三維地質(zhì)建模方法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應用研究

易宗旺，胡力心，陳彬彬，鄧 帆

（1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，重慶 401120；2.重慶郵電大學 計算機科學與技術學院，重慶 400065）

傳統(tǒng)的地質(zhì)信息是基于二維形式如地質(zhì)平面圖、剖面圖來表達[1]，不能直觀地對地質(zhì)關系進行展示,也容易造成某些特殊地質(zhì)信息的缺失。隨著地學信息化的發(fā)展，數(shù)學地質(zhì)正向“數(shù)字地質(zhì)”發(fā)展[2]。人們開始關注含有豐富地質(zhì)地貌等信息的三維地質(zhì)模型[3]。

目前常見的三維地質(zhì)建模方法主要有地質(zhì)填圖（point routing boundary，PRB）數(shù)據(jù)建模、鉆孔數(shù)據(jù)建模[4]、三維地震資料建模、剖面數(shù)據(jù)建模[5]以及多源數(shù)據(jù)融合建模[6]等。前4種建模方法為單一數(shù)據(jù)建模方法，不能夠充分地顯示出地質(zhì)要素之間的關系。而多源數(shù)據(jù)融合建模方法基于地質(zhì)、物探、化探、遙感等數(shù)據(jù)，所構建的模型準確性高，是三維地質(zhì)建模的主要發(fā)展趨勢[7]。

伴隨著三維建模技術的日益成熟，建模軟件也應運而生，并且在各個領域中取得了很大的成果。GoCAD 軟件具有強大的三維建模、可視化、地質(zhì)解釋和分析的功能[8]。但GoCAD 按年授權，價格昂貴，且功能繁雜，需要一定的時間熟悉并學會使用該軟件，前期準備所需時間較長，人力成本、時間成本過高。三維地質(zhì)建模系統(tǒng)（Geo-BIM）是專門根據(jù)地質(zhì)工程專業(yè)特點研發(fā)的三維建模軟件。GeoBIM 集成了常用CAD軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、GIS軟件和三維可視化與三維分析軟件的優(yōu)秀功能，實現(xiàn)了地質(zhì)勘察、設計的三維可視化和信息化。GeoBIM 功能豐富，中文界面友好，具有較高的安全性。GeoBIM 支持多人任務同時進行，人員協(xié)作完成項目，可以節(jié)約大量的人力、時間成本，極大地提高工作效率。

本研究主要以重慶市潼南區(qū)為例，在利用GeoBIM 平臺進行多源數(shù)據(jù)處理、空間建庫等基礎上，建立地表三維模型與地下三維模型，探索面向區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的三維地質(zhì)建模工作方案與方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)域為重慶市潼南區(qū)。潼南區(qū)被列為第三批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點地區(qū)，其地質(zhì)圖如圖1所示。該區(qū)域?qū)倥璧販\丘地貌，地勢平坦，海拔高度300～450 m，相對高度在50～100 m。地貌以丘陵為主，局部為河谷、臺地，可開發(fā)利用空間廣闊。涪江、瓊江貫穿該區(qū)域，水資源非常豐富，礦產(chǎn)以天然氣和巖鹽為主。

圖1 重慶市潼南區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of Tongnan of Chongqing

研究區(qū)地層區(qū)劃屬羌塘—揚子—華南地層大區(qū)、揚子地層區(qū)、四川盆地地層分區(qū)之榮昌地層小區(qū)，僅出露中、新生界地層，為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組二段、上統(tǒng)遂寧組及第四系。地表出露地層均為沉積巖，區(qū)內(nèi)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組二段、上統(tǒng)遂寧組及第四系。研究區(qū)大地構造屬上揚子陸塊之川中前陸盆地潼南穹褶束，區(qū)內(nèi)構造簡單，主要為龍鳳場向斜和中心鎮(zhèn)背斜。

2 三維地質(zhì)建模

2.1 三維地質(zhì)建?？傮w思路

三維地質(zhì)建模的總體工作流程如圖2所示。首先收集資料并進行整理，將有用的信息，如鉆孔數(shù)據(jù)等，錄入數(shù)據(jù)庫。其次建立模型，包括地表三維模型和地下三維模型，并分開進行建模工作。最終得到三維地質(zhì)模型、模型數(shù)據(jù)庫與成果圖件。

圖2 三維地質(zhì)建模工作流程圖Fig.2 Workflow of 3D geological modeling

2.2 多源數(shù)據(jù)收集和預處理

進行三維建模工作，首先需要通過實地調(diào)查測量、多部門跨領域收集資料。收集到的資料主要包含地形測量類、地質(zhì)測繪類、工程勘察類、地質(zhì)災害類、物化遙資料，以及其他輔助資料。

