城市區(qū)域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法綜述

韓征 王文文 李勇

摘 要：城市三維地質(zhì)模型是借助于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)對地質(zhì)體進(jìn)行的準(zhǔn)確刻畫和定量模擬，其目標(biāo)就是提升城市地質(zhì)成果的可視化表達(dá)能力和空間數(shù)據(jù)場運(yùn)算能力，為地質(zhì)資源的評估計(jì)算、地質(zhì)環(huán)境的預(yù)警預(yù)報(bào)、城市的規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支撐。對當(dāng)下三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)的普遍流程和一般方法進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)對鉆孔類建模法、剖面類建模法、多源數(shù)據(jù)交互建模法、多場耦合建模法和三維結(jié)構(gòu)體與地應(yīng)力一體化建模法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍和應(yīng)用場景進(jìn)行了分析，以便于地質(zhì)工作者適時(shí)選取合適的方法，提高模型建設(shè)的準(zhǔn)確性和合理性。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模;多源異構(gòu);大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng);地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

Summarization of 3D geological structure modeling methods in urban areas

HAN Zheng， WANG Wenwen， LI Yong

（Information Center of Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： The urban 3D geological model is an accurate characterization and quantitative simulation of geological bodies with the help of new-generation information technologies such as cloud computing， big data， and the Internet of Things. Its goal is to improve the visual expression ability and spatial data field computing ability of urban geological results. It provides data support for evaluation and calculation of geological resources， early warning and forecasting of geological environment， and urban planning， construction， management and operation. This paper summarizes the general process and general methods of the current 3D geological structure model construction， focusing on borehole modeling method， profile modeling method， multi-source data interactive modeling method， multi-field coupling modeling method and integrated modeling method of 3D structure and ground stress. The advantages and disadvantages， application scope and application scenarios of the integrated modeling method of structure and in-situ stress are analyzed， so that geologists can choose the appropriate method in time to improve the accuracy and rationality of model construction.

Keywords： 3D geological modeling; multi-source heterogeneity; big data; Internet of Things; geological structure modeling

城市區(qū)域的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模是對城市區(qū)域的地質(zhì)界面和地質(zhì)體的空間位置、形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行三維立體的可視化表達(dá)，為人們深入研究地質(zhì)體、全面分析地質(zhì)現(xiàn)象、科學(xué)利用地質(zhì)資源、有效防治地質(zhì)環(huán)境問題等工作提供直觀的、虛擬的地質(zhì)空間。因此三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的目標(biāo)就是客觀真實(shí)的刻畫和模擬地質(zhì)體。但是，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、地質(zhì)現(xiàn)象的不確定性、地質(zhì)信息獲取的有限性和地質(zhì)數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)性，導(dǎo)致地質(zhì)體三維模型的構(gòu)建、表達(dá)和更新十分困難，而且存在著自動(dòng)化程度低、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、集成格式不一致、地上地下分離等諸多問題（潘懋等，2007）。為了解決這些問題，研究者們將工作重點(diǎn)聚焦在復(fù)雜地質(zhì)體的快速自動(dòng)化建模以及建設(shè)統(tǒng)一的地質(zhì)建模標(biāo)準(zhǔn)方面。近年來，三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的技術(shù)方法已經(jīng)有了長足進(jìn)步并取得了諸多成果，本文擬討論當(dāng)前三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建模方法、應(yīng)用現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。

1? 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? 國外

歐洲發(fā)達(dá)國家對三維地學(xué)可視化研究起步較早，英國、法國、德國建模技術(shù)相對比較成熟。從各國地質(zhì)調(diào)查局整體部署來看，在引領(lǐng)地質(zhì)三維建模技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用方面，英國是最具完整性和系統(tǒng)性的。英國多年間建設(shè)的不同比例尺基巖地質(zhì)模型和英國國家地質(zhì)模型，旨在構(gòu)造一個(gè)準(zhǔn)確、多比例尺的地理空間模型;德國哈勒市建立了非常精細(xì)的三維地質(zhì)模型，總面積達(dá)到了135 km2，整個(gè)城區(qū)的模型均可以通過統(tǒng)一的軟件進(jìn)行集成和顯示;不同于上述地質(zhì)模型，老撾采用了基于柵格場的隱式地質(zhì)界面耦合建模方法，由于柵格場的空間值是連續(xù)的，這種建模方式對結(jié)構(gòu)模型和屬性模型的一體化是很有幫助的。

