城市地質三維可視化研究與應用

伍慧群 朱 慧 肖 斌 周忠贛

(1.江西省核工業地質調查院 江西 南昌 330038；2.江西省地質博物館 江西 南昌 330009)

1 引言

城市是人類活動最密集的區域，也是地理信息系統研究與應用領域的一個重要方面。城市地質工作是地質工作的重要發展方向，已成為城市規劃建設和經濟社會發展的重要基礎支撐[1?3]。隨著地理信息系統技術從二維平面向三維空間的延伸，三維建模及可視化技術在數字城市[4]、智慧城市[5]、數字地球的建設中發揮了重要作用[6]，并逐步推廣到城市地質工作中。地質體的三維可視化表征，可以提供對地下地質現象及其結構、構造和物質組成更加真實、直觀的描述[7?8]。已有三維地質建模方法很多，大都集中在簡單層狀地質結構的三維結構建模與屬性表達上[9?10]，缺少對地層結構模型和內部精細屬性的一體化集成表達方法。目前的大部分三維建模方法存在結構與屬性建模過程割裂，使得兩者之間缺少內在聯系，同時需要大量人機交互輔助模型構建。為了解決這些問題，本文研究實現三維地質結構和屬性模型一體化建模的方法，在三維地質體結構模型的基礎上構建屬性模型，構建了南昌奧體中心示范地質模型，實現了南昌奧體中心數據全空間一體化展示與分析，為城市整體空間規劃的科學決策提供輔助，避免因盲目認識所帶來的施工設計風險。

2 三維地質結構模型與屬性一體化建模方法

三維地質結構模型和屬性一體化建模方法，在三維地質體結構模型的基礎上構建屬性模型，通過建立屬性數據與地質體幾何結構數據的對應關系，將屬性數據附加在幾何模型的網格單元上，屬性值覆蓋整個模型以反映屬性的空間變化特征，結構?屬性一體化的三維地質模型能夠描述和表達更加豐富的地質信息。整體建?？傮w路線見圖1。

圖1 建?？傮w路線

2.1 構造建模

構造建模就是通過對斷層和地層數據進行編輯，更新斷面、地層面，多次建模流程（斷面建模、地層建模和生成地層體）循環迭代的過程。通過修改數據來更改模型，不對模型進行直接編輯，更新數據后，模型更新會非常方便。

構建三維地質結構模型建模流程（如圖2），建模以鉆孔數據為主要依據，多源數據作為鉆孔數據的補充，輔助建模，多元異構數據協同建模保障了三維地質模型在橫向和垂向上的精度，同時構建的三維地質模型更趨近于實際的地質構造特征[11]。

圖2 三維結構建模流程

2.2 屬性建模及結構屬性一體化

屬性建模是將構建的地質結構模型三維網格化，網格剖分將具有復雜形態的地質體分解為一定數量的簡單幾何體（如圖3）。網格剖分可設置網格的大小，越小的網格能構建高精度的屬性模型。矢量結構模型為約束執行網格剖分后，精確表達結構模型的邊界形態，采用序貫指示、序貫高斯、克里金、距離加權等一系列算法對屬性數據進行網格化分配，地質體中的每個網格單元都賦值，構建成了屬性模型，通過顏色的變化反映屬性的變化。矢量結構模型及其對應的網格屬性模型構成結構和屬性一體的三維地質模型。

圖3 網格剖分和屬性插值示意

3 建模方法應用與分析

3.1 研究區簡介

南昌奧體中心，坐落在南昌市高新技術產業開發區昌東高校園區的瑤湖西岸，其原為贛江II 級階地，主要分布有村莊及農田，水塘主要分布于場地東部及西北部，地勢相對較低洼，局部經后期人工整平，地面較平坦，總體上呈西高東低之勢。區分布的地層上部為人工填土（素填土）、第四系全新統湖積層（淤泥質土）和上更新統（粉質粘土、細一礫砂）沖積層、下臥基巖為第三系新余群紫紅色泥質粉砂巖。

南昌奧體中心源數據主要有鉆孔數據、剖面數據、地質圖、地形數據、遙感影像數據等。

3.2 多源數據構建三維地質模型

（1）三維地質結構模型

用于建模的數據有鉆孔數據、鉆孔分層數據、鉆孔屬性數據、剖面數據等，鉆孔最淺孔深為15m，最深達44m，控制性鉆孔77 個，鉆孔控制面積約0.13km2。提取鉆孔分層及虛擬分層點參與建模，提取后將地層按年代順序排列，排序后可生成地層面，指定地層關系進行層面相交處理后，構建了南昌奧體中心三維結構模型（如圖4）。