收集的資料繁多來源不同，格式不一樣，時間不同，坐標系統(tǒng)、投影參數(shù)、比例尺不統(tǒng)一[9]。通過人工整理，將有用的文檔、圖片、圖件，如遙感圖像、地形圖、地質(zhì)圖、鉆孔資料等進行分類，主要分為平面地質(zhì)圖、剖面圖、鉆孔資料、地形圖、遙感圖像。對整理出來的地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理。將鉆孔圖中的數(shù)據(jù)錄入Excel 表，并保存以方便后續(xù)工作的開展。主要對地形數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)進行處理。

整理得到的地形等數(shù)據(jù)是二維的，通過處理對具有等密度性質(zhì)的等高線賦高程屬性值以此來進行三維化處理。根據(jù)地形結(jié)構特征和區(qū)域大小來繪制原始地形等高線圖，通過高程的屬性賦值后轉(zhuǎn)成建模軟件可使用的DXF 格式并且導入Geo-BIM軟件中，研究區(qū)等高線圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)等高線圖Fig.3 Contour map of the research area

對于獲取的遙感影像主要在ENVI 5.3 與Arc-GIS 10.0中進行圖像預處理，包括輻射定標、大氣校正、幾何校正和地理空間坐標的配準等。其中，大氣校正采用ENVI 自帶的Flaash 模型，可以有效去除水蒸氣、氣溶膠散射與鄰近效應的影響。地理空間坐標的配準通過ArcGIS 利用空間校正方法讓遙感影像與DEM 的位置配準，使兩者具有統(tǒng)一的空間坐標系。利用ENVI 5.3軟件對處理后的遙感影像進行裁剪，得到適合研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)。

鉆孔主要揭露地下深部地層和地質(zhì)構造，整理出來的鉆孔數(shù)據(jù)主要用于空間數(shù)據(jù)庫建庫。將每個鉆孔的巖性分段數(shù)據(jù)單獨提取出來，匯總到一起。剖面數(shù)據(jù)是從地質(zhì)圖上面提取的，采用人工操作，由地質(zhì)專業(yè)人員結(jié)合實際的基巖厚度進行分層處理。

2.3 空間數(shù)據(jù)庫建庫

對地勘資料進行整理歸類，整理出來的地勘資料共包含工程地質(zhì)剖面圖41 幅（比例尺為1∶200），勘探點（鉆孔）103 個，鉆孔柱狀圖103幅，其巖性主要為第四系素填土、粉質(zhì)黏土以及侏羅系泥巖等。

將篩選整理出來的鉆孔、地層巖性等信息整理錄入Excel 表中。鉆孔信息表主要含有鉆孔編號、鉆孔深度、鉆孔坐標、孔徑高程、鉆孔時間等信息。鉆孔分層表主要含有鉆孔編號、泥層代號、泥層深度、強風化深度、中風化深度、鉆孔所屬區(qū)域等。將之前整理好的數(shù)據(jù)錄入GeoBIM 的數(shù)據(jù)庫。

2.4 三維模型建立

2.4.1 地表三維模型建立

地表三維模型建立是先將預處理后的地形數(shù)據(jù)以DXF格式導入GeoBIM中，經(jīng)過計曲線高程差與首曲線高程差的設置、繪曲線高程差以及等高線的光滑程度的調(diào)整，由此生成潼南區(qū)內(nèi)研究范圍的地表DEM，疊加遙感影像生成地表三維模型，如圖4所示。

圖4 潼南地表DEM疊加遙感影像模型Fig.4 Model of surface DEM overlaid with remote sensing image for Tongnan of Chongqing

2.4.2 地下三維模型建立

地下三維建模與地表的三維建模技術有很大的不同[10]。地下三維模型的建立主要是對整個研究區(qū)域內(nèi)的地層（巖層）進行劃分，并主要利用曲面剪切與規(guī)則造面等的方法完成地下建模。

主要利用基巖的圖切剖面與地質(zhì)約束界線等地質(zhì)數(shù)據(jù)構建三維地層模型，即“圖切剖面+地質(zhì)約束界線——地層實體”的思路。首先從地質(zhì)圖提取出地形等高線，預處理后導入軟件，根據(jù)地形實際情況結(jié)合圖切剖面與約束界線建立地下三維模型。具體過程是先將圖切剖面正確放置相應位置，可根據(jù)獲取圖切剖面的端點坐標并在模型中建立鉆孔線后生成勘探線，把預處理后的圖切剖面導入相應正確的位置。將每層的圖切剖面線條與相應層的地質(zhì)約束界線以規(guī)則造面的方法擬合成面，從而建立相應層的基巖面。最后通過第四系約束界線裁剪地形面提取覆蓋層上表面，根據(jù)勘探資料擬合具有相應高程的覆蓋層下表面，并且以面面合并的方式形成覆蓋層。