從軟件的發(fā)展?fàn)顩r來看，目前國外已有較多成熟的三維建模軟件，如法國的GoCAD，美國的Petrel、Earth Vision、Esri CityEngine等。GoCAD是法國Nance大學(xué)研發(fā)的三維建模軟件，它的優(yōu)勢是創(chuàng)建了離線光滑插值技術(shù)、三角剖分技術(shù)和四面體剖分技術(shù)，可以用于大規(guī)模復(fù)雜地質(zhì)體的建模;斯倫貝謝公司的Petrel軟件，是集地震解釋、構(gòu)造建模、巖相建模、屬性建模和數(shù)值模擬及虛擬現(xiàn)實(shí)于一體的三維建模軟件，主要應(yīng)用于油氣藏領(lǐng)域，可用于構(gòu)造從結(jié)構(gòu)到力學(xué)的一系列模型;Earth Vision在三維表面網(wǎng)格化的方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢，也被廣泛地應(yīng)用于油田地質(zhì)當(dāng)中;Esri CityEngine是三維城市建模的優(yōu)秀軟件，已應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)的方方面面，但是其對地層的建模能力有限。

1.2? 國內(nèi)

國內(nèi)的三維地質(zhì)建模起始于20世紀(jì)90年代初期，主要應(yīng)用于油田開發(fā)、礦山開采的數(shù)值模擬，后期許多學(xué)者在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ淅碚摲椒ā?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)等方面進(jìn)行了諸多的研究。例如較早開展的三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)建模和三維數(shù)字盆地模擬技術(shù)（吳沖龍等，2001;吳沖龍等，2006），中國地調(diào)局的PRB三維構(gòu)模技術(shù)（吳志春等，2015）和福州的知識驅(qū)動(dòng)多尺度三維地質(zhì)體建模（陳麒玉等，2016），均有各自的建模特色和優(yōu)勢。北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院建立了多個(gè)專題三維地質(zhì)模型，包括巖溶水基巖模型、新生界模型、多參數(shù)基巖模型、通州區(qū)地下空間模型等，分別采用了多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模法、基于網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭娼７ê突诮徊嬲燮拭娼７?同時(shí)，在模型集成方面也進(jìn)行了很多的研究工作，實(shí)現(xiàn)了北京城市副中心地區(qū)新生代、基巖地質(zhì)模型與核心區(qū)的地下空間地質(zhì)模型在ArcGIS平臺上的無縫集成，實(shí)現(xiàn)了與同一區(qū)域地面沉降、地下水環(huán)境、砂土液化、地下水動(dòng)態(tài)、土壤地質(zhì)環(huán)境、淺層地?zé)崮艿葘傩阅Ｐ偷某醪郊桑ㄇt剛等，2015;張?jiān)旱龋?015;李敏等，2018）。

