張 笑

湖北省地質(zhì)調(diào)查院 湖北 武漢 430043

城市地下空間是城市建設(shè)的重要組成部分，通過(guò)城市地質(zhì)工作的開展可以支持城市空間開發(fā)利用、地質(zhì)資源的調(diào)查、地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)控、地質(zhì)災(zāi)害防治等多個(gè)方面，其核心就是盡可能準(zhǔn)確的了解和表達(dá)城市地下空間的地質(zhì)情況。我國(guó)的城市地質(zhì)調(diào)查工作在地下水勘查、工程勘查等方面做了大量工作。三維地質(zhì)建模起源于油氣行業(yè)，通過(guò)不斷發(fā)展，逐漸在城市地質(zhì)領(lǐng)域得到發(fā)展，為探索城鎮(zhèn)地下空間打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。城市三維地質(zhì)建模是三維信息技術(shù)在城市建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是城市地下空間狀況和發(fā)展趨勢(shì)的重要表達(dá)方式。將城市地質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字化處理，客觀的刻畫和模擬地質(zhì)體，對(duì)于城鎮(zhèn)建設(shè)具有重要的意義[1]。

1 城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)概述

1.1 三維地質(zhì)建模的基本原理

三維地質(zhì)模型是用來(lái)描述地質(zhì)體的幾何形狀及其內(nèi)部各種物理化學(xué)參數(shù)的分布情況的計(jì)算機(jī)模型，三維地質(zhì)建模就是將地質(zhì)、測(cè)井、地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起生成三維定量隨機(jī)模型。其基本原理是將地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間內(nèi)的空間插值，以獲得完整的地質(zhì)模型。在三維地質(zhì)建模中，常用的空間插值方法有反距離權(quán)重法、Kriging法、徑向基函數(shù)法等。此外，在進(jìn)行三維地質(zhì)建模時(shí)，還需要考慮到數(shù)據(jù)的空間分辨率和精度、地質(zhì)體形態(tài)及結(jié)構(gòu)等因素，以及建模時(shí)需要采用的地質(zhì)參數(shù)。為了進(jìn)一步提高建模精度，還可以通過(guò)對(duì)不同類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重處理，或采用多源地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合建模。表1總結(jié)了常用的三維地質(zhì)建模方法及其特點(diǎn)。

表1 三維地質(zhì)建模方法及其特點(diǎn)

1.2 城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)流程

城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)模型構(gòu)建和模型驗(yàn)證與評(píng)價(jià)四個(gè)基本步驟。數(shù)據(jù)采集階段需要對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查和勘探，獲取地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理階段將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選和整合，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。地質(zhì)模型構(gòu)建階段根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，采用不同的建模方法對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行構(gòu)建和優(yōu)化。模型驗(yàn)證與評(píng)價(jià)階段需要對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以評(píng)估模型的合理性和可靠性，并進(jìn)行必要的調(diào)整和修改[2]。當(dāng)然，后期可以將三維地質(zhì)模型存儲(chǔ)于云端，通過(guò)web進(jìn)行可視化應(yīng)用。

圖1 城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)流程

1.3 常用的三維地質(zhì)建模軟件介紹

在城市地下空間三維地質(zhì)建模中，常用的軟件主要包括Geological Modeling Software (GMS)、Voxler、Leapfrog Geo、RockWorks、Petrel等。其中，GMS是一款功能強(qiáng)大的三維地質(zhì)建模軟件，支持各種地質(zhì)數(shù)據(jù)類型的導(dǎo)入和處理，并提供了一系列工具進(jìn)行地質(zhì)模型的構(gòu)建和編輯。Voxler則是一款專注于三維數(shù)據(jù)可視化的軟件，可以將地質(zhì)數(shù)據(jù)以三維立體形式進(jìn)行展示，便于用戶觀察和分析。Leapfrog Geo是一款基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的三維地質(zhì)建模軟件，支持多種地質(zhì)建模方法，可以進(jìn)行不同尺度下的地質(zhì)模型構(gòu)建和分析。RockWorks是一款專門用于地質(zhì)數(shù)據(jù)處理和建模的軟件，支持地質(zhì)模型的自動(dòng)構(gòu)建和模型評(píng)估。Petrel則是一款針對(duì)油氣領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模軟件，支持多種地質(zhì)建模方法和數(shù)據(jù)類型，可以對(duì)地下油氣儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)的建模和預(yù)測(cè)[3]。還有GoCAD、EarthVision、EsriCityEngine等。對(duì)于不同的需求，這些軟件各有所長(zhǎng)。近年來(lái)MapGISK9平臺(tái)、Creatar平臺(tái)、steampGIS、GeoStationforCity和網(wǎng)格天地平臺(tái)也取得了一定的發(fā)展。

