多源數(shù)據(jù)融合的三維地質(zhì)模型的研究與構(gòu)建

姜靈芝 應(yīng)曉菲

（廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山 528000）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一方面，城市建設(shè)導(dǎo)致了地面沉降、地面塌陷、地下水資源緊缺、土壤和地下水污染等各種城市地質(zhì)問題，成為制約和影響城市可持續(xù)與安全發(fā)展的主要因素之一；另一方面，當(dāng)城市建筑越來越多，位置要求越來越精確，地下地質(zhì)信息的完備和準(zhǔn)確，對于城市的發(fā)展規(guī)劃、設(shè)計、施工以及地下空間開發(fā)利用等方面的作用至關(guān)重要［1］。

完成城市地質(zhì)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和三維建模，提供豐富的三維地質(zhì)模型和二三維空間分析功能，二維、三維地質(zhì)成果有機(jī)結(jié)合，地下、地表、空中一體化展示，建成面向?qū)I(yè)研究的基礎(chǔ)工作平臺、面向政府規(guī)劃管理的立體可視化決策支撐平臺、面向社會公眾的地質(zhì)信息共享服務(wù)平臺［2］，能很好地解決城市發(fā)展帶來的地質(zhì)方面問題，能有力促進(jìn)城市的發(fā)展。

2 三維地質(zhì)建模方法研究

2.1 建模數(shù)據(jù)的處理

三維建模前期數(shù)據(jù)包括各類地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、試驗測試數(shù)據(jù)、地下空間調(diào)查數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)整理工作包括鉆孔數(shù)據(jù)整理入庫、屬性數(shù)據(jù)入庫、鉆孔時代、分層、巖性等標(biāo)準(zhǔn)化、鉆孔坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化等工作。

（1）鉆孔數(shù)據(jù)錄入 ：研發(fā)相應(yīng)軟件對鉆孔數(shù)據(jù)（工程信息、鉆孔信息、分層信息、實(shí)驗測試數(shù)據(jù)）進(jìn)行錄入，整理并錄入工作區(qū)內(nèi)鉆孔（參與三維建模 ）。

（2）統(tǒng)一坐標(biāo)系 ：由于收集的鉆孔資料在坐標(biāo)系、高程系、數(shù)據(jù)類型方面各不相同，需要將不同種類的坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系。

（3）將鉆孔時代成因、巖土名稱、巖土描述標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體建模

多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體快速建模的主要思想是集鉆孔、剖面、平面圖等各種多源數(shù)據(jù)于一體，充分利用已知的數(shù)據(jù)源，結(jié)合地質(zhì)學(xué)的規(guī)律和數(shù)學(xué)算法，模擬位置區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而建立整個區(qū)域的地質(zhì)模型。該方法不僅大大降低了半自動建模的繁瑣程度，節(jié)省了半自動建模時間，還兼顧了模型的準(zhǔn)確性，可大大提高建模效率。

以佛山南海區(qū)為例，該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在很多山區(qū)溶洞等多種復(fù)雜地質(zhì)體。根據(jù)這個結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用北京航空大學(xué)組織開發(fā)的深探地學(xué)建模軟件。該軟件具有原始剖面導(dǎo)入、鉆孔管理、斷面層建模、地層建模、透鏡體建模、斷塊建模等功能，優(yōu)勢在于可以處理任意復(fù)雜的斷層、地層不整合面，以及嵌入體等復(fù)雜地質(zhì)情況，使用戶避免因建模軟件技術(shù)能力不足，而簡化價格不菲的地質(zhì)資料來建三維地質(zhì)模型的弊端。此外，所建三維地質(zhì)模型可以無簡化地進(jìn)行網(wǎng)格剖分，使屬性插值結(jié)果更加準(zhǔn)確。

