易宗旺，胡力心，陳彬彬，鄧 帆

（1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊(duì)，重慶 401120；2.重慶郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065）

傳統(tǒng)的地質(zhì)信息是基于二維形式如地質(zhì)平面圖、剖面圖來表達(dá)[1]，不能直觀地對地質(zhì)關(guān)系進(jìn)行展示,也容易造成某些特殊地質(zhì)信息的缺失。隨著地學(xué)信息化的發(fā)展，數(shù)學(xué)地質(zhì)正向“數(shù)字地質(zhì)”發(fā)展[2]。人們開始關(guān)注含有豐富地質(zhì)地貌等信息的三維地質(zhì)模型[3]。

目前常見的三維地質(zhì)建模方法主要有地質(zhì)填圖（point routing boundary，PRB）數(shù)據(jù)建模、鉆孔數(shù)據(jù)建模[4]、三維地震資料建模、剖面數(shù)據(jù)建模[5]以及多源數(shù)據(jù)融合建模[6]等。前4種建模方法為單一數(shù)據(jù)建模方法，不能夠充分地顯示出地質(zhì)要素之間的關(guān)系。而多源數(shù)據(jù)融合建模方法基于地質(zhì)、物探、化探、遙感等數(shù)據(jù)，所構(gòu)建的模型準(zhǔn)確性高，是三維地質(zhì)建模的主要發(fā)展趨勢[7]。

伴隨著三維建模技術(shù)的日益成熟，建模軟件也應(yīng)運(yùn)而生，并且在各個(gè)領(lǐng)域中取得了很大的成果。GoCAD 軟件具有強(qiáng)大的三維建模、可視化、地質(zhì)解釋和分析的功能[8]。但GoCAD 按年授權(quán)，價(jià)格昂貴，且功能繁雜，需要一定的時(shí)間熟悉并學(xué)會(huì)使用該軟件，前期準(zhǔn)備所需時(shí)間較長，人力成本、時(shí)間成本過高。三維地質(zhì)建模系統(tǒng)（Geo-BIM）是專門根據(jù)地質(zhì)工程專業(yè)特點(diǎn)研發(fā)的三維建模軟件。GeoBIM 集成了常用CAD軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、GIS軟件和三維可視化與三維分析軟件的優(yōu)秀功能，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)的三維可視化和信息化。GeoBIM 功能豐富，中文界面友好，具有較高的安全性。GeoBIM 支持多人任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，人員協(xié)作完成項(xiàng)目，可以節(jié)約大量的人力、時(shí)間成本，極大地提高工作效率。

本研究主要以重慶市潼南區(qū)為例，在利用GeoBIM 平臺(tái)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)處理、空間建庫等基礎(chǔ)上，建立地表三維模型與地下三維模型，探索面向區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的三維地質(zhì)建模工作方案與方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)域?yàn)橹貞c市潼南區(qū)。潼南區(qū)被列為第三批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點(diǎn)地區(qū)，其地質(zhì)圖如圖1所示。該區(qū)域?qū)倥璧販\丘地貌，地勢平坦，海拔高度300～450 m，相對高度在50～100 m。地貌以丘陵為主，局部為河谷、臺(tái)地，可開發(fā)利用空間廣闊。涪江、瓊江貫穿該區(qū)域，水資源非常豐富，礦產(chǎn)以天然氣和巖鹽為主。

圖1 重慶市潼南區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of Tongnan of Chongqing

研究區(qū)地層區(qū)劃屬羌塘—揚(yáng)子—華南地層大區(qū)、揚(yáng)子地層區(qū)、四川盆地地層分區(qū)之榮昌地層小區(qū)，僅出露中、新生界地層，為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組二段、上統(tǒng)遂寧組及第四系。地表出露地層均為沉積巖，區(qū)內(nèi)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組二段、上統(tǒng)遂寧組及第四系。研究區(qū)大地構(gòu)造屬上揚(yáng)子陸塊之川中前陸盆地潼南穹褶束，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，主要為龍鳳場向斜和中心鎮(zhèn)背斜。

2 三維地質(zhì)建模

2.1 三維地質(zhì)建?？傮w思路

三維地質(zhì)建模的總體工作流程如圖2所示。首先收集資料并進(jìn)行整理，將有用的信息，如鉆孔數(shù)據(jù)等，錄入數(shù)據(jù)庫。其次建立模型，包括地表三維模型和地下三維模型，并分開進(jìn)行建模工作。最終得到三維地質(zhì)模型、模型數(shù)據(jù)庫與成果圖件。

圖2 三維地質(zhì)建模工作流程圖Fig.2 Workflow of 3D geological modeling

2.2 多源數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

進(jìn)行三維建模工作，首先需要通過實(shí)地調(diào)查測量、多部門跨領(lǐng)域收集資料。收集到的資料主要包含地形測量類、地質(zhì)測繪類、工程勘察類、地質(zhì)災(zāi)害類、物化遙資料，以及其他輔助資料。

