陶二永，門陽陽，董云奇

（1.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊(duì)，山東 濰坊 261200；2.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206）

引言

近年來，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術(shù)被廣泛應(yīng)用在建筑、結(jié)構(gòu)、施工等工程建設(shè)領(lǐng)域［1-4］。由于地質(zhì)體的不規(guī)則性和不確定性，BIM 技術(shù)難以在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用，地質(zhì)信息模型GIM（Geological Information Modeling）技術(shù)由此誕生。GIM 的核心內(nèi)容是描述已有地質(zhì)對(duì)象的幾何形態(tài)和工程特性，主要用于構(gòu)建地下三維可視化勘察信息模型。

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的全面推進(jìn)，城市地下空間作為城市空間資源極具開發(fā)潛力的部分，政府及相關(guān)專家對(duì)地下空間給予高度重視［5-7］。目前，有關(guān)地下三維可視化研究的方法尚處于摸索階段。張照杰等［8］運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)地下停車場進(jìn)行空間三維建模；鄭國棟［9］研究了巖土工程勘察信息模型系統(tǒng)對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行了三維可視化和巖土參數(shù)化分析；施炎等［10］研究了基于地質(zhì)信息模型（GIM）的灌漿工程三維可視化分析方法和應(yīng)用。然而目前針對(duì)城市地層分布模型的可視化研究較少。

1 GIM 技術(shù)

GIM 技術(shù)面向巖土工程地質(zhì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，將工程勘察數(shù)據(jù)信息通過光滑離散插值技術(shù)（Discrete Smooth Interpolation，DSI）［11］構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型，其表達(dá)方式更直觀，可完整展示地質(zhì)信息，并且可以獲取任意剖切面的地質(zhì)情況，也可以選擇任意一層地層查看地質(zhì)信息。

GIM 軟件為BM_GeoModeler，采用模塊化方式系統(tǒng)整合勘察、建模、設(shè)計(jì)與分析等巖土工程全流程應(yīng)用功能的獨(dú)立平臺(tái)，其中的建模方法包括針對(duì)土體和平緩巖層獨(dú)創(chuàng)的一鍵建模、土層分類建模、巖性建模等批量自動(dòng)建模方法，允許人工干預(yù)的流程建模、物探建模、針對(duì)復(fù)雜透鏡體的透鏡體合并等。

2 城市地質(zhì)體GIM 建模方法

地質(zhì)建模是描繪出一個(gè)已經(jīng)存在的自然對(duì)象，且可供建模的資料往往很少，采用離散光滑插值（DSI）理論和約束技術(shù)模擬其形態(tài)特征的中心任務(wù)是利用這些少數(shù)已知數(shù)據(jù)、合理地 “推測(cè)” 出其余部分的形態(tài)，其中的其余部分具有不確定性，是地質(zhì)體不確定性的典型代表?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，地質(zhì)體建?；陔x散數(shù)學(xué)理論，BM_GeoModeler 采用DSI 理論進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)（包括物探指標(biāo)、礦山資源化驗(yàn)結(jié)果、土體靜探或試驗(yàn)值等）處理，可處理任意不規(guī)則面的局部修正、彼此相交（針對(duì)地層尖滅、斷層錯(cuò)動(dòng)、透鏡體）等。

離散光滑插值算法理論是基于離散數(shù)學(xué)的一種插值理論。與傳統(tǒng)的建模算法相比，它可以根據(jù)各種約束條件及其組合擬合構(gòu)建復(fù)雜如多Z 值（褶皺、透鏡體）、非連續(xù)性（斷層、覆蓋層）地質(zhì)體模型，并且能進(jìn)行局部修改，不必因地質(zhì)勘探資料的變化而重新建模。（如果將地質(zhì)界面視為離散化的不連續(xù)界面，地質(zhì)點(diǎn)及地質(zhì)勘探揭示的鉆孔平硐數(shù)據(jù)等作為約束條件，DSI 實(shí)際上就是通過在這些約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)—全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解來得到符合約束條件的最優(yōu)化地質(zhì)界面）。

