基于MapGis K10平臺的張家界市中心城區三維地質模型建立

潘卓，鄧波，李嘉寶

文章編號：1672-5603（2020）02-74-6

摘 要 張家界地貌以山地丘陵為主，地質條件復雜，地質資料稀缺，存在發生地質災害的隱患。摸清本區的地質構造，建立張家界中心城區三維地質模型，能夠為中心城區深部地質特征研究提供參考依據。本論文以湖南省財政項目—《張家界城市地質環境綜合調查評價》成果為依托，全面收集工作區內的基巖地質圖件、第四系地質圖件、鉆孔數據等資料，對中心城區地質環境條件進行系統分析研究，基于mapgis k10平臺的三維地質建模功能，建立張家界中心城區81.74km2的三維地質模型。

關鍵詞 三維地質建模;mapgis k10;交互建模;分區圖自動建模

中圖分類號：P628 文獻標識碼：A

Establish Of Three-dimensional Geological Model in Zhangjiajie's Central Urban Area Based on MapGis K10 Platform

Pan Zhuo， Deng Bo， Li Jiabao

（Natural Resources Affairs Center of Hunan Province，Changsha Hunan 410004）

Abstract： In Zhangjiajie city， landscape is dominated by mountain and hill， geological conditions are complex and geological data is scarce， there are hidden danger of geological hazards occurred. Surveying regional geological structure and establishing three-dimensional geological model in central urban area of Zhangjiajie city can provide a reference basis for study on deep geological characteristics of central urban area. Based on the financial project of Hunan Province "comprehensive investigation and evaluation of urban geological environment in Zhangjiajie"， this paper comprehensively collects data of bedrock geological map， Quaternary geological map and borehole data in the working area， and systematically analyzes and researches the geological environment conditions in the central urban area. And the three-dimensional geological model of 81.74km2 in central urban area of the Zhangjiajie has been built by using the three-dimensional geological modeling function of the MAPGIS K10 platform.

Keywords： three-dimensional geological modeling; mapgis k10; interactive modeling; automatic modeling of partition map

0 引言

在三維可視化和地質建模方面的研究中，發達國家起步較早，早在1987年Calson E.就從地質學的角度提出了地下空間結構的三維概念模型[1]。1989年Bak、Smith和Raper提出地學信息的三維表達形式。國外相繼出現了很多成熟三維地質軟件[2] [3]，如澳大利亞的Surpac，美國的M-KEagles等。而國內在2005年城市地質調查試點工作開展后，相繼有6個城市建立了三維可視化信息平臺及三維地質模型。

該類型服務平臺以服務城市經濟社會可持續發展為宗旨，在充分整合已有地質成果的基礎上，以mapgis為平臺，盡可能擴大了信息類地質資料社會化公益性服務的范圍，提升了公益性地質資料的服務水平。

本論文主要是探討在mapgis K10平臺下，利用城市地質環境調查成果建立張家界中心城區三維地質模型的思路，所遇到的相應問題及解決方式。

1 管理服務系統及三維地質建模概述

張家界市三維可視化城市地質信息管理與服務系統是基于中地公司mapgis K10平臺而開發，集成了張家界市多年來的地質成果資料，建立了張家界市城市地質環境調查成果數據庫，將地質調查工作與信息化相融合，采用B/S和C/S相結合的模式，所研發的信息系統能夠服務于社會公眾、專業人員和政府管理人員，增強了城市地質服務于城市規劃、建設與管理的快速反應能力，并可提供城市規劃與選址、地下資源開發、地質災害防治等方面的基礎地質信息。

三維地質建模屬于該系統中的三維展示與分析子系統，其作用主要是區別地質成果以往的二維表達方式，通過張家界城市地質多專業數據，實現三維地質模型的構建，讓成果表達更直觀，讓分析過程更簡單，見圖1。

2 建模區簡介

建模區范圍包含了規劃城市建成區及部分中心城區城市建設發展區，范圍內北至沙堤，南至焦柳鐵路，東至陽湖坪組團，西至楓香崗組團，面積81.74km2。

建模區內基巖地層由老至新出露主要有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、白堊系。第四系地層以白水江組及橘子洲組為主。區內構造發育不強烈，無活動斷裂。

建模區內主要地質環境問題包括特殊類土、地質災害及巖溶地質問題。特殊類土主要是指淤泥質土，該類土主要是分布在永定、荷花及陽湖坪組團離澧水河較近的范圍內，在建筑物荷載的作用下容易發生不均勻下沉和大量下沉，而且下沉緩慢，完成下沉的時間長。地質災害主要指滑坡與崩塌。巖溶地質問題主要有巖溶塌陷、溶洞坍塌及巖溶滲漏。

3 建模區三維地質建模

3.1 建模思路與方法

本次三維地質建模功能主要是基于張家界城市地質多源專業數據，實現三維地質模型的構建，包括工程地質模型、基礎地質模型、水文地質模型。本次工作建模軟件是武漢中地公司開發的“張家界市三維可視化城市地質資料信息服務與管理系統”，針對于建模區情況選擇以下兩種建模方法。

