山東省聊城市中心城區(qū)三維可視化地質模型建設

中圖分類號：U455.47 文獻標識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.07.008

0引言

隨著地質大數(shù)據(jù)的應用和城市對地下空間開發(fā)的需求，三維可視化地質模型的構建成為科學合理利用地下空間的基礎前提[1-4]。依據(jù)市礦產資源總體規(guī)劃（2021—2025年），要全面推進市中心城區(qū)城市地質調查工作，建設中心城區(qū)三維地質結構模型，服務市國土空間規(guī)劃和重點工程建設。市水資源豐富，被譽為江北水城[5-8]，地質工作程度相對較高，多年來各部門在中心城區(qū)及周邊開展了大量的不同目的、不同精度的基礎地質、礦產地質、水文地質、環(huán)境地質、工程地質、地球物理及地球化學調查等工作，尤其是城市建設過程中的工程地質勘探工作，積累了豐富的地質研究成果資料及大量的測試、分析、監(jiān)測數(shù)據(jù)和鉆孔資料，為本次三維可視化地質建模工作打下良好的資料基礎。

因此，作為整合基礎地質數(shù)據(jù)的載體，在深入開展城市地質調查的基礎上，建立一套市中心城區(qū)三維可視化地質模型的工作勢在必行。本文依托“市中心城區(qū)城市地質調查項目”，在市中心城區(qū)首次建立起了 100m 以淺的三維可視化地質模型，填補了市中心城區(qū)三維可視化地質模型建設的空白。此模型集成了市中心城區(qū)歷史以來形成的各類地質資料信息，直觀立體地展示了城市地下地質體、地質結構、地質構造、地質資源和地質環(huán)境等地質信息，實現(xiàn)了對市中心城區(qū)本次城市地質調查工作可量化的工程地質環(huán)境適宜性評價，地下空間開發(fā)利用適宜性評價等，將為市城市精細化管理提供可靠的地質服務。

三維地質建模方法綜述

地質數(shù)據(jù)的多元異構性，決定了三維模型的構建關鍵在于建模方法的選擇，目前對三維地質模型的構建方法已有了不少研究，但由于地質科學的特殊性及復雜性，沒有一種通用的方法，需要根據(jù)具體地質情況及任務需求選擇合適的方法[9-10]。

三維地質模型的概念最早是由加拿大學者Si-monHoulding于1993年提出的[11]，三維地質可視化的技術方法研究在國外開展較為成熟[12]，英國、德國等國家三維地質建模技術成型度較好。韓征等[13]指出，英國已經(jīng)完成的國家地質模型和不同比例尺的基巖地質模型最具完整性和系統(tǒng)性，其主要采用的方法為多比例尺的地理空間模型構建。德國采用了精細化三維地質模型構建的方法，通過統(tǒng)一的軟件對模型進行集成和顯示。

20世紀90年代，國內開始三維地質可視化技術的研究。朱良峰等[14]提出的以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎構建三維地質實體模型，此種方法快速易實現(xiàn)，適合計算機自動建模，但此方法是需要獲取大量的地質鉆孔數(shù)據(jù)，并且需要對數(shù)據(jù)進行有效的篩選，需要進行虛擬鉆孔布設。屈紅剛，潘懋，明鏡等[15]提出的利用折交叉剖面進行地質三維結構建模的方法，此種方法結合傳統(tǒng)地質剖面構建，適合不規(guī)則區(qū)域的三維地質建模，此方法構建模型速度快，結合地質知識的融入，可以較為準確地通過人機交互的模式完成三維地質模型構建。馬仁安、王煥弟等[16-17]提出的石油物探三維地質模型構建，其應用范圍主要是利用地震物探三維場數(shù)據(jù)，對油氣地層進行建模。周良辰等[18]提出的多源數(shù)據(jù)融合建模法，其融合了基礎地理信息數(shù)據(jù)，物探數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)，用空間插值法來構建地質三維模型，建模過程中需將建模數(shù)據(jù)統(tǒng)一到鉆孔數(shù)據(jù)上來，建立虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，利用鉆孔數(shù)據(jù)進行有效的插值計算，此方法建模速度較快，為保證準確性也需引入專家知識庫。