收集的資料繁多來源不同，格式不一樣，時(shí)間不同，坐標(biāo)系統(tǒng)、投影參數(shù)、比例尺不統(tǒng)一[9]。通過人工整理，將有用的文檔、圖片、圖件，如遙感圖像、地形圖、地質(zhì)圖、鉆孔資料等進(jìn)行分類，主要分為平面地質(zhì)圖、剖面圖、鉆孔資料、地形圖、遙感圖像。對整理出來的地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。將鉆孔圖中的數(shù)據(jù)錄入Excel 表，并保存以方便后續(xù)工作的開展。主要對地形數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

整理得到的地形等數(shù)據(jù)是二維的，通過處理對具有等密度性質(zhì)的等高線賦高程屬性值以此來進(jìn)行三維化處理。根據(jù)地形結(jié)構(gòu)特征和區(qū)域大小來繪制原始地形等高線圖，通過高程的屬性賦值后轉(zhuǎn)成建模軟件可使用的DXF 格式并且導(dǎo)入Geo-BIM軟件中，研究區(qū)等高線圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)等高線圖Fig.3 Contour map of the research area

對于獲取的遙感影像主要在ENVI 5.3 與Arc-GIS 10.0中進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正和地理空間坐標(biāo)的配準(zhǔn)等。其中，大氣校正采用ENVI 自帶的Flaash 模型，可以有效去除水蒸氣、氣溶膠散射與鄰近效應(yīng)的影響。地理空間坐標(biāo)的配準(zhǔn)通過ArcGIS 利用空間校正方法讓遙感影像與DEM 的位置配準(zhǔn)，使兩者具有統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系。利用ENVI 5.3軟件對處理后的遙感影像進(jìn)行裁剪，得到適合研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)。

鉆孔主要揭露地下深部地層和地質(zhì)構(gòu)造，整理出來的鉆孔數(shù)據(jù)主要用于空間數(shù)據(jù)庫建庫。將每個(gè)鉆孔的巖性分段數(shù)據(jù)單獨(dú)提取出來，匯總到一起。剖面數(shù)據(jù)是從地質(zhì)圖上面提取的，采用人工操作，由地質(zhì)專業(yè)人員結(jié)合實(shí)際的基巖厚度進(jìn)行分層處理。

2.3 空間數(shù)據(jù)庫建庫

對地勘資料進(jìn)行整理歸類，整理出來的地勘資料共包含工程地質(zhì)剖面圖41 幅（比例尺為1∶200），勘探點(diǎn)（鉆孔）103 個(gè)，鉆孔柱狀圖103幅，其巖性主要為第四系素填土、粉質(zhì)黏土以及侏羅系泥巖等。

將篩選整理出來的鉆孔、地層巖性等信息整理錄入Excel 表中。鉆孔信息表主要含有鉆孔編號(hào)、鉆孔深度、鉆孔坐標(biāo)、孔徑高程、鉆孔時(shí)間等信息。鉆孔分層表主要含有鉆孔編號(hào)、泥層代號(hào)、泥層深度、強(qiáng)風(fēng)化深度、中風(fēng)化深度、鉆孔所屬區(qū)域等。將之前整理好的數(shù)據(jù)錄入GeoBIM 的數(shù)據(jù)庫。

2.4 三維模型建立

2.4.1 地表三維模型建立

地表三維模型建立是先將預(yù)處理后的地形數(shù)據(jù)以DXF格式導(dǎo)入GeoBIM中，經(jīng)過計(jì)曲線高程差與首曲線高程差的設(shè)置、繪曲線高程差以及等高線的光滑程度的調(diào)整，由此生成潼南區(qū)內(nèi)研究范圍的地表DEM，疊加遙感影像生成地表三維模型，如圖4所示。

圖4 潼南地表DEM疊加遙感影像模型Fig.4 Model of surface DEM overlaid with remote sensing image for Tongnan of Chongqing

2.4.2 地下三維模型建立

地下三維建模與地表的三維建模技術(shù)有很大的不同[10]。地下三維模型的建立主要是對整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的地層（巖層）進(jìn)行劃分，并主要利用曲面剪切與規(guī)則造面等的方法完成地下建模。

主要利用基巖的圖切剖面與地質(zhì)約束界線等地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地層模型，即“圖切剖面+地質(zhì)約束界線——地層實(shí)體”的思路。首先從地質(zhì)圖提取出地形等高線，預(yù)處理后導(dǎo)入軟件，根據(jù)地形實(shí)際情況結(jié)合圖切剖面與約束界線建立地下三維模型。具體過程是先將圖切剖面正確放置相應(yīng)位置，可根據(jù)獲取圖切剖面的端點(diǎn)坐標(biāo)并在模型中建立鉆孔線后生成勘探線，把預(yù)處理后的圖切剖面導(dǎo)入相應(yīng)正確的位置。將每層的圖切剖面線條與相應(yīng)層的地質(zhì)約束界線以規(guī)則造面的方法擬合成面，從而建立相應(yīng)層的基巖面。最后通過第四系約束界線裁剪地形面提取覆蓋層上表面，根據(jù)勘探資料擬合具有相應(yīng)高程的覆蓋層下表面，并且以面面合并的方式形成覆蓋層。