近年來國內(nèi)的三維建模軟件也取得了一定的發(fā)展，如MapGIS K9平臺、Creatar平臺、steampGIS和網(wǎng)格天地平臺。MapGIS K9是國內(nèi)應(yīng)用歷史最久的GIS軟件，現(xiàn)階段很多的歷史地勘圖件，均采用這個(gè)格式，該平臺具有比較強(qiáng)的建模功能，支持結(jié)構(gòu)模型和屬性模型的建設(shè)，但是屬性模型和結(jié)構(gòu)模型的耦合程度不高。Creatar平臺是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的平臺，可以建立大場景復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，支持多種復(fù)雜地質(zhì)體建模的方法，具有不錯(cuò)的可視化效果。網(wǎng)格天地的平臺是比較系統(tǒng)化的三維模型平臺，在城市地質(zhì)建模和油氣藏建模領(lǐng)域有了不少的應(yīng)用，尤其是對于結(jié)構(gòu)模型和屬性模型可以進(jìn)行耦合方面支持得比較好，甚至初步實(shí)現(xiàn)了有限元剖分后的地應(yīng)力計(jì)算，具有獨(dú)到的優(yōu)勢。

1.3? 存在的主要問題

目前三維地質(zhì)建模尚存在一些問題亟待解決。諸如：巖土尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化命名規(guī)則，已有的鉆孔資料巖土命名標(biāo)準(zhǔn)在各專業(yè)領(lǐng)域也不統(tǒng)一，易造成地層分層信息的缺失;鉆孔概化、剖面繪制過于依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，此現(xiàn)象增加了模型建設(shè)的主觀性和不確定性，地質(zhì)體分層易受到專家業(yè)務(wù)水平、思維方式的限制;建模程序復(fù)雜，難以為基層的地質(zhì)作圖人員所掌握，目前無論是國外的還是國產(chǎn)的三維地質(zhì)建模軟件，其操作流程仍過于復(fù)雜，須經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)才能掌握;約束條件要求嚴(yán)格，實(shí)物工作量大，這主要由于三維地質(zhì)建模的過程本身是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到用于建模的源數(shù)據(jù)經(jīng)多次的編輯和確認(rèn)，會導(dǎo)致很多在二維環(huán)境可以敷衍、忽略的微小瑕疵，在三維建模中變得很“敏感”;無統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，目前從行業(yè)層面缺乏三維地質(zhì)模型的建模標(biāo)準(zhǔn)，不同軟件構(gòu)建的三維地質(zhì)模型難以共享;無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型和力學(xué)模型的統(tǒng)一，目前建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型僅限于空間分析、鉆孔提取、開挖分析等功能，而無法實(shí)現(xiàn)與力學(xué)、熱學(xué)模型進(jìn)行集成;模型精度較低，受到地下信息獲取難度的限制，模型建設(shè)精度無法與地表建筑模型相類比，因此無法實(shí)現(xiàn)地上地下一體化模型的集成;模型的局部更新困難，目前的建模軟件大多不支持模型的局部更新，對于與人類活動(dòng)接觸頻繁的地下空間地層模型來說，其時(shí)效性受到了較大的限制。

2? 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的技術(shù)方法

2.1? 建模方法概述

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)的主要流程包括建模準(zhǔn)備、模型建設(shè)、模型評價(jià)和模型應(yīng)用等4個(gè)過程（圖1）。模型準(zhǔn)備步驟包括鉆孔數(shù)據(jù)、物化探成果、地質(zhì)圖件和斷裂信息的收集及整理，其中鉆孔數(shù)據(jù)是地層劃分和模型建設(shè)最為基礎(chǔ)的資料，物化探資料對于鉆孔地層之間如何連接從而形成準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面具有指導(dǎo)意義，地形圖對于地表零層的刻畫和地上地下一體化的集成具有至關(guān)重要的意義，地質(zhì)構(gòu)造是基巖地質(zhì)建模中必不可少的資料。

模型建設(shè)步驟主要是通過普通鉆孔建模法、交叉折剖面建模法、多場耦合建模法等不同的建模方法來實(shí)現(xiàn)對不同地質(zhì)模型的建設(shè)，每一種建模方法均有一定的適用性，涉及的模型包括基巖地質(zhì)模型、第四系地質(zhì)模型、工程地質(zhì)模型和水文地質(zhì)模型。其中基巖地質(zhì)模型是反映基巖面起伏、巖石地層及斷層等構(gòu)造信息的三維模型，可用于研究活動(dòng)斷裂的分布與活動(dòng)規(guī)律;第四系模型是反映第四系松散沉積物層空間分布變化情況，常用于地質(zhì)資源評價(jià)和地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究;工程地質(zhì)三維地質(zhì)模型是用于表達(dá)城市工程建設(shè)層地質(zhì)巖性空間展布的模型，常用于揭示不良地質(zhì)現(xiàn)象和獲取工程地質(zhì)參數(shù);水文地質(zhì)模型主要用于地下水流場和地下水動(dòng)力學(xué)研究。

