工程地質(zhì)三維模型精細(xì)構(gòu)建方法研究

摘 要：上海三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)有很好的地質(zhì)建?；A(chǔ)，但是由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性和不確定性，建立的三維地質(zhì)模型與實(shí)際的地質(zhì)條件之間還有不小的差距。本文結(jié)合上海地質(zhì)條件和鉆孔數(shù)據(jù)情況，對(duì)當(dāng)前的鉆孔自動(dòng)建模方法流程進(jìn)行了分解、對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程缺陷進(jìn)行了剖析，從工程地質(zhì)條件分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、建模算法優(yōu)化三個(gè)層面開(kāi)展了建模流程的精細(xì)優(yōu)化，并選擇典型的中山公園場(chǎng)地進(jìn)行建模驗(yàn)證和精度分析，通過(guò)將建模結(jié)果與人工生成的成果圖進(jìn)行精度評(píng)估，取得了較好的建模效果。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)；三維模型；精細(xì)建模

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.4；TP311.521 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）03-0034-09

三維地質(zhì)建模是一門(mén)綜合運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論來(lái)研究地質(zhì)體及其內(nèi)部物理、化學(xué)屬性的信息處理、數(shù)據(jù)組織、空間建模與數(shù)字表達(dá)，并運(yùn)用科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行真三維再現(xiàn)與交互的科學(xué)與技術(shù)。由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性、不確定性、信息不完備等特點(diǎn)，使得三維地質(zhì)建模成為制約三維GIS 研究及其應(yīng)用的主要難點(diǎn)之一。而鉆孔資料因其直觀、準(zhǔn)確、詳細(xì)的特性在三維地層模擬中具有至關(guān)重要的意義，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)直接構(gòu)建三維地層實(shí)體模型也一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

多年來(lái)，上海開(kāi)展的三維城市地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)資料信息服務(wù)集群化與產(chǎn)業(yè)化等工作，積累了大量的地質(zhì)資料，尤其工程地質(zhì)勘察的鉆孔資料，入庫(kù)鉆孔數(shù)多達(dá)84 萬(wàn)個(gè)，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)非常扎實(shí)，并且上海現(xiàn)有三維信息系統(tǒng)中有專(zhuān)門(mén)的“工程地質(zhì)鉆孔地質(zhì)建模”功能模塊，專(zhuān)業(yè)人員在軟件中指定任意的空間范圍，即可自動(dòng)建立對(duì)應(yīng)區(qū)域的三維模型，對(duì)建立的模型還可以進(jìn)行任意切割、基坑開(kāi)挖、隧道模擬等，實(shí)時(shí)建模，方便快捷。但是在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該功能只適應(yīng)較簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件，稍微復(fù)雜的地質(zhì)條件，生成的模型與專(zhuān)業(yè)人員設(shè)想的地層分布形態(tài)相差較遠(yuǎn)。而對(duì)于整個(gè)建模過(guò)程，專(zhuān)業(yè)人員又無(wú)法直接參與進(jìn)去，雖然程序更新過(guò)多個(gè)版本，但該功能模塊未見(jiàn)實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。

隨著城市地下空間資源開(kāi)發(fā)利用工作的深入開(kāi)展，業(yè)務(wù)工作對(duì)三維地質(zhì)模型提出了更高的精度要求。目前“三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)”中三維地質(zhì)建模結(jié)果的準(zhǔn)確性，已成為限制三維地質(zhì)模型進(jìn)一步服務(wù)于城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的瓶頸。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從20 世紀(jì)90 年代初期加拿大的Simon W.Houlding 提出三維地質(zhì)模擬概念以來(lái)，地質(zhì)信息的三維可視化逐漸受到普遍的重視，一些國(guó)家相繼推出三維地質(zhì)工程項(xiàng)目，以推動(dòng)三維地質(zhì)模擬技術(shù)的發(fā)展。如：澳大利亞于1990 年實(shí)施了目的為獲取深部地球信息的三維研究計(jì)劃；加拿大于1989 年提出“垂直地質(zhì)填圖”的要求；英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局從20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)始實(shí)施“倫敦計(jì)算機(jī)化地下與地表地質(zhì)”（LOCUS）項(xiàng)目等。相關(guān)領(lǐng)域的地質(zhì)工作者也一直密切關(guān)注地質(zhì)體三維建模技術(shù)的研究進(jìn)展。1992 年，國(guó)際勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)和歐洲勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)成立了SEG/EAEG 3D 建模委員會(huì)，開(kāi)展了3D 建模工程（SEM）。1996—1999 年分別在英國(guó)Leeds、新西蘭Otago、英國(guó)Bristot、美國(guó)Fredericsburg舉行了四次地質(zhì)計(jì)算機(jī)會(huì)議，內(nèi)容包括地質(zhì)建模、模擬和可視化。1997 年在巴賽羅那召開(kāi)的國(guó)際數(shù)學(xué)地質(zhì)會(huì)議上，Graeme B.C. 等強(qiáng)調(diào)地質(zhì)材料三維重建、建模及可視化的重要性。1997 年9 月，一個(gè)由青年科學(xué)家組成的國(guó)際組織在德國(guó)召開(kāi)了地球科學(xué)信息可視化研討會(huì)，涉及的主要問(wèn)題就是以地理為參照的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)可視化建模。