利用基巖約束界線裁剪相應(yīng)層的遂寧層、砂體層、沙星層的基巖面，并且根據(jù)基巖的實(shí)際初露情況來圍合每層的基巖面，再通過圍合面轉(zhuǎn)體即可構(gòu)建出含體屬性的每一層基巖。潼南區(qū)內(nèi)研究范圍的全局三維模型如圖5所示，地下三維模型局部側(cè)面圖如圖6所示。

圖5 潼南區(qū)域全局三維模型Fig.5 Global 3D model of Tongnan of Chongqing

圖6 潼南區(qū)地下三維模型局部側(cè)面圖Fig.6 Local lateral profile of 3D underground model in Tongnan of Chongqing

2.4.3 三維地質(zhì)建模過程中的技術(shù)難點(diǎn)與解決方法

在各基巖面擬合時(shí)，由于初始建模時(shí)圖切剖面網(wǎng)格間距較大，因此偏離約束界線控制的范圍，擬合出來的效果不理想，如圖7所示，這將會(huì)導(dǎo)致基巖面之間在局部區(qū)域出現(xiàn)穿插情況，可以通過簡單輔助剖面方法加密局部區(qū)域，使穿出上表面的基巖面能夠較好地?cái)M合下去。另一方式就是在偏離約束界線控制較遠(yuǎn)地區(qū)域另加多條圖切剖面，提高局部網(wǎng)格精度從而減少基巖穿插的情況發(fā)生，如圖8所示。

圖7 局部區(qū)域上下表面穿插情況Fig.7 Interlacement of upper and lower surfaces in local areas

圖8 加密剖面擬合穿插層面Fig.8 Fitting interpolation layer of encrypted profile

在構(gòu)建基巖圍合面的過程中，會(huì)因?yàn)榛鶐r上下兩個(gè)表面形狀復(fù)雜而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)無法較好地構(gòu)建三角網(wǎng)，因此使用兩面圍合功能生成的圍合面效果不理想，如圖9所示。可以通過上下兩個(gè)表面取邊界線再加密，并且在上下兩條線段密集的拐點(diǎn)處分別打斷，保持兩條線段的點(diǎn)順序一致后再封閉，這樣計(jì)算機(jī)才能夠較好地連接兩條邊界線的點(diǎn)，從而形成較為準(zhǔn)確的圍合面，如圖10所示。

圖9 異常圍合面Fig.9 Abnormal enclosure of surfaces

圖10 正確的圍合面Fig.10 Correct enclosure of surfaces

3 三維模型分析

隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，越來越多的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)在相關(guān)行業(yè)中發(fā)揮著作用[11]。三維模型分析，可以直觀地反映研究范圍內(nèi)的地質(zhì)體之間的關(guān)系，方便專業(yè)人員與非專業(yè)人員進(jìn)行下一步的研究。模型分析包括多截面分析、平切剖面分析、虛擬鉆孔分析、豎直剖面分析等。

通過對潼南區(qū)靶區(qū)的平切剖面分析，可以直觀地了解所在區(qū)域的地質(zhì)體的空間展布情況，獲得所在區(qū)域的地質(zhì)情況。潼南區(qū)靶區(qū)平切剖面圖見圖11。

通過對局部區(qū)域的三維地質(zhì)豎直剖面分析，可以直觀地獲得局部區(qū)域的地質(zhì)情況，為初步判斷區(qū)域的巖體類別提供依據(jù)。局部區(qū)域的豎直剖面分析圖見圖12。

圖11 潼南區(qū)靶區(qū)平切剖面圖Fig.11 Planar section of the target area in Tongnan of Chongqing

圖12 局部區(qū)域的豎直剖面分析Fig.12 Vertical section analysis of local areas

三維建模具有強(qiáng)大的可視化功能，利用三維地質(zhì)模型，以及三維模型分析功能，專業(yè)地質(zhì)人員或者非專業(yè)地質(zhì)人員能夠?qū)θS空間中地質(zhì)體間的各種關(guān)系有更加直觀的理解，并進(jìn)一步延伸地質(zhì)信息服務(wù)功能。

4 結(jié)語

本研究闡述了三維地質(zhì)建模的總體思路和方法，以探索三維建模技術(shù)在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用，主要工作如下：

（1）以重慶市潼南區(qū)為例，利用三維地質(zhì)建模系統(tǒng)GeoBIM，在多源數(shù)據(jù)處理、空間建庫等基礎(chǔ)上，建立地表三維模型與地質(zhì)三維模型，探索并闡述了一種面向區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的三維地質(zhì)建模工作方案。

（2）針對GeoBIM 建模過程中遇到的局部區(qū)域上下表面穿插、圍合面異常等技術(shù)難點(diǎn)，提出了相應(yīng)的解決方法。

（3）對潼南區(qū)域靶區(qū)進(jìn)行了平切剖面分析、豎直剖面分析等，方便相關(guān)人員對三維空間中地質(zhì)體間的各種關(guān)系有更直觀的理解。