模型的評價(jià)步驟就是對建好的模型按照其空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，確定三維地層和地質(zhì)體之間的拓?fù)潢P(guān)系準(zhǔn)確無誤。

模型的應(yīng)用就是將建好的三維地質(zhì)模型納入統(tǒng)一的“一張圖”體系中，將模型成果與歷年的地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警成果進(jìn)行比對和分析，從而輔助決策者對區(qū)域地質(zhì)資源進(jìn)行評價(jià)，對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析預(yù)報(bào)。

由于三維地質(zhì)模型具有顯著的多尺度性，因此在不同的比例尺和調(diào)查精度條件下所采的建模方法均不一樣。對于大比例尺模型，其能夠獲得的數(shù)據(jù)包括鉆孔、物化探、電測井等詳查資料，采用的建模方法通常為多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模方法，建模精度很高;對于中比例尺模型，其能夠獲得數(shù)據(jù)包括鉆孔和地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，采用的方法通常為基于交叉折剖面及網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭娴慕７椒?，建模精度一般較高;而對于小比例尺模型，能夠獲得的數(shù)據(jù)一般僅有鉆孔數(shù)據(jù)，其采用的方法通常為鉆孔建模法，精度普遍較低。

2.2? 模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作如圖2所示，主要包括收集整理鉆孔資料、篩選基準(zhǔn)鉆孔、建立基準(zhǔn)孔網(wǎng)、繪制基準(zhǔn)剖面和建立聯(lián)合剖面等步驟。

廣泛收集各類鉆孔、物化探和測井成果。根據(jù)不同的三維地質(zhì)模型建設(shè)目標(biāo)，收集、整理各類鉆孔數(shù)據(jù)，但由于這些鉆孔的來源不一，造成資料很難直接被利用。因此，需要按照統(tǒng)一的巖石分類命名標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的巖石分層標(biāo)志、統(tǒng)一的鉆孔概化原則對原有鉆孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和概化處理，從而形成標(biāo)準(zhǔn)鉆孔，以備使用。

篩選、分析鉆孔資料，選出可以利用的基準(zhǔn)鉆孔。在經(jīng)過上述處理的標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔中，根據(jù)建模的目標(biāo)、范圍、深度，優(yōu)選出用于控制整個(gè)地層的基準(zhǔn)鉆孔，這些基準(zhǔn)鉆孔便成為其他鉆孔的標(biāo)尺和基準(zhǔn)，可作為相鄰區(qū)域的地層標(biāo)準(zhǔn)，也可作為短距離橫向巖層對比的依據(jù)。

建立基準(zhǔn)孔網(wǎng)。利用優(yōu)選出的基準(zhǔn)鉆孔建立均勻分布于整個(gè)模型區(qū)域的基準(zhǔn)孔網(wǎng)。

利用基準(zhǔn)孔網(wǎng)編繪基準(zhǔn)剖面圖，形成地層結(jié)構(gòu)骨架。由基準(zhǔn)孔網(wǎng)建立基準(zhǔn)剖面的方法有很多，以第四系松散沉積物為例，包括宏觀分析法、地面電法、古河道法、沖積扇法、沉積韻律法和綜合分析法。

利用大量鉆孔充實(shí)結(jié)構(gòu)骨架，建立聯(lián)合剖面。聯(lián)合剖面的繪制非常依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)，此步驟是人工介入最多的步驟，而縱觀眾多的建模方法，若要模型建設(shè)準(zhǔn)確，均離不開地質(zhì)專家的宏觀掌控和綜合判斷。

