城市地下空間三維地質(zhì)建模及應用研究

摘要：[A2]"在城市化進程加速背景下，城市地下空間的合理開發(fā)與利用愈發(fā)重要。城市地下空間三維地質(zhì)建模作為一項關(guān)鍵技術(shù)，對城市規(guī)劃、工程建設(shè)、防災減災等多個領(lǐng)域都具有深遠意義?；诖?，圍繞城市地下空間三維地質(zhì)建模進行研究。結(jié)合南寧市的具體情況，明確三維地質(zhì)建模技術(shù)的目標，闡述了項目的具體實施情況。旨在通過研究，提升南寧市城市規(guī)劃、管理和服務(wù)的整體水平，推動智慧城市建設(shè)，保障城市安全。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè) 地下空間 三維地質(zhì)建模 GIS技術(shù)

Research on 3D Geological Modeling and Application of Urban Underground Space

——Taking Nanning City as an Example

LU Qun

Nanning Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530200 China

Abstract： In the context of acceleration of urbanization， the rational development and utilization of urban underground space have become increasingly important. Three-dimensional geological modeling of urban underground space， as a key technology， has profound significance in various fields such as urban planning， engineering construction， disaster prevention and reduction， and other fields. Based on this， research is conducted on the three-dimensional geological modeling of urban underground space. Based on the specific situation of Nanning City， the technical goals of three-dimensional geological modeling technology are clarified， and the specific implementation of the project is elaborated. The aim is to improve the overall level of urban planning， management， and services in Nanning City through research， promote the construction of smart cities， and ensure urban safety.

Key Words： Urban construction; Underground space; 3D geological modeling; GIS technology

南寧市地質(zhì)災害類型豐富、分布廣泛且穩(wěn)定性差，其形成與地形地貌、地層巖性等地質(zhì)環(huán)境緊密相關(guān)。在城市規(guī)劃進程中，地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，借助這些數(shù)據(jù)，開展選址適宜性與地下空間分析，能夠有效規(guī)避地質(zhì)災害風險。然而，現(xiàn)有研究在地下空間三維地質(zhì)建模的針對性和精準度上有所欠缺，難以滿足南寧市復雜地質(zhì)條件下城市規(guī)劃與建設(shè)的需求。在此背景下，本研究聚焦南寧市，通過構(gòu)建地下空間三維地質(zhì)模型，將地質(zhì)數(shù)據(jù)進行直觀、精準的可視化呈現(xiàn)。運用先進的建模技術(shù)，對南寧市地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行全方位解析，以期進一步明晰地質(zhì)災害的形成機制與分布規(guī)律。同時，借助模型，開展地下空間規(guī)劃應用研究，為南寧市城市規(guī)劃、地下空間開發(fā)和地質(zhì)災害防治提供科學、可靠的決策依據(jù)。

1三維地質(zhì)建模技術(shù)的目標

本項目以地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、數(shù)據(jù)抽取-轉(zhuǎn)換-裝載（Extract-Transform-Load，ETL）技術(shù)為核心，重點對南寧市展開深入研究，旨在整合多年工程勘察的鉆孔資料，以及各項專題調(diào)查中積累的大量多層次、多專業(yè)的地質(zhì)資料，通過制定科學合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與標準，將這些地質(zhì)資料進行系統(tǒng)整理和規(guī)范化處理。根據(jù)實際需求，將地質(zhì)資料分為6類進行整理，涵蓋了地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水文等多個方面，對多源海量數(shù)據(jù)進行深度整合，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為便于使用的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫。這一過程實現(xiàn)了對城市多源、海量、異構(gòu)、多期次、不同比例尺地質(zhì)數(shù)據(jù)與相關(guān)資料數(shù)據(jù)的預處理、數(shù)字化、規(guī)范化處理、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)檢查、資料維護與更新等一系列操作，為三維城市地質(zhì)信息的便捷應用、科學化管理與網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)^[1]。

2 項目的具體實施情況

2.1第一階段——地質(zhì)數(shù)據(jù)梳理

在這一階段，項目團隊對前期已收集的地質(zhì)資料展開了細致的梳理和清洗工作，剔除了坐標、高程不規(guī)范、地層信息錯誤、厚度較淺的勘察項目，共保留可用的工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)61 582個。通過嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量把控流程，確保鉆孔和地層數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。同時，持續(xù)收集南寧市地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步豐富數(shù)據(jù)庫中地下水水位數(shù)據(jù)資源。例如[A3]"：對地下水水位數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析，可以幫助項目團隊了解地下水位的變化規(guī)律，為地下水資源的合理開發(fā)和利用提供科學依據(jù)。