2 城市地下空間三維地質(zhì)建模方法研究

2.1 地質(zhì)體數(shù)據(jù)類型

地質(zhì)數(shù)據(jù)采集是城市地下空間三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)工作，其質(zhì)量和準(zhǔn)確性對(duì)地質(zhì)模型的構(gòu)建和應(yīng)用至關(guān)重要，通過(guò)城市地質(zhì)調(diào)查手段采集數(shù)據(jù)，主要的地質(zhì)體數(shù)據(jù)類型分為：地質(zhì)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、化探數(shù)據(jù)、水文調(diào)查、遙感數(shù)據(jù)等各種解釋結(jié)果，以及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新型數(shù)據(jù)來(lái)源。

地質(zhì)數(shù)據(jù)包括地表地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，地面槽探、坑探，中部及中深部鉆探數(shù)據(jù)等。其中，鉆探是獲取地質(zhì)剖面信息的主要手段，通過(guò)巖心、巖屑等獲取地下巖石、土壤的物理特性、結(jié)構(gòu)和組成等數(shù)據(jù)。測(cè)井技術(shù)可獲取井孔內(nèi)部的物理參數(shù)，如密度、自然伽馬輻射、電導(dǎo)率等。

物探數(shù)據(jù)包括重、磁、電、地震等數(shù)據(jù)。其中，通過(guò)時(shí)差分析地震波在地下的傳播情況，推斷地下巖石的物理特性、結(jié)構(gòu)和組成等信息，是獲取中深層地下信息的重要手段。近年來(lái)，廣域電磁法也在中深層勘查中成績(jī)顯著。

化探數(shù)據(jù)包括土壤、水等化驗(yàn)數(shù)據(jù)。它反映了元素的分布情況，對(duì)城市建設(shè)來(lái)說(shuō)可表達(dá)污染等情況，也可指導(dǎo)種植區(qū)，例如富硒產(chǎn)業(yè)園。

水文數(shù)據(jù)包括地面調(diào)查、水井和水質(zhì)分析等數(shù)據(jù)。獲取地下水量、補(bǔ)給等信息是工作重點(diǎn)，水質(zhì)分析可獲取地下水的物化性質(zhì)等信息。

遙感技術(shù)包括高分辨率遙感影像、激光雷達(dá)、紅外遙感等數(shù)據(jù)。其中，高分辨率遙感影像是獲取地表地貌、建筑物、道路等信息的主要手段。

2.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)處理方法

地質(zhì)數(shù)據(jù)處理是城市地下空間三維地質(zhì)建模的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，包括地質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)插值和地質(zhì)模型構(gòu)建等方面。地質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查是地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的第一步，目的是保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通常通過(guò)數(shù)據(jù)的重復(fù)測(cè)量、比對(duì)、篩選、去噪等方式來(lái)檢查地質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)預(yù)處理是地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟之一，通常包括數(shù)據(jù)的平滑、過(guò)濾、異常點(diǎn)處理和缺失值插值等。數(shù)據(jù)的平滑和過(guò)濾主要是為了去除數(shù)據(jù)中的噪聲和異常值，提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。缺失值插值則是為了填補(bǔ)數(shù)據(jù)中的缺失值，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。數(shù)據(jù)插值是地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容之一，目的是將離散的地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的地質(zhì)屬性場(chǎng)。常用的數(shù)據(jù)插值方法包括逆距離加權(quán)法、克里格法、徑向基函數(shù)插值法等。地質(zhì)模型構(gòu)建是地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的最終目的，主要任務(wù)是將處理后的地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的三維地質(zhì)模型。常用的地質(zhì)模型構(gòu)建方法包括體元法、等值線法、三角剖分法等。