2.3? 建模的一般方法

建模的一般方法包括普通鉆孔建模法、基于層位標(biāo)定的鉆孔建模法、基于網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭婧徒徊嬲燮拭娴姆椒?、三維地質(zhì)多場耦合建模法、多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模法和地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力模擬一體化建模法。其中普通鉆孔建模法是最為基礎(chǔ)、最為快速的建模方法（De Donatis 2001;Lemon et al.，2003），這種方法具有通用性，適用于第四系、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)模型;基于層位標(biāo)定的鉆孔建模法是利用基于層位標(biāo)定的鉆孔數(shù)據(jù)對鉆孔地層進(jìn)行快速解譯的方法，其實(shí)現(xiàn)了基于解譯后鉆孔數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模（明鏡，2012）。交叉折剖面建模法是一種基于交叉折剖面的三維地質(zhì)模型自動(dòng)構(gòu)建方法，重點(diǎn)解決模型構(gòu)建中“高精度”和“快速”的難題（Sirakov et al.，2002;Xu et al.，2003;屈紅剛等，2008）。基于網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭娼７椒朔四Ｐ徒ㄔO(shè)中常遇到的多值問題，可用于建立復(fù)雜的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（明鏡，2009;Ming et al.，2010）。三維地質(zhì)多場耦合建模法是將結(jié)構(gòu)模型和屬性模型集成的一種方法，其屬性邊界依靠結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行約束;多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模法可不依賴于單純的鉆孔和剖面，是將各類物探、剖面、斷裂等數(shù)據(jù)集成起來聯(lián)合建模的方法，非常適合于基巖地質(zhì)建模;地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力模擬一體化模型是未來發(fā)展的方向，是將結(jié)構(gòu)模型、屬性模型、地應(yīng)力計(jì)算模型一體化的方法，尚處于探索階段。

2.3.1? 鉆孔建模法

鉆孔建模法是通過對鉆孔坐標(biāo)和鉆孔分層信息的解譯而快速建立起地層分層關(guān)系，建模流程包括選擇鉆孔數(shù)據(jù)集、鉆孔解譯、水平自動(dòng)分區(qū)、生成主層面和自動(dòng)成體這幾個(gè)步驟。其優(yōu)勢是建模速度快，適合建立典型層狀結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型;自動(dòng)化程度高，解譯完成后，后續(xù)工作基本依靠自動(dòng)化;方法流程簡單易于理解，操作簡便，可實(shí)現(xiàn)快速更新。劣勢是不適合構(gòu)建具有交互關(guān)系復(fù)雜的地質(zhì)體，無法解決“透鏡體”和“螺旋體”地質(zhì)現(xiàn)象;建模主觀性較大，對鉆孔不同的理解會建立截然不同的模型;鉆孔資料獲取的難度較高，成本較大，鉆孔解譯的效率低、專業(yè)技術(shù)要求高。