相比于此前國內外三維地質模型的建模方法，本次以交互式建模方式為主、自動建模方式為輔的建模方法更為符合市城市地質的實際情況，既有效利用了軟件內置算法對建模數(shù)據(jù)的快速篩選，快速構建，又結合專家經(jīng)驗對算法進行即時修正，進而對數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性及準確性有了全面的把握，克服了此前三維地質建模方法研究性大于應用性的缺點。建模完成后通過對模型的實地驗證，也證實了此次建模建設方法的先進性、全面性和準確性。

2 區(qū)域概況、地質背景及研究現(xiàn)狀

2.1 區(qū)域概況

本次研究區(qū)范圍為市中心城區(qū)，北至規(guī)劃北苑路、西至德商高速公路，東至機場東路，南至規(guī)劃南苑路，建模區(qū)面積 402km²"（圖1）。市中心城區(qū)地貌類型單一，為黃河沖積平原，地形平坦。微地貌形態(tài)主要為淺平洼地和緩平坡地。全區(qū)被第四系覆蓋，淺部為黃河泛濫沖積形成的松散沉積層，深部沉積物來自南部的泰山山脈。

2.2 地質背景

二級構造斷裂-蘭考斷裂在中心城區(qū)東部呈SW一NE走向穿過，將中心城區(qū)新生代沉積基底切割成東西兩部分。東部缺失古近紀沉積地層，新近紀地層也相對較薄，基巖為晚古生代碎屑巖和早古生代碳酸鹽巖，西部古近紀地層下部為中生代侏羅紀、白堊紀碎屑巖。

市中心城區(qū) 100m 以淺地層分布簡單，地面全被第四紀黃河組覆蓋。從上至下，由新到老，地層分布為：黃河組、黑土湖組、平原組。

黃河組和黑土湖組穿插分布，總厚度一般 10～ 20m ，屬第四紀全新統(tǒng)河湖相沉積，下部均為平原組，為第四紀中上更新統(tǒng)河流沉積。地層成層性良好，黏性土層（黏土、粉質黏土）和砂層（砂、粉土）相間分布。

從東西剖面（圖1）可知，地層延續(xù)性及完整性相對較好，砂層完整，厚度大；從南北剖面（圖2）可知，地層相對較零碎，砂層不夠完整，厚度相對較小，表現(xiàn)多層性。

2.3 研究現(xiàn)狀

2015年，開展了“市城市地質調查\"工作并提交成果報告及相關圖件、數(shù)據(jù)庫。施工了60眼50m，10 眼 100m 的工程地質勘探孔，并獲取了工程地質物理力學參數(shù)，初步建立了城市地質信息管理系統(tǒng)。

2020年起，山東省自然資源廳開展“透視山東一地質信息集成與綜合利用”項目，建立了全省1：25 萬精度 1 000m 深度的三維可視化地質結構模型，編制了全省城市地質調查工作系列技術要求，為三維地質建模提供了經(jīng)驗和可借鑒的成果。

1—人工回填土；2—黃河組黏土;3—黃河組粉質黏土;4—黃河組粉土;5—黃河組粉砂;6—黑土湖組粉質黏土；7—黑土湖 組粉土;8—平原組黏土;9—平原組粉質黏土;10—平原組粉土;11—平原組粉砂;12—平原組細砂;13—平原組中砂;14— 平原組灰粉砂;15—平原組灰細砂;16—鉆孔編號/鉆孔標高 Π（m） 。