2.2第二階段——城市三維地質(zhì)模型構(gòu)建

基于地質(zhì)數(shù)據(jù)特征與南寧市復雜的地質(zhì)條件，項目團隊精心構(gòu)建標準地層體系，這一體系的建立為準確描述地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了統(tǒng)一的標準和框架。同時，積極開展南寧市地方標準《城市地質(zhì)信息數(shù)據(jù)規(guī)范》的編制工作，推動城市級三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。在構(gòu)建過程中，充分考慮了南寧市不同區(qū)域的地質(zhì)差異，運用先進的建模算法和技術(shù)，確保模型能夠真實、準確地反映地下地質(zhì)情況。

2.3第三階段——南寧市地質(zhì)災害隱患點篩查

通過干涉合成孔徑雷達（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實時獲取地表的微小變形信息，結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)，判斷這些變形是否可能引發(fā)地質(zhì)災害，并且及時采取相應的防范措施^[2]。項目團隊結(jié)合InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)與豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)，全面開展了南寧市地質(zhì)災害隱患點的篩查工作，通過對這些數(shù)據(jù)的深度分析和比對，能夠準確識別潛在的地質(zhì)災害隱患區(qū)域；同時，結(jié)合地下水水位變化趨勢，深入分析城市地表沉降原因，對地面沉降風險進行科學評估。在此基礎(chǔ)上，形成南寧市地質(zhì)災害預測分析評估報告，為城市的防災減災工作提供了重要的決策依據(jù)。

2.4第四階段——項目文檔整理和總結(jié)

在這一階段，項目團隊對整個項目過程中取得的成果與研發(fā)過程材料進行系統(tǒng)整理，將項目實施過程中的各項數(shù)據(jù)、分析報告、技術(shù)文檔等進行分類歸檔，形成完整的項目驗收成果材料。這些成果材料不僅是對項目工作的全面總結(jié)，也為后續(xù)的相關(guān)研究和應用提供了寶貴的參考資料。

3南寧市淺表地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享平臺構(gòu)建

3.1數(shù)據(jù)管理與維護子系統(tǒng)

在搭建南寧市城市級三維地質(zhì)模型過程中，經(jīng)過嚴謹?shù)暮Y選和數(shù)據(jù)處理，項目團隊采用了南寧市巖土工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)61 582個。這些鉆孔數(shù)據(jù)分布在133個地質(zhì)地貌單元中，其中，單一地質(zhì)地貌單元鉆孔數(shù)據(jù)最多為12 236個。然而，有30個地質(zhì)地貌單元中無詳細鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)在建模區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出大面積離散、不均勻分布的特點，在空間中主要聚集分布在研究區(qū)的西部、西南部，而研究區(qū)東部區(qū)域數(shù)據(jù)分布相對稀疏。

3.2地質(zhì)空間信息共享與服務(wù)平臺

地質(zhì)空間信息共享與服務(wù)平臺以數(shù)據(jù)共享機制為基礎(chǔ)，在面向Internet的多維動態(tài)地質(zhì)環(huán)境信息展現(xiàn)與分析技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，結(jié)合了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、WebGIS、WebService和GIS相關(guān)技術(shù)。這一平臺具有強大的功能，能夠調(diào)用和發(fā)布所有二三維數(shù)據(jù)服務(wù)，為用戶提供豐富的數(shù)據(jù)資源。用戶可以對地質(zhì)三維模型進行預覽和數(shù)據(jù)的基本操作與查詢，直觀地了解地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息。同時，平臺還能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)提供給其他應用系統(tǒng)進行調(diào)用與分析使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及其服務(wù)的綜合管理。通過這種方式，不同部門和領(lǐng)域的用戶可以根據(jù)自身需求獲取和利用地質(zhì)數(shù)據(jù)，促進了地質(zhì)數(shù)據(jù)在城市建設(shè)和管理中的廣泛應用^[3]。

4搭建南寧市城市級三維地質(zhì)模型

4.1隱式三維地質(zhì)建模方法

對地質(zhì)界線數(shù)據(jù)進行了一系列處理：對于部分小區(qū)域無鉆孔的地質(zhì)地貌單元，與周圍相同地質(zhì)年代的地層進行了合并，以保證地層的連續(xù)性和完整性；對于重疊的地質(zhì)地貌單元區(qū)域，進行了重新劃分，使地質(zhì)界線更加清晰準確。依據(jù)上述南寧市工程地質(zhì)巖組（層）劃分標準，以地質(zhì)年代作為建模地層主層、巖性作為建模地層亞層，結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到10個地層主層，其中：分層系統(tǒng)中的08二疊系P、11寒武系ε未在鉆孔數(shù)據(jù)中找到。針對主層地層，利用鉆孔數(shù)據(jù)進行了建模實驗，建模網(wǎng)格精度為500 m。建模結(jié)果直觀地展示了地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的大致輪廓，結(jié)合61 597個鉆孔數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到地層主亞層共119個。由于涉及地質(zhì)地貌分區(qū)較多，部分地質(zhì)地貌單元情況較為復雜，需要要針對性考慮和設(shè)計，因此，該亞層三維地質(zhì)模型目前完成了其中一部分，其他地質(zhì)地貌單元仍在緊張的構(gòu)建過程中^[4]。