2.3.2? 基于層位標(biāo)定的鉆孔快速建模方法

本方法是在普通鉆孔建模的基礎(chǔ)上，為解決鉆孔解譯方法效率低、易出錯(cuò)的現(xiàn)象而提出的基于層位標(biāo)定的快速解譯方法，可以輔助鉆孔解譯者實(shí)現(xiàn)相對快速、準(zhǔn)確的鉆孔解譯。其建模流程主要包括鉆孔解譯、解譯后鉆孔自動(dòng)建模和交互式調(diào)整更新等步驟，其中鉆孔解譯是為鉆孔上的地層分界點(diǎn)賦予準(zhǔn)確的地層編號;解譯后鉆孔自動(dòng)建模是使用解譯好的鉆孔完成模型的自動(dòng)構(gòu)建過程;交互式更新是在用戶不改變鉆孔解譯方案的條件下實(shí)現(xiàn)模型信息的動(dòng)態(tài)修改，從而實(shí)現(xiàn)模型局部的自動(dòng)更新。其優(yōu)勢是在一定程度上克服了傳統(tǒng)鉆孔建模方法中鉆孔解譯難度大、效率低的問題;在地層交互方面，可以通過建立虛擬層面來處理多值問題;在地質(zhì)體刻畫方面，可以對“地層尖滅”問題進(jìn)行很好的表達(dá);建模過程中采用交互式操作，可以對地層形態(tài)進(jìn)行人工調(diào)整。劣勢是不適合構(gòu)建具有交互關(guān)系復(fù)雜的地質(zhì)體，無法解決對“螺旋體”地質(zhì)現(xiàn)象的刻畫;鉆孔資料獲取的難度較高，成本較大;無法利用地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)圖、地形圖等現(xiàn)有多源資料，不支持?jǐn)鄬酉到y(tǒng)的建模。

2.3.3? 基于交叉折剖面及網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭娴慕７椒?/p>

基于交叉折剖面的方法是通過引入剖面中空間要素（多邊形-弧段-結(jié)點(diǎn)）之間的拓?fù)潢P(guān)系（鄰接、關(guān)聯(lián)和包含），生成基于邊界表達(dá)的三維地質(zhì)模型的方法（屈紅剛等，2008）。在用戶少量干預(yù)下，可以建立絕大多數(shù)復(fù)雜地質(zhì)模型，建模流程見圖3。

基于網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭娴姆椒ê徒徊嬲燮拭娣ǖ闹饕枷胍恢?，都是通過引入剖面中空間要素之間的拓?fù)潢P(guān)系來生成基于邊界表達(dá)的三維地質(zhì)模型（屈紅剛等，2008）。通過建立多剖面間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)模型的構(gòu)建，建模流程見圖4。

上述2種剖面建模法的優(yōu)勢是擴(kuò)大了建模的數(shù)據(jù)源，建模的自動(dòng)化程度較高，建模速度較快，可實(shí)現(xiàn)模型的擴(kuò)展和復(fù)用;能夠針對大范圍的區(qū)域進(jìn)行高精度的復(fù)雜地質(zhì)模型快速構(gòu)建，可以處理“地層尖滅”問題;可進(jìn)行多體建模，地質(zhì)體之間的數(shù)據(jù)一致性較好，建好的模型可進(jìn)行拓?fù)浞治觥Ａ觿菔菍τ跀鄬?、褶皺這種地質(zhì)現(xiàn)象處理起來相對繁瑣，需要較大的工作量;建模需要剖面的數(shù)量較多，需要制作封閉的剖面網(wǎng)絡(luò)。

2.3.4? 多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模方法

多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模方法是將地質(zhì)圖、剖面、地層線、輪廓線等地質(zhì)資料和專家經(jīng)驗(yàn)添加到模型構(gòu)建過程中的建模方法，可實(shí)現(xiàn)斷層約束下的地質(zhì)體建模，從而建成復(fù)雜地質(zhì)體模型。其優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)了建模數(shù)據(jù)的多樣化，建模數(shù)據(jù)包括但不限于鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、平面地質(zhì)圖和等值線;建模過程伴隨著地質(zhì)解譯過程，交互程度高，能處理各類復(fù)雜地質(zhì)情況，如復(fù)雜斷層系統(tǒng)、倒轉(zhuǎn)褶皺、侵入巖體等。劣勢是多源數(shù)據(jù)的處理較為復(fù)雜，建模過程需要人工干預(yù);建模時(shí)間長，數(shù)據(jù)更新較為繁瑣;需要大量的人工交互，在各地質(zhì)界面間可能會出現(xiàn)互相交切的現(xiàn)象。建模流程見圖5。