國(guó)內(nèi)在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域也逐步開(kāi)始研究。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局楊東來(lái)組織專(zhuān)家進(jìn)行了三維地質(zhì)建模方法的研究，并出版專(zhuān)著；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)劉修國(guó)教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)結(jié)合城市地質(zhì)項(xiàng)目中的地下三維地層結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)出MapGIS-TDE 三維地質(zhì)建模平臺(tái)；北京航空航天大學(xué)楊欽教授帶領(lǐng)的網(wǎng)格天地（GridWorld）團(tuán)隊(duì)在深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方面取得了豐碩的研究成果；北京大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院潘懋教授帶領(lǐng)的超維創(chuàng)想（Creatar）團(tuán)隊(duì)在基于交叉剖面的三維地質(zhì)建模方面取得了一定的進(jìn)展。

2 鉆孔自動(dòng)建模流程分析

作為一直以來(lái)的研究熱點(diǎn)，三維地質(zhì)建模方法很多。本研究是在上海大量工程地質(zhì)勘察鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，本文中后續(xù)談到建模方法都是特指“基于標(biāo)準(zhǔn)地層的簡(jiǎn)單地質(zhì)體全自動(dòng)建?！薄?/p>

2.1 建?；炯俣?/p>

“基于標(biāo)準(zhǔn)地層的簡(jiǎn)單地質(zhì)體全自動(dòng)建?！狈椒ㄟm用于“簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體”，即連續(xù)層狀地質(zhì)體，是指未經(jīng)變形或輕微變形的、形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單、連續(xù)的層狀地質(zhì)實(shí)體，它沒(méi)有被斷層或節(jié)理切割，層與層之間為整合接觸，在每一層內(nèi)沒(méi)有垂直方向?qū)傩缘淖兓?，它們具有水平或傾斜的狀態(tài)，形態(tài)較為規(guī)則。

根據(jù)大量的實(shí)例分析，歸納出簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體具有以下基本的幾何特征：①簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體可以按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分成多個(gè)地層；②各個(gè)地層在研究區(qū)域內(nèi)是連續(xù)分布的（如果因地層尖滅出現(xiàn)不連續(xù)，則可按照一定的規(guī)則作特殊處理）；③各個(gè)地層由上、下兩界面封閉而成，上、下界面在水平面上的投影完全重合；④在研究區(qū)域內(nèi)，任一平面點(diǎn)P（x，y） 在上層界面或下層界面上對(duì)應(yīng)的高程值是唯一的，即具有單值性；⑤在研究區(qū)域內(nèi)，可按照一定的規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)整理出一套標(biāo)準(zhǔn)的地層分層順序。

2.2 建模流程分解

整個(gè)自動(dòng)建模，采用“主TIN”（Primary TIN）的思想，即所有層面的三角網(wǎng)在平面上的投影都是同一模板，如此可沿地層深度自上而下推延至建模區(qū)域的全部地層?；诟鱾€(gè)地層的建模數(shù)據(jù)，通過(guò)插值算法，結(jié)合一些尖滅、缺失信息，即可構(gòu)建出各個(gè)地層面。地層面之間若有交錯(cuò)，則可根據(jù)交錯(cuò)關(guān)系，進(jìn)行相交處理，將所有交點(diǎn)更新至“主TIN”模板中，通過(guò)如圖1 所示的一系列處理步驟來(lái)完成地層實(shí)體構(gòu)建。

2.3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程缺陷分析

通過(guò)鉆孔全自動(dòng)建立三維模型的方法，不僅大大降低了建模的繁瑣程度、節(jié)省了建模時(shí)間，又兼顧了模型的準(zhǔn)確性，可大大提高建模效率。但經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，這一建模方法在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)有如下幾點(diǎn)缺陷：

