城市地下空間三維地質(zhì)建模的研究及實(shí)現(xiàn)

田玉培 王 俊 劉文文

（1.河南省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展，優(yōu)化城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，改造提升中心城區(qū)功能，統(tǒng)籌規(guī)劃地上地下空間開發(fā)，可有效提升國土空間利用效率，是解決城市空間問題的有效途徑［1］。作為一種潛在的土地資源，地下空間是城市未來的一個(gè)重要發(fā)展方向［2］。構(gòu)建城市地下空間三維地質(zhì)模型和屬性模型，能夠直觀地展示地層、地下構(gòu)筑物、河道、水系等，進(jìn)一步與三維模型融合后，自動(dòng)展示地下空間資源質(zhì)量［3］。三維地質(zhì)模型快速、動(dòng)態(tài)、精細(xì)和全息構(gòu)建，奠定了三維可視化表達(dá)、分析、模擬、設(shè)計(jì)和決策基礎(chǔ)，可支持城市地下資源和空間評(píng)價(jià)、規(guī)劃、開發(fā)和利用，為地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害分析、評(píng)估、監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支持，促進(jìn)城市地質(zhì)調(diào)查工作，為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)行和智慧城市建設(shè)服務(wù)。

通過Quanty View 三維建模軟件，建立城市地下50 m 以內(nèi)的可視化三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。利用研究區(qū)現(xiàn)有的工程勘察地質(zhì)鉆孔，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化入庫，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而繪制二維剖面線、構(gòu)建三維地質(zhì)模型。以信陽市浉河區(qū)城市地下空間三維模型項(xiàng)目為依托，從三維模型的構(gòu)建方法、技術(shù)路線及城市地下資源和空間評(píng)價(jià)、規(guī)劃、開發(fā)和利用等方面進(jìn)行論述。

1 地下空間三維建模方法

三維地質(zhì)建模方法有2 種，表面建模和內(nèi)部建模，前者利用地質(zhì)剖面（包括平行剖面和交叉剖面）或離散點(diǎn)數(shù)據(jù)來自動(dòng)或半自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維地學(xué)模型表面數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維地質(zhì)建模；后者先利用物探、鉆探、推算等手段獲得一組地質(zhì)體表面上的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)面擬合或空間內(nèi)插的方法獲得地質(zhì)體表面。根據(jù)三維地質(zhì)體特征，采用屬性插值、地質(zhì)解譯、評(píng)估分析、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)等方法建立三維地學(xué)模型［4-6］。

Quanty View 是面向地學(xué)分析及相關(guān)專業(yè)分析的三維交互式可視化建模軟件。它采用表面模型與體數(shù)據(jù)模型結(jié)合的建模方式，以地質(zhì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的表面不規(guī)則三角網(wǎng)格和四面體作為建?；締卧?，對(duì)城市地下空間進(jìn)行空間離散，建立體元間的空間拓?fù)潢P(guān)系。同時(shí)針對(duì)地下空間數(shù)據(jù)樣本少的特點(diǎn)，系統(tǒng)提供包括反距離加權(quán)插值法、徑向基函數(shù)插值法、全局多項(xiàng)式插值法、2D Kriging、3D Kriging等插值算法。針對(duì)不同數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用合適的空間插值算法重建城市地下空間三維模型［7］。

自上世紀(jì)70年代以來，開展了覆蓋研究區(qū)的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、1∶20 萬水文地質(zhì)調(diào)查、1∶5 萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查以及超過1 000 項(xiàng)的工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)（巖土工程）勘察工作，積累了多源、多類、多維、海量、多尺度、多時(shí)態(tài)的城市地質(zhì)數(shù)據(jù)特征，為地下空間三維地質(zhì)建模提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模包括三維構(gòu)造—地層格架建模和基于構(gòu)造—地層格架模型的精細(xì)結(jié)構(gòu)建模。本研究課題采用的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法主要有剖面建模法和鉆孔自動(dòng)建模法，結(jié)合2種建模方法和空間矢量剪切技術(shù)，構(gòu)建多層次、多尺度的三維地質(zhì)體模型。

2 數(shù)據(jù)集成與模型構(gòu)建技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)集成