3 市中心城區(qū)三維地質模型建模

市中心城區(qū)三維可視化地質模型建設工作充分考慮了國內外各種三維地質模型建模方法，根據(jù)市中心城區(qū)的地質構造特征，采用了以鉆孔的分層、高程和坐標資料為主要依據(jù)，結合標準比例尺的區(qū)域地質圖，現(xiàn)勢性較好的DEM數(shù)據(jù)和其他相關地質資料，利用由地質專家經(jīng)驗知識構建的交叉剖面，使用MapGIS三維建模軟件，以交互式建模方式為主、自動建模方式為輔的建模方法。

3.1 建模步驟

首先對已有的鉆孔數(shù)據(jù)、二維地質數(shù)據(jù)庫進行甄別選用，確定三維地質模型建設所需數(shù)據(jù)的類型、精度；統(tǒng)一擬建三維地質體的地層劃分標準，該標準是標準化處理鉆孔分層、標準化繪制地質剖面圖的重要依據(jù)；在研究區(qū)范圍合理布置地質剖面線，確定地質剖面線的走向、間距，確定用于繪制剖面圖的鉆孔篩選原則。然后應用自動生成地質剖面圖的軟件功能，及地質專家的人工干預繪制標準地質剖面圖；在三維視圖中，結合帶DEM的地表地質圖、一定網(wǎng)度的地質剖面圖，采用交互式建模方式為主、自動建模方式為輔的方法構建三維地質模型。

3.2 數(shù)據(jù)準備

3.2.1 鉆孔資料的準備

鉆孔資料是三維地質模型建設的基礎數(shù)據(jù)[19]本次具有確定地層分層，且符合標準化的鉆孔共有2094個，對符合標準的鉆孔數(shù)據(jù)、進行甄別選用，確定三維地質模型建設所需鉆孔數(shù)據(jù)的類型、精度。由于鉆孔來源于不同的勘探單位，分布不均，有些地方鉆孔密集，有些地方鉆孔稀疏，這給如何選擇鉆孔來參與建模帶來難度。在選擇鉆孔時，不僅要考慮鉆孔的重要性，還要兼顧鉆孔的密度分布。

3.2.2 高精度區(qū)域地質圖的準備

高精度的區(qū)域地質圖數(shù)據(jù)庫是建立三維地質模型時約束地表地層分布范圍、分析地層產狀、分析地質構造的重要數(shù)據(jù)基礎。在實際工作中，當鉆孔揭露的地層與區(qū)域資料矛盾時，引入地質專家知識將鉆孔信息與地質圖進行了對比分析、相互校正。

真土;2—黃河組黏土;3—黃河組粉質黏土;4—黃河組粉土;5—黃河組粉砂;6—平原組黏土；7—平原組粉質黏 土；8—平原組粉土;9—平原組粉砂;10—平原組細砂;11—鉆孔編號/鉆孔標高 Π（m） 。

3.2.3 DEM數(shù)據(jù)的準備

DEM高程數(shù)據(jù)庫是控制三維地質模型地形起伏的地表約束條件。選取的數(shù)字高程數(shù)據(jù)庫要求完全覆蓋本次市中心城區(qū)建模范圍、比例尺合適、時效性最新。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 地層分層標準劃分

建立三維地質構造模型之前，需明確地層劃分方式、劃分級別、命名規(guī)則等，即建立市中心城區(qū)工作范圍內的三維地質模型地層劃分標準表（表1）。利用這個標準有序、規(guī)范地建立三維地質體，該標準也是標準化處理鉆孔分層、繪制標準地質剖面圖的重要依據(jù)。通過統(tǒng)計覆蓋市中心城區(qū)建模區(qū)平面和 100m 深度可能出現(xiàn)和所有地層名稱，然后再按現(xiàn)有地層劃分及命名規(guī)則進行對比校正，最終將地層時代劃分和命名進行統(tǒng)一。