結(jié)合該軟件特點(diǎn)，針對工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等簡單層狀地質(zhì)體，采用“鉆孔-剖面/等值線-地層實(shí)體”構(gòu)模的整體建模思路，利用所有地層界面共享的網(wǎng)格模板來構(gòu)建各個地層面，再根據(jù)建模范圍和精度（網(wǎng)格間距）要求生成地形網(wǎng)格，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中提取鉆孔點(diǎn)位和分層信息，疊加等值線數(shù)據(jù)，生成地層面強(qiáng)約束點(diǎn)；從剖面中提取有關(guān)地層邊界線信息，基于地形網(wǎng)格應(yīng)用這兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算，構(gòu)造各地層面模型，最后根據(jù)地層之間的疊覆關(guān)系等地質(zhì)信息生成地層實(shí)體模型［3］。同時，對于地表模型可添加地形約束，構(gòu)建出真實(shí)地形地貌單元的地質(zhì)模型。地質(zhì)模型建立后可以不斷添加各種約束數(shù)據(jù)，指定約束數(shù)據(jù)的影響范圍，對地質(zhì)模 型進(jìn)行反復(fù)重構(gòu)更新，從而更精確地表達(dá)真實(shí)的地質(zhì)形態(tài)。多源數(shù)據(jù)耦合建模思路如圖1 所示。

圖1 多源數(shù)據(jù)耦合建模思路

多源數(shù)據(jù)耦合建模是指用各種來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)建模，包括地球物理數(shù)據(jù)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)剖面、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)、基巖埋深等值線數(shù)據(jù)、基巖出露區(qū)、等高線數(shù)據(jù)等。

2.3 斷層建模

一般情況下，斷層數(shù)據(jù)的來源有兩類，一類來源于地震解釋系統(tǒng)，斷層數(shù)據(jù)為整個斷層面；另一類來源于其他建模軟件，如：Petrel、RMS 等，數(shù)據(jù)并非全部斷層，而是目的層范圍內(nèi)的斷層數(shù)據(jù)。

在建立斷層模型之初，先根據(jù)斷層數(shù)據(jù)情況判斷一個最小二乘面，定位斷面位置。所謂的最小二乘面是滿足所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到該面的距離之和最短。

對于整體斷層數(shù)據(jù)來講，最小二乘面和實(shí)際斷面傾向基本吻合，而目的層斷層數(shù)據(jù)的分布往往呈條帶狀，這種情況計算的最小二乘面往往是水平面（如圖2a 所示），而非斷層傾向方向的最小二乘面（如圖2b所示），需要人機(jī)交互進(jìn)行編輯。

圖2 整體斷層數(shù)據(jù)和局部斷層數(shù)據(jù)

2.4 地層建模

以斷層模型為約束，建立地層模型用于描述地質(zhì)體界面形態(tài)、相互關(guān)系。

1)船舶減速會增加船舶占用航道的時間，后續(xù)船舶受船舶隊列順序的制約，造成船舶通航時間的延誤，航道的利用率下降。

（1）地層的生成

地層的生成有四種方法 ；最小曲率法、巖丘圈閉法、反距離加權(quán)法和克里金方法，各種方法的適用情況和特點(diǎn)有所不同，建模時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

（2）處理地層不整合接觸（尖滅、超覆）

地層之間如果存在不整合接觸，往往需要操作者根據(jù)地質(zhì)認(rèn)識處理地層形態(tài)，得到正確的地層體模型。軟件是通過人機(jī)交互指定不整合地層之間的主輔關(guān)系，用主地層裁剪輔地層網(wǎng)格，達(dá)到表達(dá)不整合層面的目的。因此，正確指定地層之間的主輔關(guān)系，對地層劃分空間和正確的網(wǎng)格裁剪起決定作用。

地層劃分空間的原理：工作區(qū)中包含H1、H2 和H3 三套地層，構(gòu)造特征如圖3 所示，H2 尖滅于H1，H3 與H2 整合接觸，H2 為H1 的輔地層。

