基于GIM 技術(shù)的城市地質(zhì)體模型構(gòu)建及應用

陶二永，門陽陽，董云奇

（1.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊，山東 濰坊 261200；2.山東交通職業(yè)學院，山東 濰坊 261206）

引言

近年來，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術(shù)被廣泛應用在建筑、結(jié)構(gòu)、施工等工程建設領域［1-4］。由于地質(zhì)體的不規(guī)則性和不確定性，BIM 技術(shù)難以在巖土工程領域應用，地質(zhì)信息模型GIM（Geological Information Modeling）技術(shù)由此誕生。GIM 的核心內(nèi)容是描述已有地質(zhì)對象的幾何形態(tài)和工程特性，主要用于構(gòu)建地下三維可視化勘察信息模型。

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的全面推進，城市地下空間作為城市空間資源極具開發(fā)潛力的部分，政府及相關專家對地下空間給予高度重視［5-7］。目前，有關地下三維可視化研究的方法尚處于摸索階段。張照杰等［8］運用三維激光掃描技術(shù)獲取點云數(shù)據(jù)對地下停車場進行空間三維建模；鄭國棟［9］研究了巖土工程勘察信息模型系統(tǒng)對樁基礎進行了三維可視化和巖土參數(shù)化分析；施炎等［10］研究了基于地質(zhì)信息模型（GIM）的灌漿工程三維可視化分析方法和應用。然而目前針對城市地層分布模型的可視化研究較少。

1 GIM 技術(shù)

GIM 技術(shù)面向巖土工程地質(zhì)，運用計算機圖形學技術(shù)，將工程勘察數(shù)據(jù)信息通過光滑離散插值技術(shù)（Discrete Smooth Interpolation，DSI）［11］構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型，其表達方式更直觀，可完整展示地質(zhì)信息，并且可以獲取任意剖切面的地質(zhì)情況，也可以選擇任意一層地層查看地質(zhì)信息。

GIM 軟件為BM_GeoModeler，采用模塊化方式系統(tǒng)整合勘察、建模、設計與分析等巖土工程全流程應用功能的獨立平臺，其中的建模方法包括針對土體和平緩巖層獨創(chuàng)的一鍵建模、土層分類建模、巖性建模等批量自動建模方法，允許人工干預的流程建模、物探建模、針對復雜透鏡體的透鏡體合并等。

2 城市地質(zhì)體GIM 建模方法

地質(zhì)建模是描繪出一個已經(jīng)存在的自然對象，且可供建模的資料往往很少，采用離散光滑插值（DSI）理論和約束技術(shù)模擬其形態(tài)特征的中心任務是利用這些少數(shù)已知數(shù)據(jù)、合理地 “推測” 出其余部分的形態(tài)，其中的其余部分具有不確定性，是地質(zhì)體不確定性的典型代表?；谏鲜鎏攸c，地質(zhì)體建模基于離散數(shù)學理論，BM_GeoModeler 采用DSI 理論進行建模和數(shù)據(jù)（包括物探指標、礦山資源化驗結(jié)果、土體靜探或試驗值等）處理，可處理任意不規(guī)則面的局部修正、彼此相交（針對地層尖滅、斷層錯動、透鏡體）等。

離散光滑插值算法理論是基于離散數(shù)學的一種插值理論。與傳統(tǒng)的建模算法相比，它可以根據(jù)各種約束條件及其組合擬合構(gòu)建復雜如多Z 值（褶皺、透鏡體）、非連續(xù)性（斷層、覆蓋層）地質(zhì)體模型，并且能進行局部修改，不必因地質(zhì)勘探資料的變化而重新建模。（如果將地質(zhì)界面視為離散化的不連續(xù)界面，地質(zhì)點及地質(zhì)勘探揭示的鉆孔平硐數(shù)據(jù)等作為約束條件，DSI 實際上就是通過在這些約束條件下求解目標函數(shù)—全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解來得到符合約束條件的最優(yōu)化地質(zhì)界面）。

根據(jù)實際約束情況可以得到不同條件下的約束系數(shù)，進而通過上述公式迭代求解最優(yōu)化的Φ值，最終擬合得到符合約束條件的幾何模型。DSI 的約束可以分為軟約束和硬約束，軟約束通常指條件放松的（約等于）通過全局最小平方和進行擬合的約束；硬約束則是必須完全通過等式或不等式擬合的約束。非線性約束可以通過泰勒公式轉(zhuǎn)化為近似的線性約束進行擬合。由于DSI 方法考慮了節(jié)點與鄰域節(jié)點之間的關系，可以比較好地擬合非連續(xù)性幾何模型（比如地質(zhì)上的斷層上下兩盤）。另外，DSI 可以根據(jù)實際情況的約束條件擬合非常復雜的模型，因此，特別適合復雜的三維地質(zhì)建模。