4.2平臺自動構(gòu)建地質(zhì)體方法

采用南寧市淺表地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享平臺的三維地質(zhì)建模與可視化系統(tǒng)。首先，分區(qū)域提取建模邊界線文件，通過矢量數(shù)據(jù)查詢功能，篩選出深度大于30 m的鉆孔65 693個。其次，將鉆孔數(shù)據(jù)和邊界約束數(shù)據(jù)進行建模，通過自動構(gòu)建地質(zhì)體功能創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，這一過程實現(xiàn)了建模的自動化和高效性，大大提高了建模的速度和質(zhì)量^[5]。

4.3結(jié)合專家模式的模型精修

在城市級三維地質(zhì)模型構(gòu)建中，人工精細化干預是平衡效率與精度的重點問題。自動內(nèi)插技術(shù)基于鉆孔數(shù)據(jù)生成初始模型時，數(shù)據(jù)空間分布異質(zhì)性與地質(zhì)構(gòu)造復雜性常導致局部畸變，這要求地質(zhì)人員基于地表地質(zhì)圖開展多維度校正。表層修正需要融合斷層展布軌跡、巖性邊界突變特征等關(guān)鍵信息；深部結(jié)構(gòu)優(yōu)化則依賴區(qū)域地層層序律與構(gòu)造運動規(guī)律，通過調(diào)整地層接觸面產(chǎn)狀參數(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)邏輯分析；對于鉆孔稀疏區(qū)或褶皺斷裂帶等特殊區(qū)域，采取網(wǎng)格節(jié)點手動調(diào)節(jié)與虛擬鉆孔植入，構(gòu)成精度補償?shù)碾p重路徑。引入專業(yè)經(jīng)驗后，模型地層厚度誤差可以得到明顯的控制，經(jīng)過多輪次迭代優(yōu)化，最終模型在拓撲結(jié)構(gòu)完整度指標上普遍提升，其空間解析能力可支持地下30 m深度范圍內(nèi)的地下管廊選線和基坑開挖模擬。

5城市地下空間三維地質(zhì)建模案例分析

南寧市是喀斯特地區(qū)之一，其地下空間開發(fā)面臨著巖溶發(fā)育、裂隙發(fā)育等復雜地質(zhì)環(huán)境。因此，建立三維地質(zhì)模型是解決該問題的關(guān)鍵。

在成本預測上，以某工程為研究對象，采用三維地質(zhì)模型，準確辨識地下洞室分布與地層特征，優(yōu)化樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工方案，使工程造價估算誤差量得到了有效控制，同時還實現(xiàn)了造價節(jié)約控制。在工程應用方面，該項目采用三維地質(zhì)建模技術(shù)，實時更新地下水位和地層參數(shù)，對支護方案進行動態(tài)調(diào)整，以規(guī)避由于地質(zhì)條件不確定引起的坍塌風險，提高施工效率，縮短工期。[A5]"例如：針對南寧市某地下停車場工程，采用3D地質(zhì)模型對停車場與設(shè)備層進行精確規(guī)劃，避免了地下河與軟弱土層，使場地利用率得到了有效提升，并且減少后期維修費用。在此基礎(chǔ)上，三維地質(zhì)模型可以為南寧市綜合管廊的規(guī)劃設(shè)計提供科學依據(jù)，對不同地質(zhì)情況下的管道敷設(shè)方案進行優(yōu)化，從而降低工程中的地質(zhì)風險。通過對南寧市三維地質(zhì)模型的研究，可以為合理預測工程成本、安全施工、合理使用空間等問題提供重要的技術(shù)支持。

6結(jié)語

總之，通過本項目在南寧市的實施，城市地下空間三維地質(zhì)建模和應用取得了顯著進展，為城市的發(fā)展和安全提供了重要支撐。未來，我們應持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展、不斷完善技術(shù)和方法，推動其在更多領(lǐng)域的廣泛應用，為城市建設(shè)和管理帶來更大的效益。

參考文獻

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