2.3 地質(zhì)模型構(gòu)建方法

地質(zhì)模型是城市地下空間三維地質(zhì)建模的核心，其準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到后續(xù)的應(yīng)用效果，地質(zhì)模型構(gòu)建主要包括地層劃分、地層屬性賦值、地質(zhì)體建模等步驟。地層劃分是地質(zhì)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，將不同地質(zhì)層按照其地層學(xué)特征進(jìn)行劃分，以構(gòu)建三維地質(zhì)模型。劃分地層需要充分利用現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探資料、測(cè)井曲線、巖心分析等數(shù)據(jù)，通過(guò)科學(xué)合理的方法對(duì)地質(zhì)層進(jìn)行劃分。地層屬性賦值是指對(duì)地層劃分后的每個(gè)地質(zhì)層進(jìn)行屬性賦值，如密度、速度、滲透系數(shù)、巖性等，從而建立起地層屬性模型。這一步驟也需要充分利用現(xiàn)場(chǎng)勘探資料及地球物理資料，采用合適的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行屬性賦值。地質(zhì)體建模是將地層劃分和屬性賦值結(jié)果進(jìn)行綜合，生成三維地質(zhì)模型。在這一過(guò)程中，需要考慮地質(zhì)體之間的連通性、巖性變化規(guī)律等因素，并利用三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建。在模型構(gòu)建完成后需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，以保證地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性和可靠性[4]。

3 城市地下空間三維地質(zhì)建模應(yīng)用

3.1 在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

城市地下空間開發(fā)利用是城市發(fā)展的重要組成部分，利用城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)，可以客觀的刻畫和模擬地質(zhì)體，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地下空間的變化和演化趨勢(shì)。在城市規(guī)劃中，主要應(yīng)考慮的就是可利用的城市地質(zhì)資源（地下水、地?zé)?、淺層地溫能、礦泉水、地質(zhì)遺跡、天然建筑材料、渣土等）以及需要防治的地質(zhì)環(huán)境信息（地質(zhì)災(zāi)害、基巖穩(wěn)定性、土壤和水體污染等），這些問(wèn)題對(duì)于城市產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活生產(chǎn)安全具有重要意義和影響，可以提高城市的抗災(zāi)能力，保障新城建設(shè)和舊城改造的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)近年廣泛開展的全國(guó)性地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查掃面工作，建立了重點(diǎn)工程區(qū)和城市群的沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，取得了穩(wěn)定性和污染評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)，開展了大量區(qū)域建模工作，在提供規(guī)劃參考方面取得了不少成績(jī)。例如，上海后工業(yè)化時(shí)期地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)與應(yīng)用項(xiàng)目成果，已經(jīng)應(yīng)用于上海市中心城區(qū)地下空間總體和局部規(guī)劃。上海利用90多年河口海岸地形資料，建立了河口海岸數(shù)據(jù)庫(kù)和三維演化模型并對(duì)沿岸工業(yè)布局、灘涂利用、圍墾造地等提出了土地利用開發(fā)整理專項(xiàng)規(guī)劃意見。合肥市國(guó)家級(jí)濱湖新區(qū)也開展了地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評(píng)價(jià)等工作，為城市地下空間地鐵線路等多項(xiàng)地下工程精細(xì)規(guī)劃及可持續(xù)開發(fā)利用提供方法參考。

3.2 在建設(shè)工程施工中的應(yīng)用

城市發(fā)展的必然組成部分就是工程建設(shè)，工程穩(wěn)定持久是工程建設(shè)的重要內(nèi)容，建立三維地質(zhì)工程模型，可以對(duì)地下的巖土體結(jié)構(gòu)、分布、性質(zhì)等信息，對(duì)地下水位、水流、水質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和分析，為施工中的監(jiān)測(cè)與控制提供支持，幫助工程師準(zhǔn)確判斷地質(zhì)條件和地下物質(zhì)的分布情況，進(jìn)而確定開挖的方法和步驟，從而有效地控制工程質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)。從三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型等單一需求模型，到綜合需求形成數(shù)字地質(zhì)體，越客觀和精細(xì)的評(píng)價(jià)結(jié)果為工程提供的參考就越全面。例如北京市開展了順義新城區(qū)、通城新城區(qū)、亦莊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)模型建設(shè)，包含數(shù)百個(gè)地質(zhì)體，為新城建設(shè)提供了建設(shè)指導(dǎo)。北京市城區(qū)基巖地質(zhì)模型及奧運(yùn)公園區(qū)精細(xì)三維地質(zhì)模型為奧運(yùn)場(chǎng)館的勘查和施工降低了巖溶塌陷災(zāi)害對(duì)場(chǎng)館的安全影響。杭州地鐵隧道修建方案比選中，判斷地質(zhì)層孔隙體積、巖溶、對(duì)斷層進(jìn)行封堵分析和預(yù)測(cè)等。