城市地質(zhì)體三維模型構(gòu)建流程見圖1。主要步驟：（1）通過地質(zhì)勘測獲取鉆孔數(shù)據(jù)，整理使用鉆孔共計328 個，其中318 個鉆孔深度達30 m，10 個鉆孔深度達到50 m，并針對各鉆孔的分層情況整合出所有土層類型，得到鉆孔數(shù)據(jù)錄入的巖性定義和地層定義。（2）鉆孔數(shù)據(jù)在導入BM_GeoModeler 數(shù)據(jù)庫后，可重復調(diào)用建立多個項目，便于項目各階段的修改。為確保導入的鉆孔數(shù)據(jù)在地層建模分層時不出現(xiàn)錯誤，可在鉆孔數(shù)據(jù)庫建立后進行層序檢查，根據(jù)檢查結(jié)果修改錯誤地層數(shù)據(jù)，直至檢查無任何錯誤方可使用。（3）地表模型的構(gòu)建以鉆孔孔口標高為主、高程點數(shù)據(jù)為輔經(jīng)樣條插值擬合而成。鉆孔孔口標高可從鉆孔數(shù)據(jù)庫中提取得到孔口標高點集，修改其屬性為地表，地質(zhì)代號選為top；高程點數(shù)據(jù)需將高程圖轉(zhuǎn)化為.dxf 格式導入項目。（4）建立地層模型，地層模型主要參考的數(shù)據(jù)是鉆孔的豎向分層數(shù)據(jù)，是對各鉆孔間的地層根據(jù)相鄰鉆孔的分層情況做出的推測。地層模型與實際地層分布有一定誤差，因此地層模型分層的精度取決于鉆孔數(shù)據(jù)的準確性及鉆孔的密度。

圖1 城市地質(zhì)體三維模型構(gòu)建流程

3 城市地質(zhì)體GIM 建模結(jié)果及應用

3.1 城市地質(zhì)體GIM 建模結(jié)果

將孔口標高點集和高程點全局顯示后確定地表建模范圍，該范圍應將所有參考點位置包含在內(nèi)。為確保在劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)過小線段單元從而影響網(wǎng)格劃分進度，BM_GeoModeler 提供線集工具對高程點數(shù)據(jù)進行過濾，在地表建模范圍內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的大小綜合考慮工成需求及擬合時間確定，地表建模方法采用單一界面建模，在網(wǎng)格全局加密的同時進行擬合計算，地表模型擬合結(jié)果見圖2。

圖2 地表擬合結(jié)果

地層模型建模步驟：建立地層模型邊界→劃分三角網(wǎng)格→檢查與調(diào)整地層→分層計算。分層計算方法采用離散光滑插值算法理論（DSI 技術(shù)）計算。

為準確定位地層模型上各位置，可對模型進行表面貼材質(zhì)處理，即通過表面貼材質(zhì)功能將該地區(qū)的地圖貼于模型表面。表面貼材質(zhì)貼完材質(zhì)后的地層模型見圖3。該地區(qū)地下管線錯綜復雜，包括各類電信管線、電力管線、燃氣管線、排水管線、熱力管線，地下管線成果以《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》（CJJ 61—2017）為主要標準，設置管線數(shù)據(jù)代號及顏色。

圖3 地層模型

BM_GeoModeler 支持將管線數(shù)據(jù)以.dxf 格式保留三維位置信息導入至地層模型中，并自動進行布爾操作嵌入地層模型，地層模型加入地下管線后見圖4。

圖4 地下管線導入地層模型

3.2 城市地質(zhì)體模型應用

運用BM_GeoModeler 進行剖面檢查與出圖特點：（1）內(nèi)置的三維地層拓撲算法，從三維建模的角度識別地層連接關系、計算地層尖滅位置、識別透鏡體。（2）剖面內(nèi)允許地質(zhì)人員的檢查與干預調(diào)整、編輯與調(diào)整在剖面間聯(lián)動作用，可以在智能化識別的基礎上，實現(xiàn)局部位置的人為認識干預，并實時更新因人工編輯造成其他相關剖面地層連線的變動，確保各二維剖面成果在三維空間中的正確性。（3）引入了不同地質(zhì)成因分界面尖滅機制，實現(xiàn)如沖洪積地層可以平緩尖滅于殘積層或基巖的特征，使得地質(zhì)剖面繪制更加符合地質(zhì)成因規(guī)律。

在任意剖面下，可根據(jù)地質(zhì)判斷，調(diào)整程序智能判斷給出的地層連線結(jié)果，調(diào)整過程中，相關剖面會跟著聯(lián)動更新，降低了調(diào)整修正工作量，同時也時刻保證剖面間的編輯不影響三維空間中地層拓撲關系的正確性。

選取8 條主要干道作為剖面見圖5。在BM_GeoModeler 中可通過創(chuàng)建非封閉折線生成任意剖面線位置，再通過生成剖面形成該剖面線位置的剖面見圖6?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)地勢整體為西低東高，南低北高。個別剖面圖中有透鏡體出現(xiàn)，考慮地層分層定義時主層有多個亞層，部分透鏡體為主層的一個亞層形成，其地層巖性與其相鄰的主層相近。

圖5 研究區(qū)主干道位置

圖6 研究區(qū)主干道剖面

4 結(jié)語

（1）選取鉆孔孔口標高作為地表建模的主要參考點，再以高程點為次要參考數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)所在平面區(qū)域確定地表建模范圍，再以立方網(wǎng)劃分網(wǎng)格，從而擬合計算得出地表模型。（2）對鉆孔數(shù)據(jù)進行層序檢查，采用離散光滑插值算法理論（DSI）進行分層計算，并劃定地層建模范圍，再根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建了地層模型。（3）將構(gòu)建的三維地質(zhì)體模型應用于工勘項目常用的地質(zhì)剖面圖的繪制，并分析了該城區(qū)地層結(jié)構(gòu)和地勢走向。