3.3.2 鉆孔的標準化

鉆孔的標準化實現(xiàn)了地質大數(shù)據(jù)對鉆孔數(shù)據(jù)的要求[20]，將鉆孔數(shù)據(jù)進行有效應用是生產建設等各方面工作的前提[21]，三維地質建模采用的鉆孔越多越好，其建模精度也越高。本次收集了3000多個鉆孔，篩選了2094個鉆孔用于繪制標準地質剖面圖，建立單元格模型。選擇本次城市地質調查施工的鉆孔（現(xiàn)勢性好），地層分層信息明確的控制性鉆孔，深度較大的鉆孔開展抽水試驗、土工試驗、樣品采集、光釋光測年等重要試驗的鉆孔，鉆孔資料稀少的相對空白區(qū)域內的鉆孔作為基準孔。將鉆孔分層信息統(tǒng)一標準，即按照三維地質模型地層分層標準處理鉆孔，再利用標準化的鉆孔繪制標準地質剖面。

3.3.3 剖面線布置

基于剖面的三維地質建模數(shù)據(jù)來源較廣，便于已經(jīng)習慣于使用地質剖面圖的地質人員理解和使用[22]。地質剖面線是建立三維地質模型的基本框架，直接決定三維地質模型質量和準確度。

市中心城區(qū)范圍內及深度內的地層均為第四系，剖面線的布置需結合已有鉆孔的分布及地層資料的完整性，引人地質專家知識形成最終的布設結果。剖面分布密度需要根據(jù)項目實際情況酌情考慮，平衡控制。本次布置了30條剖面，東西方向14條，南北方向16條，形成基本正交的網(wǎng)格狀（圖3），剖面上利用實際鉆孔197個，于建模區(qū)外圍布設虛擬邊界控制鉆孔38個。

1—本次施工鉆孔;2—上輪施工鉆孔;3—淺層地熱能孔;4—地熱地質孔;5—水文地質孔;6—地下水監(jiān)測孔；7—煤 田勘探孔；8—城市工勘孔；9—虛擬孔。

3.3.4 標準地質剖面圖的繪制

標準地質剖面圖和符合精度要求的區(qū)域地質圖數(shù)據(jù)庫是建立三維地質模型的主體框架。區(qū)域地質圖數(shù)據(jù)庫控制三維地質模型中地層和地質體在平面上的分布；標準地質剖面圖控制三維地質模型中主要地層和地質體在垂向上的空間分布形態(tài)。因此標準地質剖面圖的繪制是構建三維地質模型的重要環(huán)節(jié)。首先自動根據(jù)標準化后的鉆孔和地層一致性處理后的地質圖繪制出地質剖面，然后由地質人員根據(jù)地質專業(yè)知識手動修正剖面。為保證地質剖面圖的準確性、合理性，在繪制地質剖面圖時需考慮地表高程的約束，地層分區(qū)的約束，標準化鉆孔的約束等各種地質條件的約束。

通過最新的地表高程DEM，保證了地質剖面圖地形起伏的時效性；通過分析鉆孔數(shù)據(jù)，挖掘鉆孔分層中可利用的信息，進一步提高地質剖面圖中地層分界線的準確性；同時在鉆孔標準化、剖面附屬性過程中嚴格注重與行業(yè)標準規(guī)范之間的銜接，如砂層外推不超過兩孔之間距離的1/3，黏性土層外推不超過兩孔之間距離的1/2，并及時運用行業(yè)內最新的地質成果數(shù)據(jù)，保證了標準地質剖面圖的規(guī)范性、權威性，剖面上每一個標準地層均賦予屬性。最終繪制的標準地質剖面圖不論在區(qū)域地質背景上，還是在局部地層接觸關系上都經(jīng)得起推敲，是三維地質建模的主要依據(jù)。