2.3.5? 多場耦合建模方法

理想的三維地質(zhì)模型應(yīng)充分考慮地質(zhì)屬性參數(shù)場對幾何結(jié)構(gòu)框架的指示意義及幾何結(jié)構(gòu)框架對屬性參數(shù)場的約束作用，將地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)框架、地質(zhì)屬性參數(shù)場、三維可視化空間分析作為一個(gè)整體加以研究，才可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模（朱良峰等，2012）。其優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)了模型結(jié)構(gòu)場和屬性場的耦合，可以直接用于工程地質(zhì)計(jì)算;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步可具備基于大數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)挖掘能力。劣勢是地質(zhì)屬性參數(shù)場三維重構(gòu)方法有待完善，多場耦合模型生成機(jī)制有待提高。建模流程見圖6。

2.3.6? 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力模擬一體化模型

本方法將實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型與地應(yīng)力分析計(jì)算模型的耦合，在結(jié)構(gòu)模型建好后，直接將其轉(zhuǎn)換為有限元方法所需的計(jì)算網(wǎng)格，通過定義各個(gè)地層斷塊的介質(zhì)屬性分布以及必要的載荷邊界條件，來實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)造的應(yīng)力模擬。其優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型和地應(yīng)力模型的耦合，可完成各類地應(yīng)力學(xué)的計(jì)算;地應(yīng)力模塊可以直接繼承構(gòu)造建模成果，獲得有限元計(jì)算所需網(wǎng)格，極大地減少了網(wǎng)格編輯的工作量;模塊可以直接繼承精確的構(gòu)造模型，提高了地應(yīng)力計(jì)算和結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。劣勢是對于建模人員的專業(yè)技能要求較高，能夠支持本項(xiàng)功能的一體化軟件較少，結(jié)構(gòu)模型和有限元模型之間的接口不統(tǒng)一。建模流程見圖7。

2.3.7? 不同建模方法的比較

對上述6種三維地質(zhì)模型建設(shè)方法的優(yōu)勢、劣勢和適用范圍進(jìn)行總結(jié)，詳見表1。

3? 城市區(qū)域三維地質(zhì)建模的發(fā)展趨勢

3.1? 大數(shù)據(jù)方向

未來三維地質(zhì)建模體系中應(yīng)引入基于大數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析技術(shù)，以及云計(jì)算、多維時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘等新一代信息技術(shù)，使得建好的三維地質(zhì)模型具備大數(shù)據(jù)分析能力，從而可將各類多源、多類型、多時(shí)相、多用途的監(jiān)測數(shù)據(jù)、成果圖件都集成在真實(shí)的三維場景中，實(shí)現(xiàn)三維場景下的地質(zhì)“一張圖”。

3.2  大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合方向

未來的三維模型應(yīng)可直接接入地質(zhì)資源環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如地面沉降、地下水動(dòng)態(tài)、淺層地?zé)崮?、礦山地質(zhì)環(huán)境、突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、重大線性工程等監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，并可以在三維場景中對監(jiān)測站點(diǎn)、監(jiān)測曲線的真實(shí)狀態(tài)和演化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)地處理、分析、評價(jià)和應(yīng)用，從而將靜態(tài)的三維模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的三維地質(zhì)“一張圖”，讓三維模型更具活力。

3.3? 地上地下一體化方向

城市三維模型主要包括地表建筑模型、地下管線模型和地質(zhì)三維模型，這些模型均服務(wù)于不同的專業(yè)領(lǐng)域，具備不同的建模格式和編碼標(biāo)準(zhǔn)，這造成了相互之間無法集成。另外，城市地表建筑模型和地質(zhì)三維模型即便是轉(zhuǎn)換為相同的格式，在集成過程中也需要處理大量的相交、穿插、重疊、縫隙等空間拓?fù)溴e(cuò)誤。因此，未來基于地上地下一體化的三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化的模型建設(shè)是必然的發(fā)展趨勢。