圖4 構造模型?單層面（左）和奧體中心構造模型（右）

（2）三維結構?屬性一體化模型

在結構模型的基礎上，剖分成5m*5m 的網格模型，將經過粗化后的數據利用插值算法填充到整個地質體中。屬性數據包括巖性、粘聚力、壓縮模量、內摩擦角、飽和度、含水量以及液限塑限等，下圖顯示的是采用巖相構建的結構?屬性一體化模型（如圖5）。

圖5 南昌奧體中心結構?屬性一體化模型

3.3 全空間一體化展示

地下構筑物三維模型與地質結構三維模型融合，利用三維空間幾何運算進行地層與地下構筑物之間的融合。地上構建筑物和以地質模型為代表的地下對象按空間位置錯落排列在地面的上方和下方，疊加地形模型，從視覺角度完全融為了一體，實現地上地下無縫集成。（如圖6）。

圖6 全空間一體化展示

3.4 三維模型和場景分析

（1）三維模型分析

剖切支持水平剖面、豎直剖面、閉合剖面等剖切（圖7的右和中圖所示），支持網格模型的I*J*K 剖面（圖7 右）顯示。在三維地質模型基礎上進行任意位置的剖切和任意位置的開挖，可以詳盡了解場地的工程地質情況，為工程的選址或實施提供決策依據。

圖7 交叉剖面（左）、閉合剖面（中）和網格模型的I*J*K剖面（右）

（2）全空間一體化場景分析

可視域分析，在是對于給定的一個觀察點，基于一定的相對高度，查找給定的范圍內觀察點是否在可見覆蓋的區域，以及給定點的可見區域范圍。圖8中是站在場館一側的房頂上方往另一側看，觀察者的角度為266°，距離為266m。垂直角度60°，水平角度45°，圖8 左中綠色的為可視區，站在場館上可看見全部座位，紅色的為不可看見區域。

圖8 可視域分析（左）、陰影分析（中）和挖方分析（右）

陰影率統計分析是指在特定時間段內統計指定物體被陰影覆蓋的時長所占比陰影率統計分析可用于城市規劃、建筑物設計等方面。設置光照速率為40毫秒，底部高程20m，拉伸高度20m，光照率如圖8中所示，靠近上方有遮擋的地方，光照率低。

填挖方分析用于計算繪制的填挖三維面與模型圖層或地形圖層之間的填挖量。用于工程中計算挖掉的土方體積或者需要往一個坑中填埋多少體積的土或水泥。圖8 右中計算的挖方面積為7214.94m2。

4 精度檢驗

示范區數據采集完成后，通過外業高精度數據采集手段獲取檢查點的坐標數據，將采集得到的檢查點坐標數據與模型數據上同名點坐標數據進行比對。按照工程設計和城市規劃中的相關要求，在測區內均勻采集20 個地面點坐標，計算與地質三維模型的坐標差值。最終統計得到所有檢查點平面中誤差為0.02m，高程中誤差為0.1m，完全滿足工程設計和城市規劃的精度要求。

表1 檢查點精度表（單位：m）

5 總結

城市三維地質模型通過對城市地下地質特征的清晰展示，充分應用到城市地質工作之中，有力支撐城鎮化建設。本文以南昌奧體中心作為研究實例，應用城市地質三維建模方法，得到了南昌奧體中心的地質三維模型，研究了其三維可視化及分析應用，主要實現以下幾點：

（1）通過建立南昌奧體中心地質三維模型，為南昌奧體中心后續的勘查和施工提供了強有力的支撐，在將可能有地質災害對場館的安全影響降到最低等方面發揮了重要作用。

（2）在地質三維模型數據規范或標準制訂后，對南昌奧體中心進行結構與屬性一體化三維地質建模。

（3）將地質三維模型、地表模型和地上構筑物三維模型疊加融合，實現全空間場景下一體化展示，支持全空間不同比例尺任意放大、不同時間隨意切換、不同類別靈活疊加。

（4）實現了三維地質模型任意方式的剖切、開挖，全場景的可視域、陰影、填挖方等具體應用，對工程設計、城市規劃提供支撐。

本文成果在示范區域在規劃、施工和災害預測等方面得到了充分利用，對于下一步的研究，將擴大試驗區范圍并收集多源數據作支撐，探究在不同地形條件下，如何構建更加精細的模型，提升全空間數據融合展示效果，同時擴充三維方面的應用，并逐步推廣到其他區域服務城市的建設。