（1）地層層序約束過(guò)于嚴(yán)格

要求在建模區(qū)內(nèi)有一套完整的地層層序表，并要求鉆孔分層數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照這一地層層序解釋?zhuān)荒艹霈F(xiàn)地層倒轉(zhuǎn)、互層、透鏡體等情況，否則程序無(wú)法正常完成建模過(guò)程。

（2）地層級(jí)別處理簡(jiǎn)化

在地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員的常識(shí)中，地層按照年代成因是存在大層、亞層、次亞層等級(jí)別關(guān)系的，如亞層的地層分界面是不會(huì)穿越大層的。而建模算法中雖然也有對(duì)地層級(jí)別的處理，但僅限于處理鉆孔地層是否需要合并，建模過(guò)程中層與層之間都是對(duì)等的。

（3）地層缺失區(qū)邊界計(jì)算粗放

在早期版本的程序中，出現(xiàn)地層尖滅后，程序是根據(jù)用戶(hù)指定的尖滅位置（如全局統(tǒng)一1/2 位置等），但是這種尖滅方式與孔的相對(duì)位置直接相關(guān)，與實(shí)際情況不符；后來(lái)的版本也嘗試了多種辦法自動(dòng)計(jì)算尖滅位置，但始終效果不理想（如圖2 a）。

（4）地層“0 厚度”的假定不符合地質(zhì)思維

在上一步的缺失區(qū)邊界計(jì)算，實(shí)際上是根據(jù)各個(gè)層位的高程點(diǎn)調(diào)整出來(lái)的，為了在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中嚴(yán)格滿(mǎn)足地層層序，引入了“0 厚度”地層（ 如圖2 b），雖然建模結(jié)果看不到該地層，但該假定會(huì)較大程度的影響建模精度。例如工程地質(zhì)層中的③層中出現(xiàn)③ a 透鏡體，原系統(tǒng)中建模如要體現(xiàn)③ a，需要在場(chǎng)地分層中將③分為③1、③a、③2，鉆孔中的③層也需要進(jìn)行人為拆分，以保證鉆孔地層的順序滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)地層層序。

（5）對(duì)鉆孔最后一層的處理錯(cuò)誤

鉆孔分層數(shù)據(jù)中，最后一層雖然也指定了層底深度，但實(shí)際并不代表該層的實(shí)際底界位置，僅表示本層到該深層位置還沒(méi)鉆穿，實(shí)際底界位置一定大于等于該深度。

3 工程地質(zhì)三維模型精細(xì)構(gòu)建

根據(jù)前面對(duì)現(xiàn)有三維系統(tǒng)中建模算法的分解可知，建模效果不理想，很大一部分原因在于程序在實(shí)現(xiàn)建模算法過(guò)程中，單純從數(shù)學(xué)方法、DEM 層位疊加來(lái)考慮，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，少有考慮地質(zhì)現(xiàn)象本身沉積演化規(guī)律導(dǎo)致。

本研究是在現(xiàn)有三維系統(tǒng)中“基于標(biāo)準(zhǔn)地層的簡(jiǎn)單地質(zhì)體全自動(dòng)建?！钡幕A(chǔ)上，結(jié)合上海工程地質(zhì)條件和鉆孔數(shù)據(jù)特點(diǎn)，針對(duì)原有建模缺陷進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的基本原則是：以鉆孔資料作為構(gòu)建地層模型的源數(shù)據(jù)，并盡可能多的將地質(zhì)沉積演化思維融合到自動(dòng)建模過(guò)程中，然后進(jìn)行相應(yīng)的建模工作，提升所建模型的準(zhǔn)確性。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理優(yōu)化

建模過(guò)程是以用戶(hù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，建模前對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理是將用戶(hù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為建模使用數(shù)據(jù)的過(guò)程，數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式方法、精細(xì)度會(huì)直接影響到最終的建模效果。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)層整理

標(biāo)準(zhǔn)地層是一個(gè)自上而下的一個(gè)有嚴(yán)格層次關(guān)系的地層級(jí)別樹(shù)。鉆孔、地質(zhì)剖面或者地層頂?shù)装宓戎稻€數(shù)據(jù)中的地層可以引用標(biāo)準(zhǔn)地層中的地層信息。對(duì)于場(chǎng)地范圍，作為簡(jiǎn)單層狀體地質(zhì)體，地層的上下關(guān)系、層次關(guān)系會(huì)嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)地層的整個(gè)要求，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)建模方法正是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