4? 結(jié)論

本文介紹了交叉折剖面建模法、多源交互復(fù)雜地質(zhì)體建模法、三維地質(zhì)多場耦合建模法等多種三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建設(shè)方法，每種方法在城市地質(zhì)三維模型建設(shè)中都有其適用范圍。未來建模的趨勢是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、屬性模型耦合化，結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型集成化，地上、地下模型一體化建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)“基于多源異構(gòu)的矢柵一體化三維地質(zhì)模型”。在三維地質(zhì)模型集成方面，借助于Geo3DML三維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多種建模軟件之間數(shù)據(jù)格式的交換共享，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)多種不同比例尺、用途的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的邏輯集成，還可以實(shí)現(xiàn)模型的可持續(xù)更新，更好地為地質(zhì)資源環(huán)境承載能力評價(jià)提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

陳麒玉，劉剛，吳沖龍，李新川，張志庭，2016. 城市地質(zhì)調(diào)查中知識驅(qū)動(dòng)的多尺度三維地質(zhì)體模型構(gòu)建方法[J]. 地理與地理信息科學(xué)，32（4）：11-16+48+2.

李敏，劉釗，韓征，張海龍，張雪，2018. 城市區(qū)域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)與集成方法[J]. 城市地質(zhì)，13（2）：93-97.

明鏡，潘懋，屈紅剛，劉學(xué)清，郭高軒，吳自興，2009. 北京市新生界三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），45（1）：111-119.

明鏡，2012. 基于鉆孔的三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建及更新[J]. 地理與地理信息科學(xué)，28（5）：55-59+113.

潘懋，方裕，屈紅剛，2007. 三維地質(zhì)建模若干基本問題探討[J]. 地理與地理信息科學(xué)，23（3）：1-5.

屈紅剛，潘懋，明鏡，吳自興，孫志東，2008. 基于交叉折剖面的高精度三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建方法研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）（6）：915-920.

屈紅剛，潘懋，劉學(xué)清，于春林，2015. 城市三維地質(zhì)建模及其在城鎮(zhèn)化建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)通報(bào)，34（7）：1350-1358.

吳沖龍，毛小平，王燮培，楊甲明，吳景富，何大為，2001. 三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)建模與軟件開發(fā)[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)（3）：301-311.

吳沖龍，毛小平，田宜平，翁正平，何珍文，李紹虎，李星，張志庭，2006. 三維數(shù)字盆地構(gòu)造-地層格架模擬技術(shù)[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)（4）：1-8.

吳志春，郭福生，鄭翔，張洋洋，羅建群，侯曼青，2015. 基于PRB數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的技術(shù)方法研究[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，89（7）：1318-1330.

朱良峰，李明江，孫建中，2012. 工程地質(zhì)空間多場耦合構(gòu)模技術(shù)研究[J]. 巖土力學(xué)，33（8）：2500-2506.

張?jiān)?，劉殷，許苗娟，孫穎，鄭菲菲，宋國璽，2015. 北京三維地質(zhì)建模研究與實(shí)踐[J]. 工程勘察，43（6）：60-65.

DE DONATIS M， 2001. Three-dimensional visualization of the neogene structures of an external sector of the northern apnnines， Italy [J]. AAPG Bulletin， 85（3）：419-431.

LEMON A M， JONES N L， 2003. Building solid models from boreholes and user- defined cross- sections [J]. Computers & Geosciences， 29（5）：547-555.

MING Jing， PAN Mao， QU Honggang， GE Zhihong， 2010. GSIS： A 3D geological multi-body modeling system from netty cross-sections with topology [J]. Computers & Geosciences， 36（6）：756-767.

SIRAKOV N M， GRANADO I， MUGE F H， 2002. Interpolation approach for 3D smooth reconstruction of subsurface objects [J]. Computers & Geosciences， 28（8）：877- 885.

XU C， DOWD P A， 2003. Optimal construction and visualisation of geological structures [J]. Computers & Geosciences， 29（6）：761- 773.