3.1.1 ?交互式建模

交互式建模法，是基于交叉剖面的半自動交互式建模，需要根據鉆孔建立三維地質剖面圖。其優點是可以解決復雜的地層結構例如斷層、透鏡體等問題，即在相應的單元格原件構造等問題采用人工干預處理，該半自動的建模方式更能夠接近實際情況;缺點是建模過程較繁瑣，建模消耗時間長，不易于模型的修改。

張家界地區結合地形地質圖進行建模的這種方式在國內屬于第二例，本次采用的交叉網格建模，對于剖面要求更高，建模難度更大。建模中有相當大的工作量是在前期數據處理上，以下是建模流程，見圖2。

這種方法最大的創新之處是結合了垂向地質數據（地質剖面）和水平向地質數據（平面地質圖）。在以往的城市地質建模過程中，通常只使用了垂向地質數據，而平面地質圖基本只是作為建模過程中的一個參考數據，平面地質圖的作用并沒有完全發揮出來，其實在這種建模過程中，平面地質圖中包含的地質信息大部分都被舍棄掉了。而本次交叉網格建模法則完全消除了這種弊端，也基本解決了丘陵地區復雜地質條件下難以客觀真實表達地層接觸關系、地層之間易穿插、地表高程和地質情況表達嚴重失真等三維空間地學數據庫的建庫難題，大大提高了模型的精度。

此外，針對張家界的地質環境條件及相應的需求，我們也提供了一些特殊的功能，如通過剖面約束地質面作為模型的頂面進行建模、相交剖面自動分割、三維捕捉等。

3.1.2 ?分區圖自動建模

分區圖自動建模是一種利用鉆孔數據和地層平面分布圖結合的建模方式，優點是簡易方便，適合于模型范圍不大、鉆孔資料分布均勻、地質條件相對簡單的情況。以下是建模流程，見圖3。

3.2 建模成果

考慮到建模區地層的較復雜性，針對工程地質模型、基礎地層模型、水文地質模型、地質災害模型采用不同的建模方式?；厩闆r見表1?？紤]到張家界地下空間開發利用深度，建模深度均為地面向下至-50米。

3.2.1 ?基礎地質模型

按照交互式建模方法，大致按照45°、135°走向，1.5-2km一條典型區域地質剖面，約1000m一個標準鉆孔的網度，利用實測剖面、收集鉆孔點，完成標準剖面21條，剖面線總長度135.68km，建模深度為0-50m，詳見剖面線分布圖和基礎地質模型圖。這21條剖面將建模區劃分為66個三維單元格。項目組完成所有三維單元格，最終合并單元格完成建模區基礎地質模型，可以看出建模區上覆為第四系松散層，下伏地層為基巖。如圖4所示。

3.2.2 ?水文地質模型

同樣采取的是交互式建模的方式，含水性與地層巖性相關，在完成張家界中心建模區基礎地質三維模型的基礎之上，只需利用軟件中“地質體合并”和“地質體切割”的功能，將同一含水性的地質塊體合并、將不同含水性的地質塊體分割即可。本模型基本能反映出城區范圍內的水文地質情況，如圖5所示。

3.2.3 ?工程地質模型

由于本次收集的鉆孔數量有限，質量參差不齊，區域內鉆孔分布不均，劃分地層較多，不宜采用剖面法建模，項目組慎重考慮后，最終采用分區圖自動建模法建立工作區范圍內的工程地質模型，圖6所示。建模方法已在上文中進行描述，在此不再贅述。

3.2.4 ?建模成果總結

基于多約束條件的交互建模法建成了基礎地質模型和水文地質模型：在建立三維空間地質數據庫時，充分利用計算機的處理和計算能力，對交互建模技術進行效率優化和改進。以剖面為基礎，結合1：5萬區域地質圖形成了三維空間地質數據庫。建模數據源不僅僅有傳統的城市地質建模所用的大量工程地質鉆孔，還結合了地質圖和地表高精度DEM數據的嚴格約束，這種建模方法大大提高了模型的精度和可視化效果，所以建成的三維數據庫的地表地質分區是和1：5萬地質圖完全一致的，也具有真實的地形起伏。

基于分區圖自動建模法建成了工程地質模型：基于鉆孔數據、地層分區數據、地表DEM數據構建的工程地質模型，具有真實的地形起伏，而且兼備模型更新快，建模效率高等優勢，為后續鉆孔補充后重新建模提供了便利。

3.3 關鍵技術

3.3.1 ?地質資料空白區處理

建模中針對于本項目資料收集的實際情況，在資料空白區沒有補勘，而是在繪制剖面時遇到即定剖面線方向沒有鉆孔，而其附近有重要孔時，則在附近選取重要孔代替或根據實際情況繪制虛擬鉆孔，并采用畫折線的方式繪制標準剖面。為了方便構建地質塊體，剖面折線的彎折處盡量不形成明顯的銳角。