圖3 工作區(qū)中的地層及地層體

先判斷是否存在地層主輔關(guān)系，主地層優(yōu)先劃分空間。H1 地層先將工區(qū)上下一分為二，將a 空間與b1、b2、c 和d 分隔開來；由于H2 屬于H1 輔地層，暫不考慮，H3在H1地層空間劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分，將b1、b2、c 和d 空間上下一分為二，將d 空間與b1、b2 和c 空間分隔開；最后考慮H2 地層，對b1、b2 和c 空間劃分，將c 空間與b1 和b2 空間分隔開。根據(jù)這樣的空間分隔原理，生成地層體，得到a 空間為地表的地層體，b1 和b2 空間為H1 的地層體，c 空間為H2 的地層體，d 空間為H3 與基底的地層體。

指定地層主輔關(guān)系是地層存在尖滅、超覆、侵入巖等不整合情況時需要處理的，通過指定地層主輔關(guān)系，用軟件正確裁剪輔地層網(wǎng)格面并進(jìn)行空間劃分，如圖4 所示。

圖4 指定地層主輔關(guān)系

3 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

3.1 結(jié)構(gòu)建模

先導(dǎo)入所有建模需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)置好工區(qū)范圍、網(wǎng)格大小等，創(chuàng)建好初始模型，然后根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)生成斷層模型，再在斷層模型的約束下依據(jù)地層數(shù)據(jù)生成地層模型，最后生成地層體完成初始模型的建立。初始模型生成之后需要進(jìn)行檢驗和校正，檢驗其是否與原始數(shù)據(jù)相吻合，是否符合地質(zhì)規(guī)律。如果檢驗時發(fā)現(xiàn)問題，需要回到斷層和地層建模環(huán)節(jié)，進(jìn)行迭代更新。

通過鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建設(shè)，具體工作流程如圖5 所示。

結(jié)構(gòu)模型結(jié)合剖面數(shù)據(jù)和地質(zhì)圖數(shù)據(jù)進(jìn)行建模工作，模型按地質(zhì)時代劃分地層，并按新舊順序排列。斷層建模前需要先導(dǎo)入斷層數(shù)據(jù)，一般情況導(dǎo)入的斷層數(shù)據(jù)為斷層格式。如果斷棱數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行拆分和命名，則需要先對斷層進(jìn)行拆分和命名，然后軟件根據(jù)斷層數(shù)據(jù)范圍自動計算斷層的邊界，一鍵式生成全部斷面。初始生成的斷面由于異常數(shù)據(jù)的影響，一般會形態(tài)異常，需要人機(jī)交互通過編輯斷棱、編輯邊界等操作進(jìn)行修正，再通過指定相交斷層之間的關(guān)系，做斷層削截處理。通過剖面數(shù)據(jù)對地層和斷層進(jìn)行約束，剖面數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，在三維模型里顯示。

圖5 城市地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型建設(shè)流程

地層建模前需要先導(dǎo)入地層數(shù)據(jù)，地層數(shù)據(jù)往往是離散點(diǎn)格式，每個地層會在地層集下掛出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。三維建模軟件會在斷層的約束下生成地層面，層面的范圍為建模初設(shè)的模型邊界范圍。初始生成的地層面可能會有局部異常，多是地層數(shù)據(jù)問題或斷層形態(tài)異常引起，需要使用恰當(dāng)?shù)膶Σ呓鉀Q相應(yīng)的問題。完成層面異常修正后，需要對地層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，使地層節(jié)點(diǎn)的順序與實(shí)際地層的沉積次序相符，否則和沉積次序不符的地層體將無法生成。如果存在不整合接觸的地層，還需要定義地層之間的主輔關(guān)系，做地層削截處理，以上工作全部完成后，可以一鍵式生成地層體。