本文在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地層的處理方法上，數(shù)據(jù)模型主要有兩點(diǎn)變化：

（1）強(qiáng)化地層級(jí)別概念

參照“三維系統(tǒng)”中剖面圖自動(dòng)成圖的原理，將原大層、亞層、次亞層的層次關(guān)系作為強(qiáng)約束關(guān)系來(lái)限定建模過(guò)程，后續(xù)的建模過(guò)程嚴(yán)格遵循“先連大層再連小層”的原則，保證層位的邏輯關(guān)系合理。

（2）增加對(duì)透鏡體的支持

若研究區(qū)范圍內(nèi)部分地層內(nèi)含類(lèi)透鏡體對(duì)象，程序支持在標(biāo)準(zhǔn)地層中將該層進(jìn)行標(biāo)記，不作為亞層處理，待其它層面都完成后再單獨(dú)處理，避免了原“三維系統(tǒng)”中需要地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員將夾層人為分為上下兩層的困惑。

3.1.2 鉆孔分層細(xì)分

鉆孔分層數(shù)據(jù)是工程地質(zhì)鉆孔自動(dòng)建模最主要的數(shù)據(jù)源，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)的精細(xì)處理是保證建模精度非常重要的環(huán)節(jié)。結(jié)合整個(gè)建模過(guò)程，本研究主要對(duì)鉆孔分層出現(xiàn)（或缺失）進(jìn)行了如下細(xì)分：

（1）鉆孔中完整出現(xiàn)的地層

鉆孔中完整出現(xiàn)的地層是指在整個(gè)鉆孔分層數(shù)據(jù)中，該層有出現(xiàn)，且頂板、底板高程確定的地層。

（2）鉆孔中缺失的地層

鉆孔中缺失的地層指按照?qǐng)龅貥?biāo)準(zhǔn)地層層序，該層位下部的地層已經(jīng)出現(xiàn)，該地層還未出現(xiàn)的情況，如鉆孔中出現(xiàn)了⑤、⑦，按照標(biāo)準(zhǔn)地層層序，⑥本該在⑦上部出現(xiàn)而未出現(xiàn)，即判為缺失。

（3）鉆孔中未鉆穿的地層

鉆孔中未鉆穿的地層是指在鉆孔最后一層，雖然該層在數(shù)據(jù)庫(kù)中也有明確的層底深度數(shù)據(jù)，但實(shí)際并不代表該層的實(shí)際底界位置，僅表示本層到該深度還未鉆穿，實(shí)際底界位置一定大于等于該深度。

（4）鉆孔中未揭露的地層

鉆孔中未揭露的地層指按照?qǐng)龅貥?biāo)準(zhǔn)地層層序，鉆孔最后一層下部的地層均為未揭露地層。

3.2 建模算法優(yōu)化

在建模數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)原建模算法各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化，力爭(zhēng)做到在不影響建模效率情況下更準(zhǔn)確的展現(xiàn)地下地質(zhì)體的形態(tài)。

3.2.1 地層分級(jí)約束

在原建模流程中，整個(gè)過(guò)程是按照標(biāo)準(zhǔn)地層層序，從上至下，逐層構(gòu)建地質(zhì)面，最終完成整個(gè)地質(zhì)體的構(gòu)建。本研究中，因引入“先連大層再連小層”的地層級(jí)別思維，將原建模過(guò)程的大循環(huán)改為遞歸，具體步驟如下（圖3 所示）：

（1）初始建模時(shí)，首先將所有鉆孔的地層合并到大層，并按照標(biāo)準(zhǔn)地層層序，循環(huán)構(gòu)建大層的各個(gè)底部地層面，并完成后續(xù)的地層面高層調(diào)整，上下面求交得到相應(yīng)地層缺失區(qū)邊界；

（2）后續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)地層層序，確立當(dāng)前建模的地層級(jí)別和地層層號(hào)，將所有鉆孔的分層經(jīng)過(guò)整理，取到與當(dāng)前級(jí)別、當(dāng)前層號(hào)匹配的邏輯鉆孔數(shù)據(jù)（每次傳入的并不是整個(gè)鉆孔，而是鉆孔的某一段分層數(shù)據(jù)，并且分層是根據(jù)當(dāng)前地層級(jí)別合并過(guò)的），循環(huán)構(gòu)建完成該級(jí)別的所有地層面，并且構(gòu)建的地層面高程也受父地層的頂板、底板高程來(lái)約束；