3.3.2 ?重要鉆孔篩選處理

工程地質鉆孔選取的原則是：坐標明確的鉆孔;天然露頭所形成的虛擬鉆孔;工程地質勘察報告中明確的控制性鉆孔;深度達到了基巖的鉆孔或鉆孔深度大于等于20m的鉆孔;報告中有試驗信息的鉆孔;出現有特殊性土、全風化巖、采空區、溶洞、斷層、軟弱層等的鉆孔;區域地質圖上地層邊界處及地層區域范圍內的約束性鉆孔;重要線型工程的鉆孔，比如高速公路，符合以上條件的全部選為建模區域的重要鉆孔。本次共收集整理1349個鉆孔紙質信息，入庫462個并進行標準化處理（后續還在不斷加入標準化鉆孔）。

3.3.3 ?地層標準化原則及問題處理

為了構建模型時系統插值準確，模型合理，不同的模型需要建立不同的標準地層，針對于張家界三套主要模型構建了三套標準地層—基礎地質、工程地質、水文地質分層標準。

工程地質重要鉆孔標準化主要依據《工程地質手冊》及《分層標準》中編制的“三維空間數據庫建設—工程地質分層標準”，土體按照地層巖性采取三級劃分的原則;基礎地質依據《湖南省1：25萬地質圖地層巖性簡介》按照地層時代劃分到組;水文地質按照巖性及富水性劃分。

建模過程中，針對以下5個問題制定了相應的處理辦法：

1、遇到比較薄的地層不方便建模。處理辦法：除淤泥、淤泥質土等特殊地質情況外，暫定厚度小于10cm的地層可與下一層地層合并。2、亞粘土標準化的處理辦法：標準化時處理為“粉質粘土”。3、輕亞粘土標準化的處理辦法：輕亞粘土亦稱亞砂土，標準化時處理為“粉土”。4、淤泥質粉質粘土標準化的處理辦法：標準化時處理為“淤泥質土”。5、遇到鉆孔反應的地層時代與區域地質圖不符的情況，原則上依據區域地質圖為準，再查周圍工程項目的勘查情況確定。

3.3.4 ?地表模型的建立

工作區地勢總體上是南北高、中間低。北部為低山丘崗，南部為中低山區;中部為蜿蜒東流的澧水河及其階地，其地勢較平坦。我們利用數字高程模型（DEM）加遙感影像圖模擬地表模型，展示效果直觀逼真，更接近于實際情況。如圖7所示。

4 建議及展望

4.1 建議

1、提高地質信息精度，深挖地質應用

本次系統建設過程中，提出了多約束條件的鉆孔交叉剖面法進行三維空間地質數據庫建設，將三維GIS技術與地質數據相結合，提高了地質數據三維地質模型的使用價值，但是由于三維地質模型精度限制，加上地質條件的不確定性，在地質方面的因素存在一定的誤差。為了能夠更加充分有效的利用GIS技術、計算機技術解決地質問題更好的為城市建設提供服務，在今后工作中需要完善地質因素參與相關評價的算法研究，提高計算精度，進一步挖掘地質模型應用價值。

2、完善數據更新機制，保障應用時效性

隨著今后地質調查工作的推進，鉆孔數和其他地質資料的不斷更新，對三維空間地質數據庫的更新需要一定的投入，這樣地下的三維地質結構模型精度不斷提升，一方面有利于真實反映地下地質情況，為工程建設提供三維可視化決策分析作用;另一方面還可以考慮將工程地質三維結構模型作為地下空間評價因子，精度的不斷提高，有利于地下空間適宜性評價精度的提高，為地下空間的開發利用提供更具有時效性的應用。

4.2 展望

盡管當前三維地質建模還存在不少難題，但技術和經濟趨勢正朝著減少這些阻礙的方向發展。伴隨著二維GIS在地質環境領域中的應用缺陷，三維GIS的研發和應用已成為GIS領域的一個研究熱點，三維地質建模正是三維GIS在地學領域的具體應用。

隨著社會對于可持續發展的期望及環境保護對復雜模型提出的更高要求，未來地質建模和地下可視化無疑將被應用于更多的工程和滿足用戶需求與期望的決策中，可以說，地質建模和可視化的前景是不可限量的。

參考文獻/References

[1]毛善君.灰色地理信息系統：動態修正地質空間數據的理論和技術[J].北京大學學報（自然科學版），2002.38（4）：556-562.

[2]Petrel.The Manual of Petrel[M].Schlumberger Office，2004.

[3]RockWare. The Manual of RockWorks[M]. RockWare，Inc，2006.

[4] 湖南省張家界市區水文地質工程地質環境地質綜合勘查報告[R].地礦部湖南地質礦產勘查開發局，1996.10.

[5] 湖南省張家界市區地質災害調查成果報告[R].湖南省地質環境監測總站，2006.3.