土體模型(圖7,彩圖見封2)。其中，圖7a是該區(qū)域地質時代模型，從上到下依次為全新世上段(Qh3)、全新世中下段(Qh1-2)、更新世上段(Qp3)、更新世中段(Qp2)、更新世下段(Qp)和基巖。在時代模型的基礎上，對每一個時代體模型進行沉積相劃分，構建沉積相模型(圖7b)。從模型中可清楚地看出，由于海侵，在Qp3時期，研究區(qū)東部區(qū)域為海相沉積，主要為砂質潮坪相和泥質潮坪相。該模型還對古河道及河道砂、洪泛平原等都有清晰地刻畫。圖7c為更小區(qū)域的精細巖土體模型，按時代依次細化，總共17層，精細刻畫并可視化表達了區(qū)域內各時代巖土體空間分布狀況。

圖7 試驗區(qū)建模實例

對不同尺度的區(qū)域模型，可通過設置剖分網(wǎng)格間距來控制數(shù)據(jù)點密度，從而控制模型精度。本次建模中，對于較大范圍的時代模型和沉積相模型，網(wǎng)格間距為500 m，對于更小范圍的精細巖土體模型，網(wǎng)格間距20 m。所建模型從不同尺度、不同細節(jié)層次刻畫了區(qū)域內地下地質構造、沉積環(huán)境分布情況。尤其是第四紀沉積地層的精細刻畫，分層數(shù)較多，層與層之間形態(tài)各異，且同一層地層存在大量缺失，這都在一定程度上反映了該方法良好的建模質量和效果，驗證了該方法的準確性和穩(wěn)健性。

4 結論

本文面向三維城市地質調查工作，提出了一種知識驅動的多尺度三維地質體模型快速構建方法。所選研究區(qū)為中國福建省閩江口地區(qū)，結合地質工作人員的認識，繪制區(qū)域內50條地質剖面，和鉆孔數(shù)據(jù)一起參與到模型的構建中。同時，為了解決城市三維地質模型缺乏地質含義的問題，通過對研究區(qū)域進行盆地分析和古沉積環(huán)境分析，摸清了時代內沉積相和沉積微相的空間分布，從而使生成的模型既基于實際的鉆孔資料同時又具備真正意義上的帶有研究區(qū)域地質涵義。建立了多源多類數(shù)據(jù)的融合方法，使鉆孔、剖面、沉積相區(qū)劃邊界等不同來源、不同類型的數(shù)據(jù)有效地融合在一起。在此工作基礎上，運用Kriging插值、多約束條件Delaunay三角剖分算法，擬合生成地層格架面，并通過層面校正和體局部拓撲重構技術，生成符合要求的三維地質體模型。根據(jù)后續(xù)地質分析需要，動態(tài)生成多尺度構造-地層格架模型：時代模型→沉積相模型→精細巖土體模型。該方法已集成于地學信息系統(tǒng)QuantyView3D平臺中，所建模型滿足城市地質分析需求，進一步驗證了模型的有效性和該方法的健壯性。包含斷層、褶皺及倒轉等復雜地質結構模型的動態(tài)構建，以及地質知識在這些特殊情況下的表達與融合方法等，需要做進一步研究和討論。

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Knowledge-Driven Multiple Scale 3D Geological Modeling Method in Urban Geological Survey

CHEN Qi-yu1,LIU Gang1,2,WU Chong-long1,2,LI Xin-chuan1,ZHANG Zhi-ting1

(1.SchoolofComputerScience,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074;2.HubeiKeyLaboratoryofIntelligentGeo-InformationProcessing,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

3D urban geological survey has been a major part of the work of China Geological Survey in recent years.In the process of 3D urban geological modeling,the data are enormous and complex while the different application area require different precision.At present，3D geological modeling technology cannot well support the rapid modeling of complex geological structure,leading to the intricate modeling process and influencing the further geological analysis.In order to solve this problem,this paper proposes a rapid knowledge-driven multiple scale 3D geological modeling method according to 3D urban geological survey.Instructed by expert knowledge,the analysis of basin and sedimentary environment in the study area helps to build up the division standard of sedimentary stratum conforming to the urban geological requirement.Thereupon,a good knowledge of spatial distribution of sedimentary facies and sedimentary micro facies is obtained in the different geologic age.Based on the work above,the paper uses Kriging interpolation,multi-constraints Delaunay triangulation and surface topological reconstruction technology,to discuss the rapid modeling process adequately.This method has been applied in a pilot project "Investigation of Urban Geological Environment in Minjiang Port Area"which is launched by Geological Survey of China and it has been integrated in the QuantyView3D series application software in the geological and mineral field.These also show the availability and robustness of the proposed method.

3D geological modeling;knowledge-driven;tectonic-stratigraphic framework;topology reconstruction

2015-12-15；

2016-01-25

國家863計劃重點項目課題(2012AA121401)；國家自然科學基金面上項目(41172300)

陳麒玉(1990-)，男，博士研究生，主要從事三維地質建模、時空數(shù)據(jù)模型和GIS應用方面的研究和開發(fā)。*通訊作者E-mail:liugang67@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.04.003

P642；TP391；P208

A

1672-0504(2016)04-0011-06