3.2 網(wǎng)格剖分

在任意指定的空間分辨率條件下，基于矩形截斷網(wǎng)格對矢量結(jié)構(gòu)模型執(zhí)行空間剖分，得到精確表達(dá)結(jié)構(gòu)模型邊界形態(tài)的網(wǎng)格模型。超高的空間分辨率可能得到超大規(guī)模的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。網(wǎng)格生成的基本原理是首先生成二維平面網(wǎng)格，然后用二維網(wǎng)格對三維地層體進(jìn)行縱向剖切。

構(gòu)造模型的和網(wǎng)格模型的模型網(wǎng)格化主要是基于應(yīng)用的需求。在模型從頂?shù)降讛?shù)據(jù)精度不同時，可以采用多分辨率的網(wǎng)格；在結(jié)構(gòu)模型和無結(jié)構(gòu)模型下，采用不同類型的網(wǎng)格剖分；同一模型在使用不同的屬性進(jìn)行插值時，可根據(jù)數(shù)據(jù)的需要剖分成不同大小的網(wǎng)格單元（LOD 網(wǎng)格）；模型工區(qū)非常大，模型精度要求非常高時，海量的網(wǎng)格單機(jī)無法承載，可分區(qū)塊剖分，邏輯上是整體，物理存儲分塊，如圖6 所示。

圖6 大工區(qū)構(gòu)造模型及大工區(qū)網(wǎng)格模型

數(shù)據(jù)或認(rèn)識發(fā)生改變后，結(jié)構(gòu)模型可以快速更新，在更新后的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，重新生成網(wǎng)格，網(wǎng)格參數(shù)可直接引用原數(shù)據(jù)，也可根據(jù)更新后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)更改，也就是說網(wǎng)格化是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，而不直接編輯網(wǎng)格，如圖7 所示。

圖7 更新模型

3.3 屬性建模

屬性參數(shù)建模是將模擬區(qū)域三維網(wǎng)格化，然后在網(wǎng)格中填充屬性值。對于任意一種儲層物性，每一個網(wǎng)格有且只能有一個值。由于網(wǎng)格精度通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于測井曲線的采樣精度，所以測井曲線數(shù)據(jù)必須要進(jìn)行粗化才能采樣到網(wǎng)格中。數(shù)據(jù)粗化是屬性建模的前提和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖8 利用鉆孔最小曲率算法生成地表面及插值后的巖性屬性模型

屬性建模是基于構(gòu)造模型通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法計算生成的屬性地質(zhì)模型，包括離散屬性（沉積相和巖相）或者連續(xù)屬性（含水量、重度、滲透率和飽和度等）。地質(zhì)領(lǐng)域比較常用的插值算法是克里金方法和序貫?zāi)M等方法。巖性屬性模型利用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)，采用序貫指示的插值算法生成屬性模型，插值后的巖性屬性模型如圖8 所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

通過上述方法和步驟，運(yùn)用鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)對佛山市地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，較好地完成了佛山市城市地質(zhì)三維模型的構(gòu)建，成果如圖9 所示。

圖9 佛山市地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型與地質(zhì)圖對比效果

5 總結(jié)

本文結(jié)合佛山市城市地質(zhì)項目工作的安排，通過分析現(xiàn)有資料情況，參考國家行業(yè)地方等標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合佛山地質(zhì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對接城市地質(zhì)綜合服務(wù)系統(tǒng)，通過對各種多源數(shù)據(jù)的整理和標(biāo)準(zhǔn)化，建成以基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、遙感數(shù)據(jù)為核心數(shù)據(jù)的三維空間數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫。此外，還以該數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了佛山市和三龍灣城市地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和屬性一體化的模型，并能加載融合地下管線、隧道、基礎(chǔ)等構(gòu)筑物的三維模型，成功完成了多源數(shù)據(jù)融合的三維地質(zhì)模型構(gòu)建的研究，同時為更加安全合理開發(fā)利用城市地下空間提供了科學(xué)依據(jù)。