利用基巖約束界線裁剪相應層的遂寧層、砂體層、沙星層的基巖面，并且根據(jù)基巖的實際初露情況來圍合每層的基巖面，再通過圍合面轉(zhuǎn)體即可構建出含體屬性的每一層基巖。潼南區(qū)內(nèi)研究范圍的全局三維模型如圖5所示，地下三維模型局部側(cè)面圖如圖6所示。

圖5 潼南區(qū)域全局三維模型Fig.5 Global 3D model of Tongnan of Chongqing

圖6 潼南區(qū)地下三維模型局部側(cè)面圖Fig.6 Local lateral profile of 3D underground model in Tongnan of Chongqing

2.4.3 三維地質(zhì)建模過程中的技術難點與解決方法

在各基巖面擬合時，由于初始建模時圖切剖面網(wǎng)格間距較大，因此偏離約束界線控制的范圍，擬合出來的效果不理想，如圖7所示，這將會導致基巖面之間在局部區(qū)域出現(xiàn)穿插情況，可以通過簡單輔助剖面方法加密局部區(qū)域，使穿出上表面的基巖面能夠較好地擬合下去。另一方式就是在偏離約束界線控制較遠地區(qū)域另加多條圖切剖面，提高局部網(wǎng)格精度從而減少基巖穿插的情況發(fā)生，如圖8所示。

圖7 局部區(qū)域上下表面穿插情況Fig.7 Interlacement of upper and lower surfaces in local areas

圖8 加密剖面擬合穿插層面Fig.8 Fitting interpolation layer of encrypted profile

在構建基巖圍合面的過程中，會因為基巖上下兩個表面形狀復雜而導致計算機運算時無法較好地構建三角網(wǎng)，因此使用兩面圍合功能生成的圍合面效果不理想，如圖9所示?？梢酝ㄟ^上下兩個表面取邊界線再加密，并且在上下兩條線段密集的拐點處分別打斷，保持兩條線段的點順序一致后再封閉，這樣計算機才能夠較好地連接兩條邊界線的點，從而形成較為準確的圍合面，如圖10所示。

圖9 異常圍合面Fig.9 Abnormal enclosure of surfaces

圖10 正確的圍合面Fig.10 Correct enclosure of surfaces

3 三維模型分析

隨著三維建模技術的發(fā)展，越來越多的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)在相關行業(yè)中發(fā)揮著作用[11]。三維模型分析，可以直觀地反映研究范圍內(nèi)的地質(zhì)體之間的關系，方便專業(yè)人員與非專業(yè)人員進行下一步的研究。模型分析包括多截面分析、平切剖面分析、虛擬鉆孔分析、豎直剖面分析等。

通過對潼南區(qū)靶區(qū)的平切剖面分析，可以直觀地了解所在區(qū)域的地質(zhì)體的空間展布情況，獲得所在區(qū)域的地質(zhì)情況。潼南區(qū)靶區(qū)平切剖面圖見圖11。

通過對局部區(qū)域的三維地質(zhì)豎直剖面分析，可以直觀地獲得局部區(qū)域的地質(zhì)情況，為初步判斷區(qū)域的巖體類別提供依據(jù)。局部區(qū)域的豎直剖面分析圖見圖12。

圖11 潼南區(qū)靶區(qū)平切剖面圖Fig.11 Planar section of the target area in Tongnan of Chongqing

圖12 局部區(qū)域的豎直剖面分析Fig.12 Vertical section analysis of local areas

三維建模具有強大的可視化功能，利用三維地質(zhì)模型，以及三維模型分析功能，專業(yè)地質(zhì)人員或者非專業(yè)地質(zhì)人員能夠?qū)θS空間中地質(zhì)體間的各種關系有更加直觀的理解，并進一步延伸地質(zhì)信息服務功能。

4 結(jié)語

本研究闡述了三維地質(zhì)建模的總體思路和方法，以探索三維建模技術在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應用，主要工作如下：

（1）以重慶市潼南區(qū)為例，利用三維地質(zhì)建模系統(tǒng)GeoBIM，在多源數(shù)據(jù)處理、空間建庫等基礎上，建立地表三維模型與地質(zhì)三維模型，探索并闡述了一種面向區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的三維地質(zhì)建模工作方案。

（2）針對GeoBIM 建模過程中遇到的局部區(qū)域上下表面穿插、圍合面異常等技術難點，提出了相應的解決方法。

（3）對潼南區(qū)域靶區(qū)進行了平切剖面分析、豎直剖面分析等，方便相關人員對三維空間中地質(zhì)體間的各種關系有更直觀的理解。