（3）遞歸完成子層的地層面構(gòu)建，直到達(dá)到建模需要的地層級(jí)別或沒(méi)有子層為止。

3.2.2 沉積過(guò)程反演

在整個(gè)地質(zhì)建模過(guò)程中，對(duì)于相鄰鉆孔之間地層對(duì)比一致的情況，直接連接地層底部即可得到地層面，而最重要、最需要精細(xì)處理的部分，即為相鄰鉆孔地層對(duì)比不一致的情況，通過(guò)對(duì)尖滅點(diǎn)的計(jì)算得到地層缺失區(qū)邊界。

在前文建模流程分析部分，對(duì)現(xiàn)有程序模塊的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分解，并總結(jié)了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的缺陷。結(jié)合實(shí)際問(wèn)題，在本次程序編寫(xiě)過(guò)程中也著重對(duì)該部分進(jìn)行了反復(fù)嘗試和驗(yàn)證，具體理解和實(shí)踐過(guò)程如下：

（1）上海地區(qū)工程地質(zhì)條件總體變化不大，工程建設(shè)影響范圍內(nèi)（埋深100 m 以淺）主要為晚更新世以來(lái)海陸交替相、以海相為主的松散堆積物；

（2）沉積地層是在長(zhǎng)久的沉積作用下，碎屑沉積物不斷堆積形成的，地層缺失部分區(qū)域則主要是由于不斷的海進(jìn)海退、河流侵蝕（淤積）等地質(zhì)過(guò)程的作用導(dǎo)致；

（3）某地層缺失區(qū)的邊界計(jì)算基本原理：相鄰的兩個(gè)鉆孔，一個(gè)鉆孔存在該地層，另一個(gè)鉆孔缺失該地層，那么該地層的缺失區(qū)邊界一定在兩個(gè)鉆孔之間的某個(gè)位置；

（4）地層尖滅點(diǎn)為位置，不僅與兩個(gè)鉆孔的相對(duì)位置相關(guān)，還與兩個(gè)鉆孔中上下地層底板高程、地層厚度等相關(guān)，不能簡(jiǎn)單的按照鉆孔間距直接計(jì)算；

通過(guò)與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員的交流，將出現(xiàn)地層局部缺失的原因概化為如下兩種情況：

（1）沉積地層被河流侵蝕：沉積地層在海退暴露地表后，受到地表形成的河流影響，河流所在區(qū)域的地層被不斷侵蝕，導(dǎo)致厚度變薄甚至完全缺失；

（2）侵蝕區(qū)填充地層被侵蝕：暴露在地表的地層因地質(zhì)過(guò)程作用，再一次回到沉積作用為主的環(huán)境中，地層被侵蝕區(qū)域被新的碎屑沉積物填充，形成新的地層。以上兩種情況只是現(xiàn)象說(shuō)明，實(shí)際的地質(zhì)過(guò)程一定是極為復(fù)雜的，海進(jìn)海退及沉積間斷交替進(jìn)行的。

綜合前文分析情況，通過(guò)不斷的總結(jié)嘗試，程序中最終也按以上思維方式來(lái)計(jì)算地層尖滅點(diǎn)的具體位置，具體如圖4 所示。

圖4 中⑥層為典型沉積地層被河流侵蝕（⑥層被侵蝕后，⑤層沉積填充），在程序處理過(guò)程中，首先將缺失⑥層的B 鉆孔標(biāo)記為不參與插值，通過(guò)其他鉆孔⑥層的底板高程，插值得出B 鉆孔所在位置的高程值，可視為被侵蝕前的當(dāng)前位置⑥層的層底高程，將這三點(diǎn)連起來(lái)與⑤層界線的交點(diǎn)即為地層的尖滅點(diǎn)。這種計(jì)算方法看似簡(jiǎn)單，實(shí)則與以往直接平推或者1/2 尖滅有本質(zhì)區(qū)別，該計(jì)算方法計(jì)算出的尖滅點(diǎn)位置與相鄰鉆孔的相對(duì)位置、相鄰鉆孔中地層厚度以及全區(qū)地層的整體走勢(shì)都相關(guān)。