3.3 在資源開發(fā)利用中的應(yīng)用

在油氣開發(fā)方面，三維地質(zhì)建模已有了較長(zhǎng)的歷史，例如較早開展的三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)建模和三維數(shù)字盆地模擬技術(shù)，為油氣藏開發(fā)指明了方向。在城市地下水利用方面，三維地質(zhì)建模技術(shù)可以輔助地下水資源的保護(hù)和管理，幫助制定地下水資源開發(fā)利用的規(guī)劃和管理措施，預(yù)防地下水污染和過(guò)度開采等問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)于保障城市水資源的供應(yīng)、改善城市水環(huán)境和推進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。此外，在地?zé)豳Y源、固體礦產(chǎn)開發(fā)方面，三維地質(zhì)模型都起到了清晰指導(dǎo)開發(fā)利用的作用。例如，一些礦山已經(jīng)建立了Dimine、Hightopo等智慧數(shù)字礦山系統(tǒng)，同物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，以三維地質(zhì)建模為基礎(chǔ)，圍繞以數(shù)字化開采、高速掘進(jìn)、智能通風(fēng)排水供配電、篩選工藝等內(nèi)容為主體的三維立體可視化管理系統(tǒng)。

3.4 在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治中的應(yīng)用

地質(zhì)災(zāi)害是一種自然災(zāi)害，也在一定程度上受人類活動(dòng)的干擾，因此一般建設(shè)工程都會(huì)對(duì)其開展評(píng)估和防治，在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治方面開展三維建模也已經(jīng)比較常見。例如，新安縣在2022年對(duì)轄區(qū)28處地質(zhì)災(zāi)害隱患開展了三維建模。再如，湖北省地質(zhì)調(diào)查院通過(guò)遙感技術(shù)模型，提前預(yù)警了大型滑坡災(zāi)害，保護(hù)了人民生命財(cái)產(chǎn)安全。一般可以采用地質(zhì)模型和數(shù)字模擬技術(shù)來(lái)開展建模。通過(guò)對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行分析，結(jié)合歷史地質(zhì)災(zāi)害事件及其分布規(guī)律，建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行分析和評(píng)估。通過(guò)數(shù)字模擬技術(shù)可以預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模、形態(tài)及發(fā)生的時(shí)間等，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急管理提供決策依據(jù)。另外，圍繞地下水流和地質(zhì)構(gòu)造的動(dòng)態(tài)變化特征，以及地下水與地下工程的相互作用關(guān)系，開展建模，可制定工程地質(zhì)災(zāi)害防治方案。在防治實(shí)施過(guò)程中，數(shù)字模擬技術(shù)可以用于監(jiān)測(cè)地下水位變化和地質(zhì)構(gòu)造演化情況，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和預(yù)測(cè)，防止災(zāi)害的發(fā)生或擴(kuò)大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了三維地質(zhì)建模的基本原理，介紹了城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)流程及常用軟件，闡述了城市地下空間三維地質(zhì)建模的方法，探討了三維地質(zhì)建模目前的應(yīng)用情況。研究表明，城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)可以有效地揭示城市地下地質(zhì)特征，為城市地下空間利用規(guī)劃、地下工程施工、資源開發(fā)利用、地下災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治提供重要的科學(xué)依據(jù)。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化城市地下空間三維地質(zhì)建模技術(shù)流程，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與處理，提高建模精度和效率。同時(shí)，應(yīng)重視城市地下空間三維地質(zhì)建模的應(yīng)用研究，探索更多新的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)城市地下空間的有效利用和管理。