根據(jù)實(shí)際約束情況可以得到不同條件下的約束系數(shù)，進(jìn)而通過上述公式迭代求解最優(yōu)化的Φ值，最終擬合得到符合約束條件的幾何模型。DSI 的約束可以分為軟約束和硬約束，軟約束通常指條件放松的（約等于）通過全局最小平方和進(jìn)行擬合的約束；硬約束則是必須完全通過等式或不等式擬合的約束。非線性約束可以通過泰勒公式轉(zhuǎn)化為近似的線性約束進(jìn)行擬合。由于DSI 方法考慮了節(jié)點(diǎn)與鄰域節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，可以比較好地?cái)M合非連續(xù)性幾何模型（比如地質(zhì)上的斷層上下兩盤）。另外，DSI 可以根據(jù)實(shí)際情況的約束條件擬合非常復(fù)雜的模型，因此，特別適合復(fù)雜的三維地質(zhì)建模。

城市地質(zhì)體三維模型構(gòu)建流程見圖1。主要步驟：（1）通過地質(zhì)勘測(cè)獲取鉆孔數(shù)據(jù)，整理使用鉆孔共計(jì)328 個(gè)，其中318 個(gè)鉆孔深度達(dá)30 m，10 個(gè)鉆孔深度達(dá)到50 m，并針對(duì)各鉆孔的分層情況整合出所有土層類型，得到鉆孔數(shù)據(jù)錄入的巖性定義和地層定義。（2）鉆孔數(shù)據(jù)在導(dǎo)入BM_GeoModeler 數(shù)據(jù)庫后，可重復(fù)調(diào)用建立多個(gè)項(xiàng)目，便于項(xiàng)目各階段的修改。為確保導(dǎo)入的鉆孔數(shù)據(jù)在地層建模分層時(shí)不出現(xiàn)錯(cuò)誤，可在鉆孔數(shù)據(jù)庫建立后進(jìn)行層序檢查，根據(jù)檢查結(jié)果修改錯(cuò)誤地層數(shù)據(jù)，直至檢查無任何錯(cuò)誤方可使用。（3）地表模型的構(gòu)建以鉆孔孔口標(biāo)高為主、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為輔經(jīng)樣條插值擬合而成。鉆孔孔口標(biāo)高可從鉆孔數(shù)據(jù)庫中提取得到孔口標(biāo)高點(diǎn)集，修改其屬性為地表，地質(zhì)代號(hào)選為top；高程點(diǎn)數(shù)據(jù)需將高程圖轉(zhuǎn)化為.dxf 格式導(dǎo)入項(xiàng)目。（4）建立地層模型，地層模型主要參考的數(shù)據(jù)是鉆孔的豎向分層數(shù)據(jù)，是對(duì)各鉆孔間的地層根據(jù)相鄰鉆孔的分層情況做出的推測(cè)。地層模型與實(shí)際地層分布有一定誤差，因此地層模型分層的精度取決于鉆孔數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及鉆孔的密度。

圖1 城市地質(zhì)體三維模型構(gòu)建流程

3 城市地質(zhì)體GIM 建模結(jié)果及應(yīng)用

3.1 城市地質(zhì)體GIM 建模結(jié)果

將孔口標(biāo)高點(diǎn)集和高程點(diǎn)全局顯示后確定地表建模范圍，該范圍應(yīng)將所有參考點(diǎn)位置包含在內(nèi)。為確保在劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)過小線段單元從而影響網(wǎng)格劃分進(jìn)度，BM_GeoModeler 提供線集工具對(duì)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，在地表建模范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的大小綜合考慮工成需求及擬合時(shí)間確定，地表建模方法采用單一界面建模，在網(wǎng)格全局加密的同時(shí)進(jìn)行擬合計(jì)算，地表模型擬合結(jié)果見圖2。