圖5 中④層為典型侵蝕區(qū)填充地層被侵蝕（⑤層被侵蝕后，④層沉積填充后被侵蝕，在鉆孔B處④層完全消失），在程序處理過(guò)程中，首先將缺失④層的B 鉆孔標(biāo)記為不參與插值，通過(guò)其他鉆孔④層的底板高程，插值得出B鉆孔所在位置的厚度值，可視為被侵蝕前當(dāng)前位置④層的厚度。該厚度越大，則說(shuō)明上部地層沉積過(guò)程中對(duì)④層的侵蝕強(qiáng)度越大。本研究中根據(jù)該厚度值反算出的高程值，作為當(dāng)前位置④層的層底高程，將這三點(diǎn)連起來(lái)與③層界線的交點(diǎn)即為地層的尖滅點(diǎn)。

以上兩種情況都是通過(guò)厚度反演的邏輯得到虛擬控制點(diǎn)，然后通過(guò)二次插值的方式與上下地層面求交計(jì)算出實(shí)際尖滅位置的，一致的邏輯也助于程序的具體實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 地層最小厚度

根據(jù)與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員交流，在實(shí)際根據(jù)原始數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔進(jìn)行分層的過(guò)程中，待劃分的目標(biāo)土層厚度小于0.5 m時(shí)，一般是忽略掉該層，與上（下）層進(jìn)行合并處理的。在本研究編制的程序中，也引入了該判斷邏輯，可避免模型出現(xiàn)一些超薄地層導(dǎo)致建模結(jié)果偏離實(shí)際。

3.2.4 未鉆穿地層的處理

對(duì)于鉆孔分層數(shù)據(jù)中最后一層的層底深度數(shù)據(jù)，實(shí)際底界位置一定大于等于該深度。在實(shí)際建模過(guò)程中，如圖6，首先將未鉆穿⑤層的鉆孔B 標(biāo)記不參與插值，通過(guò)其他鉆孔⑤層的底板高程，插值得出B 鉆孔所在位置的深度值，若得到的高程值大于B 孔⑤層深度，則取該深度值為⑤層的層底深度，否則取孔本身的⑤層深度。

3.2.5 未揭露地層的處理

對(duì)于某鉆孔分層數(shù)據(jù)中未揭露某層，處理方式與未鉆穿地層相似，但計(jì)算出的高程受上部地層的底板高程約束。如圖6 中，B 孔中未揭露的⑥層，計(jì)算⑥層層位是B 孔不參與計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果⑥層的底界線不得超過(guò)⑤層底的計(jì)算值。

3.3 插值算法選擇

由于鉆孔之間的距離稀疏程度、方向、數(shù)據(jù)值存在差異，鉆孔以外未知的地質(zhì)特性需要插值和推斷，散亂點(diǎn)插值在地學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，常用的空間插值方法有以下幾種：

（1）距離倒數(shù)加權(quán)法

距離倒數(shù)加權(quán)法用距離的倒數(shù)作為權(quán)值，算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但該法沒(méi)有反映實(shí)際插值曲面的數(shù)據(jù)分布特性，易于局部失真。

（2）最近鄰點(diǎn)法

最近鄰點(diǎn)法以最近鄰點(diǎn)的樣本值作為插值點(diǎn)的值，適用于臺(tái)階型的參數(shù)場(chǎng)。

（3）最小曲率法

最小曲率法是構(gòu)造最小曲率的曲面，主要考慮曲面的光滑性，但不是精確的插值方法，容易嚴(yán)重失真。

（4）三角剖分法

三角剖分法把數(shù)據(jù)點(diǎn)連成三角形網(wǎng)絡(luò)，落在每個(gè)三角形內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)由三角平面方程插值計(jì)算，該法依據(jù)原始數(shù)據(jù)，但繪出的等值線生硬機(jī)械，折線和陡階多，不光滑。

（5）Kriging 插值方法

Kriging 插值方法是法國(guó)地理數(shù)學(xué)家Georges Mathero和南非采礦工程師Krige DG 發(fā)明的一種用于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中金礦品味的優(yōu)化插值方法。Kriging 方法通過(guò)引進(jìn)以距離為自變量的半變差函數(shù)來(lái)計(jì)算權(quán)值，由于半變差函數(shù)既可以反應(yīng)變量的空間結(jié)構(gòu)特性，又可以反映變量的隨機(jī)分布特性，利用Kriging 方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值往往可以取得理想的效果。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)變差函數(shù)，Kriging方法很容易實(shí)現(xiàn)局部加權(quán)插值，克服了一般距離加權(quán)插值結(jié)果的不穩(wěn)定性。