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)方法

鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的主要依據(jù)［8］，鉆孔數(shù)據(jù)主要來源于研究區(qū)的已有工程勘察鉆孔資料。研究團(tuán)隊(duì)采取由內(nèi)及外的資料收集方法收集勘察鉆孔資料。首先基于本單位檔案室豐富的工程地質(zhì)勘察資料，篩選出研究區(qū)范圍內(nèi)的勘察報(bào)告；對(duì)于鉆孔資料大面積空白區(qū)，到當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)行政主管部門、審圖中心和本地區(qū)同行勘察單位進(jìn)行查閱。項(xiàng)目研究區(qū)位于老城區(qū)，工業(yè)與民用建筑密集，工程勘察鉆孔資料豐富，有利于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)。但館藏勘察資料時(shí)間跨度大，建筑物已拆遷或后期更名，且大部分鉆孔沒有提供有效坐標(biāo)，導(dǎo)致部分鉆孔位置難以準(zhǔn)確定位。針對(duì)上述存在的問題，由經(jīng)驗(yàn)豐富的勘察人員核實(shí)、到實(shí)地核查。對(duì)于上世紀(jì)八九十年代缺少坐標(biāo)信息且位置信息不明確的鉆孔，結(jié)合老地籍圖和新地籍圖上的地名信息進(jìn)行驗(yàn)證。最終篩選出經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的800 多個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。針對(duì)鉆孔空白區(qū)，按照豎向連接、橫向擬合、縱向推定的三維分層方法，推定了部分虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，使構(gòu)建的三維模型能夠更加客觀真實(shí)。

數(shù)據(jù)庫是三維地質(zhì)建模的核心，研究區(qū)采用Quanty View 三維地質(zhì)建模系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)研究區(qū)地層情況編輯標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)編碼，修改地質(zhì)符號(hào)庫，連接服務(wù)器，導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)。本軟件同時(shí)具備導(dǎo)入及識(shí)別有誤鉆孔數(shù)據(jù)的功能，可對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)。如果生成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)文本，可采用導(dǎo)入數(shù)據(jù)—修改數(shù)據(jù)—導(dǎo)入數(shù)據(jù)循環(huán)修改，直至數(shù)據(jù)全部合格，建立完成真實(shí)有效的數(shù)據(jù)庫。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)地層劃分

標(biāo)準(zhǔn)地層劃分是構(gòu)建三維模型不可或缺的基礎(chǔ)性工作［9］。本次收集研究區(qū)的地質(zhì)資料時(shí)間跨度大，地層分布復(fù)雜，第四紀(jì)松散地層新老名稱交互使用，利用數(shù)據(jù)建庫，需建立統(tǒng)一的地層表。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合1∶5 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、1∶20 萬水文地質(zhì)調(diào)查、1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查以及工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)（巖土工程）勘察等基礎(chǔ)資料，綜合分析本研究區(qū)的地形地貌和地層分布情況，重點(diǎn)考慮巖土體的地質(zhì)時(shí)代、類別、成因、巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)、厚度和空間分布規(guī)律等因素，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地層劃分。按照巖土命名規(guī)范統(tǒng)一定名，對(duì)于巖土定名與新規(guī)范定名不相符的，根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及原位測(cè)試成果對(duì)比分析進(jìn)行初步定名。另外結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和周邊已經(jīng)確定的地層分布情況，多次復(fù)核，將地層的新舊定名進(jìn)行統(tǒng)一，最終劃分為14個(gè)工程地質(zhì)層組。

2.2 三維模型構(gòu)建技術(shù)路線

地下空間三維建模技術(shù)路線有2種：一是基于鉆孔的地質(zhì)體建模，利用鉆孔數(shù)據(jù)直接進(jìn)行建模［10］；二是基于剖面的地質(zhì)體建模，鉆孔為基本的控制依據(jù)，利用剖面數(shù)據(jù)生成地層界面，再和鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行建模。本項(xiàng)目是基于剖面建模，建模的思路是根據(jù)兩個(gè)地層線圈，可以先在2 個(gè)線圈之間圍成1 個(gè)多邊形面，再用線圈分別生成2 個(gè)面，以此來圍成1 個(gè)封閉的多面體空間，即可生成多面體。

針對(duì)老舊資料的特點(diǎn)，本次工作提出的建模方法的流程：基于行政區(qū)圖和地形圖進(jìn)行地名匹配→鉆孔信息提取→標(biāo)準(zhǔn)化→結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)→制定勘探線布置圖→自動(dòng)生成系列剖面→提取地層分界線→地層分界面→成體→輔助剖面進(jìn)行體的編輯和校正，最終形成符合技術(shù)要求的三維模型。

3 研究區(qū)成果

信陽市城市地下空間三維立體模型構(gòu)建研究區(qū)使用的數(shù)據(jù)由河南省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院提供，主要包括鉆孔數(shù)據(jù)、鉆孔分層數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等。研究區(qū)位于信陽市浉河區(qū)的中心城區(qū)內(nèi)，西起雞公山大街（老107國道），北至新七大道（通往高鐵站），北、東以京廣鐵路為界，南、東以大拱橋路為界，南、西止于浉河北岸，提供鉆孔800 個(gè)，鉆孔覆蓋面積10 km2（圖1）。研究區(qū)采用Quanty View 三維建模軟件進(jìn)行三維建模，是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高功能、高可用性的三維可視化地質(zhì)信息系統(tǒng)平臺(tái)，滿足了城市地下空間開發(fā)利用的需要。