圖2 地表擬合結(jié)果

地層模型建模步驟：建立地層模型邊界→劃分三角網(wǎng)格→檢查與調(diào)整地層→分層計(jì)算。分層計(jì)算方法采用離散光滑插值算法理論（DSI 技術(shù)）計(jì)算。

為準(zhǔn)確定位地層模型上各位置，可對(duì)模型進(jìn)行表面貼材質(zhì)處理，即通過表面貼材質(zhì)功能將該地區(qū)的地圖貼于模型表面。表面貼材質(zhì)貼完材質(zhì)后的地層模型見圖3。該地區(qū)地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，包括各類電信管線、電力管線、燃?xì)夤芫€、排水管線、熱力管線，地下管線成果以《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》（CJJ 61—2017）為主要標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置管線數(shù)據(jù)代號(hào)及顏色。

圖3 地層模型

BM_GeoModeler 支持將管線數(shù)據(jù)以.dxf 格式保留三維位置信息導(dǎo)入至地層模型中，并自動(dòng)進(jìn)行布爾操作嵌入地層模型，地層模型加入地下管線后見圖4。

圖4 地下管線導(dǎo)入地層模型

3.2 城市地質(zhì)體模型應(yīng)用

運(yùn)用BM_GeoModeler 進(jìn)行剖面檢查與出圖特點(diǎn)：（1）內(nèi)置的三維地層拓?fù)渌惴?，從三維建模的角度識(shí)別地層連接關(guān)系、計(jì)算地層尖滅位置、識(shí)別透鏡體。（2）剖面內(nèi)允許地質(zhì)人員的檢查與干預(yù)調(diào)整、編輯與調(diào)整在剖面間聯(lián)動(dòng)作用，可以在智能化識(shí)別的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)局部位置的人為認(rèn)識(shí)干預(yù)，并實(shí)時(shí)更新因人工編輯造成其他相關(guān)剖面地層連線的變動(dòng)，確保各二維剖面成果在三維空間中的正確性。（3）引入了不同地質(zhì)成因分界面尖滅機(jī)制，實(shí)現(xiàn)如沖洪積地層可以平緩尖滅于殘積層或基巖的特征，使得地質(zhì)剖面繪制更加符合地質(zhì)成因規(guī)律。

在任意剖面下，可根據(jù)地質(zhì)判斷，調(diào)整程序智能判斷給出的地層連線結(jié)果，調(diào)整過程中，相關(guān)剖面會(huì)跟著聯(lián)動(dòng)更新，降低了調(diào)整修正工作量，同時(shí)也時(shí)刻保證剖面間的編輯不影響三維空間中地層拓?fù)潢P(guān)系的正確性。

選取8 條主要干道作為剖面見圖5。在BM_GeoModeler 中可通過創(chuàng)建非封閉折線生成任意剖面線位置，再通過生成剖面形成該剖面線位置的剖面見圖6?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)地勢(shì)整體為西低東高，南低北高。個(gè)別剖面圖中有透鏡體出現(xiàn)，考慮地層分層定義時(shí)主層有多個(gè)亞層，部分透鏡體為主層的一個(gè)亞層形成，其地層巖性與其相鄰的主層相近。

圖5 研究區(qū)主干道位置

圖6 研究區(qū)主干道剖面

4 結(jié)語

（1）選取鉆孔孔口標(biāo)高作為地表建模的主要參考點(diǎn)，再以高程點(diǎn)為次要參考數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)所在平面區(qū)域確定地表建模范圍，再以立方網(wǎng)劃分網(wǎng)格，從而擬合計(jì)算得出地表模型。（2）對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行層序檢查，采用離散光滑插值算法理論（DSI）進(jìn)行分層計(jì)算，并劃定地層建模范圍，再根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建了地層模型。（3）將構(gòu)建的三維地質(zhì)體模型應(yīng)用于工勘項(xiàng)目常用的地質(zhì)剖面圖的繪制，并分析了該城區(qū)地層結(jié)構(gòu)和地勢(shì)走向。