本研究由于條件所限，雖對(duì)各個(gè)插值算法原理進(jìn)行了分析研究，但并未逐一進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，而是借助Surfer 進(jìn)行插值計(jì)算，采用了普遍認(rèn)為較合適的Kriging 插值方法，插值網(wǎng)格點(diǎn)X、Y方向間距約為10 m，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

4 場(chǎng)地案例與精度評(píng)估

本次研究以中山公園所在控詳規(guī)劃單元為研究區(qū)進(jìn)行建模，該研究區(qū)內(nèi)開(kāi)展過(guò)1：2000 圖幅工程地質(zhì)分析評(píng)價(jià)，編制主要土層埋藏分布圖，詳細(xì)的人工繪圖成果可供自動(dòng)建模精度評(píng)估參照比對(duì)。

4.1 場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)概述

中山公園研究區(qū)范圍總面積約4 km2，收集整理各類(lèi)具有利用價(jià)值的工程地質(zhì)鉆孔總計(jì)1817 個(gè)，總進(jìn)尺86164 m，其中大于50 m 的鉆孔842 個(gè)，平均孔深48.41 m，取土樣鉆孔1372 個(gè)，靜力觸探孔435 個(gè)，具體數(shù)據(jù)量見(jiàn)表1。利用工程地質(zhì)鉆孔平面分布見(jiàn)圖7。

4.2 場(chǎng)地地質(zhì)情況

根據(jù)地基土的成因、時(shí)代、結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等，示范單元區(qū)地表下100 m 深度范圍內(nèi)土層分為10 個(gè)工程地質(zhì)層及分屬不同層次的亞層，地質(zhì)時(shí)代為中更新世～全新世。

全新世土層（Qh）一般厚度為20～30 m，在古河道切割區(qū)，厚度達(dá)60 m 左右，共分為五個(gè)大層，土層序號(hào)為① ～ ⑤層，其中：②層分②1 和②3 兩個(gè)亞層，⑤層分為⑤1、⑤2、⑤3、⑤4 共四個(gè)亞層；晚更新世土層（Qp）共分為四大層，土層序號(hào)為⑥ ～ ⑨層，其中，⑦、⑧、⑨均劃分為兩個(gè)亞層，即⑦1、⑦2、⑧1、⑧2、⑨1、⑨2；中更新世土層（Qp2），土層序號(hào)為⑩層。

4.3 鉆孔分層標(biāo)準(zhǔn)化

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化考慮的因素

標(biāo)準(zhǔn)地層主要以上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》（DGJ 08-37-2012）中地層層序表為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合《上海市城市地質(zhì)圖集》中各主要地基土層埋藏分布等值線圖、土層物理力學(xué)參數(shù)、鉆孔描述等進(jìn)行鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化。

4.3.2 地層層級(jí)劃分

標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，地層層級(jí)劃分為二級(jí)，即僅細(xì)分到亞層級(jí)（如⑤1 與⑤2、⑧1 與⑧2 等）。主要是考慮二級(jí)土層間沉積環(huán)境和土性差別較大，而三級(jí)土層間沉積環(huán)境和物理力學(xué)指標(biāo)差異小，且工程建設(shè)過(guò)程中的主要地質(zhì)問(wèn)題基本沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。比如⑤1-1 與⑤1-2，⑧1-1 與⑧1-2 層基本上就是黏土與粉質(zhì)黏土的區(qū)別，物理力學(xué)指標(biāo)差異很小，均屬于黏性土的類(lèi)別，工程建設(shè)及地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要考慮的是地基變形的問(wèn)題。

4.4 典型層建模精度

該區(qū)域共揭露地層10 層，對(duì)于全區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)的地層，因鉆孔數(shù)據(jù)密度較大，三維系統(tǒng)中原有功能也能將成果表達(dá)得很好，以下主要針對(duì)一些局部缺失的地層，與人工繪圖成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證（圖8～ 圖11 中，左圖為筆者優(yōu)化后的建模結(jié)果，右圖為人工繪圖成果）。

4.4.1 ②3 層

該層主要分布在西北部吳淞江以北。該層埋深總體變化不大，層頂標(biāo)高一般在0～1 m 左右。厚度上該層變化較大，在1～16 m 之間，吳淞江沿岸地區(qū)厚度較大（如圖8）。

4.4.2 ③層

該層在區(qū)內(nèi)廣泛分布，僅在吳淞江兩岸②3 層厚度極大區(qū)缺失。軟土層埋深及厚度隨淺部粉土層（②3 層）的厚度變化而變化，②3 層厚度大地區(qū)軟土層埋藏深、厚度薄，反之則埋深淺、厚度大。②3 層缺失區(qū)，軟土層埋深一般為4 m 左右，厚度一般大于12 m；吳淞江兩岸部分地區(qū)②3 層厚度大，軟土層埋深一般均大于10 m，厚度則一般小于8 m（如圖9）。