3.1 多源數(shù)據(jù)建模三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的鉆孔散點(diǎn)數(shù)據(jù)和Quanty View 二維平臺(tái)上繪制的地層分界線數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，生成預(yù)備數(shù)據(jù)，按實(shí)際位置展布在三維空間；運(yùn)用空間插值算法對(duì)預(yù)備數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，生成Grid 網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行三角剖分，生成Tin 曲面；對(duì)上下層面交錯(cuò)的情況，根據(jù)局部拓?fù)渲貥?gòu)進(jìn)行校正，然后依次按上下層面生成地層體模型，并清除地層零厚度位置；運(yùn)用矢量剪切對(duì)地層體模型按照不同劃分方法細(xì)化，并按照巖性或者其它標(biāo)準(zhǔn)賦予不同的屬性信息；最后用地表剪切所有體模型，并在地表曲面上貼研究區(qū)域遙感影像圖。建立的三維地質(zhì)模型如圖2所示。

從三維地質(zhì)模型能看出研究區(qū)地層主要為第四系沖洪積黏性土、粉土及砂礫石層，下伏泥質(zhì)砂巖、片巖等基巖層。研究區(qū)覆蓋層厚度<50 m。

信陽市浉河區(qū)研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型爆炸顯示模式如圖3所示。

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型爆炸圖更加直觀地在空間上展示出第四系地層上細(xì)下粗沉積韻律及各巖土層的空間分布、厚度，可在空間上對(duì)比各地層和巖性的變化。

信陽市浉河區(qū)研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行剖切分析，得到對(duì)應(yīng)的地質(zhì)剖面（圖4）。

通過2 點(diǎn)間直線剖切、多點(diǎn)連線折線剖切，可任意觀察到目的路線的地層情況，為地下空間開發(fā)規(guī)劃及施工提供地質(zhì)依據(jù)（可用于市政道路管線、工程勘察的初步勘察）。

3.2 地下空間開發(fā)利用評(píng)價(jià)

研究區(qū)為老城區(qū)，利用地下空間起步較早，但開發(fā)利用程度較低，主要集中在商場、儲(chǔ)物間、停車場、人防工程、市政基礎(chǔ)設(shè)施等?？晒╅_發(fā)利用的地下空間容量較大，但受地表已有建（構(gòu)）筑物的限制和地下水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件的影響，需對(duì)地下空間開發(fā)利用的可行性進(jìn)行分析。

地質(zhì)條件決定了地下空間開發(fā)的深度與難度。信陽市地處大別山北麓的山前盆地，城市依河而建，河流兩岸的工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。研究區(qū)地貌由河流階地過渡到丘陵，地質(zhì)條件也隨之呈漸變之勢(shì)。根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、地下空間開發(fā)利用的可行性及難易程度分為3個(gè)區(qū)（圖5）。不同區(qū)因地層巖土工程性質(zhì)不同和含水性質(zhì)不同，可供地下空間開發(fā)利用的地層、埋深均有差別。對(duì)研究區(qū)各分區(qū)開發(fā)利用建議如下。

一區(qū)主要為浉河河漫灘分布區(qū)，地層上部松散堆積地層主要為砂礫石土，厚度10.0 m 左右，下部基巖絕大部分為白堊系紅砂巖。該區(qū)鄰近浉河，地下水埋藏淺且豐富。若開發(fā)利用地下空間，施工降水量和防水維護(hù)的成本較高，在目前的經(jīng)濟(jì)條件下暫定為不適宜區(qū)。但該區(qū)富含地下水，比較適宜淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。本區(qū)可進(jìn)行地下管道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及不超過一層的地下工程（停車場、人防）。

二區(qū)第四系松散地層埋藏厚度較大，土層強(qiáng)度較低；地下水埋藏較淺，屬中等富水區(qū)；工程地質(zhì)條件一般，較適宜開發(fā)利用地下空間，適宜淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。本區(qū)可進(jìn)行商業(yè)、管廊、地下軌道工程。

三區(qū)地層分布簡單，上部為Q4、Q3 的黏性土，其下為基巖；巖土層工程性質(zhì)良好，地下水位雖然埋藏較淺，但地層含水性較差，地下水量有限，屬地下空間開發(fā)利用適宜區(qū)。本區(qū)適合進(jìn)行多種類、多維度地下工程。

4 結(jié)語

（1）首次對(duì)信陽市老城區(qū)第四系地層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分層，對(duì)老城區(qū)地層有了更深的認(rèn)識(shí)，并為研究區(qū)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察提供借鑒和指導(dǎo)。

（2）構(gòu)建了研究區(qū)地下空間三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為信陽市老城區(qū)城市立體發(fā)展和地下空間安全開發(fā)利用提供必要的基礎(chǔ)性資料。

（3）通過分析研究區(qū)三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了城市地下空間各要素的綜合評(píng)價(jià)，對(duì)研究區(qū)地下空間的開發(fā)利用提出可行性建議。