4三維地質模型建設與應用

4.1 三維地質模型建設

將繪制完成的中心城區(qū)建模區(qū)域內的交叉剖面圖導入MapGIS三維建模軟件，將立體空間分割成多個單元格，建模的最小單元就是一個個單元格，利用單個單元格內一系列閉合輪廓線建立起曲面片，進而確定該單元格內所有地質體的空間幾何形態(tài)，形成一個單元格地質塊體，最后將每個單元格的地質塊體進行合并形成完整的地質體模型。建模過程中除剖面外還可利用游離鉆孔、地層厚度等值線等能夠揭示地下地質體和地層的信息來控制地層產狀，增加模型的準確性，最終建立起市中心城區(qū) 100m 以淺的三維可視化地質模型，將不可見的地下結構清晰直觀的進行可視化展現(xiàn)（圖4）。

4.2 三維地質模型應用

市中心城區(qū)三維可視化地質模型通過其場景設置、通用拾取、任意切割、爆炸顯示與拖拽、基坑開挖與多視角漫游、虛擬鉆孔等基本功能，在城市地面建設、地下空間開發(fā)利用規(guī)劃和建設中，發(fā)揮先導性服務或指導性建議?？赏瑫r獲取多條規(guī)劃路線的地質剖面圖，進行適宜性分析，選取合適線路（圖5）。

可進行多個規(guī)劃片區(qū)基坑開挖，掌握規(guī)劃片區(qū)柵格化的地質結構，或地下空間開挖后的邊坡結構，分析邊坡穩(wěn)定性；可通過場地鉆孔虛擬，精細掌握場地地質結構和工程地質性質；可通過隧道漫游，獲取隧道地質結構、地下水等信息，分析隧道建設的難易 程度及安全性等（圖6）。

5 結論

（1）本次研究以市中心城區(qū)為對象，首次構建了 100m 以淺的三維可視化地質模型，填補了該區(qū)域地下空間精細建模的空白。通過綜合分析2000余眼標準化鉆孔數(shù)據(jù)、高精度DEM數(shù)據(jù)及多源地質資料，采用以交互式建模為主、自動建模為輔的創(chuàng)新方法，有效解決了傳統(tǒng)建模中數(shù)據(jù)異構性高、建模效率低的問題。交互式建模通過引入地質專家經(jīng)驗，結合MapGIS軟件算法對地層產狀、構造邊界及虛擬鉆孔布設進行動態(tài)修正，顯著提升了模型對復雜第四系沖積層結構的刻畫能力。

（2）本研究為黃河中下游沖積平原區(qū)三維地質建模提供了技術范例，其標準化數(shù)據(jù)整合流程與多源數(shù)據(jù)融合方法具有推廣價值。未來可根據(jù)工作需要進一步拓展建模深度，整合實時地下水監(jiān)測與InSAR地表形變數(shù)據(jù)，構建“空一地一地下”一體化動態(tài)模型，推動智慧城市地質管理系統(tǒng)的深化應用。

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Abstract：Accompanying with urban development， investigating 3D geological structures， geological resources and environmental conditions，expanding the development space of the city has become an important task in the current urban geological work in the central urban area of Liaocheng.Constructing a three -dimensional visualization geological model of the central urban area of Liaocheng city has become a key carrier for this task.Relies on urban geological survey project in the central urban area of Liaocheng city， and considering various existing methods comprehensively，by using more than 2Ooo borehole data which can cover the entire area of Liaocheng central urban area，digital elevation data and geological reports of Liaocheng central urban area over the years，regarding regional geological maps as data materials and main basis，taking interactive modeling as main method，supplemented by automatic modeling，a three一dimensional visualization geological model has been constructed .On the premise of ensuring accurate data and visual expression，the modeling eficiency can be improved.For the first time，a 3D visualization geological model with a depth of less than1Oo meters has been constructed in the central urban area of Liaocheng city. It can be applied to urban construction planning through scene setings and other functions. It can analyze geological conditions， such as routes，foundation pits and tunnels.It willprovide geological services for urban management. It also can serve as a model for similar modeling in the middle and lower reaches of the Yellow River.

Key words： 3D visualization; geological model; cell modeling; Liaocheng city; Shandong province