4.4.3 ⑥層

⑥層為全新世和更新世分界的標(biāo)志層，由于受到古河道的切割，該層分布不連續(xù)。研究區(qū)西部有大的古河道分布，且切割深度大，一般大于40 m（如圖10）。

4.4.4 ⑦層

該層為河流相沉積地層，分布廣泛，在古河道切割較深地區(qū)缺失。受到古河道切割影響，該層埋深、厚度變化較大，其埋藏變化與其上第一硬土層基本一致。正常沉積區(qū)埋深一般為28～31 m。古河道切割區(qū)則由于切割深度的不同，使該層埋深變化差異較大，從35～50 m 不等（如圖11）。

4.5 誤差原因分析

在進(jìn)行程序自動(dòng)生成結(jié)果與人工成圖結(jié)果對(duì)比過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)一些不一致的地方。例如⑥層，由于該層的區(qū)域分布不連續(xù)特征非常典型，從兩圖對(duì)比可看出幾處小范圍不一致，如圖12、圖13 所示。圖中差異較大的有A、B、C 三處，其中，人工繪制的平面分布圖在邊界附近人為的勾出了A、B 兩條河流分支，而程序自動(dòng)繪制的結(jié)果則在C 處多出了小的缺失區(qū)。

經(jīng)過(guò)與鉆孔數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：

（1）河流A 分支處，實(shí)際有鉆孔數(shù)據(jù)約束，且鉆孔中出現(xiàn)了⑥層，屬于鉆孔數(shù)據(jù)與人工成圖結(jié)果矛盾；

（2）河流B 分支處，確實(shí)由于缺少鉆孔控制，程序無(wú)法從鉆孔數(shù)據(jù)直接推斷出該處的河流實(shí)際走向，屬于數(shù)據(jù)精度不足時(shí)人為推斷；

（3）C 所指向的兩處，實(shí)際鉆孔分層中未見(jiàn)⑥層，而人工繪圖有意忽略了這兩處小的缺失區(qū)，屬于鉆孔數(shù)據(jù)與人工成圖結(jié)果矛盾。

三處的對(duì)比驗(yàn)證可以看出，程序始終是忠于數(shù)據(jù)的，而人工繪圖結(jié)果則對(duì)數(shù)據(jù)有選擇性的進(jìn)行了取舍，看似與鉆孔數(shù)據(jù)矛盾卻不能說(shuō)明人工成圖結(jié)果的錯(cuò)誤，可能是鉆孔分層數(shù)據(jù)本身不準(zhǔn)確導(dǎo)致。

5 結(jié)論和展望

本文結(jié)合上海工程地質(zhì)實(shí)際數(shù)據(jù)情況和程序基礎(chǔ)，論證了鉆孔自動(dòng)建模方法的適用性，對(duì)現(xiàn)有三維系統(tǒng)的鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)建模流程進(jìn)行了分解，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)該建模方法中的缺陷；并針對(duì)現(xiàn)有程序中的缺陷，在三維系統(tǒng)框架下，引入地質(zhì)沉積演化過(guò)程，精細(xì)實(shí)現(xiàn)了“根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建地層結(jié)構(gòu)”的過(guò)程；最后結(jié)合中山公園所在控詳規(guī)劃單元內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)，用改進(jìn)后的建模方法進(jìn)行建模；將建模結(jié)果與人工生成的成果圖進(jìn)行對(duì)比，建模結(jié)果能滿(mǎn)足地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員工作要求。

本研究初衷是在現(xiàn)有三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)建模方法來(lái)提升鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)建模的表現(xiàn)能力。隨著研究工作的進(jìn)一步深入，筆者認(rèn)為三維地質(zhì)建模（包括全自動(dòng)建模）工作的主角始終應(yīng)該是地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員，程序算法優(yōu)化能做到的，是在功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用盡可能多的數(shù)據(jù)并忠于數(shù)據(jù)，避免陷入地質(zhì)條件排列組合的思維陷阱。對(duì)于建模原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、判別、加工的過(guò)程則是自動(dòng)建模精度提高的源頭，模型的精度一定是建立在各個(gè)環(huán)節(jié)的精度控制基礎(chǔ)上的。

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