伍慧群 朱 慧 肖 斌 周忠贛

(1.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院 江西 南昌 330038；2.江西省地質(zhì)博物館 江西 南昌 330009)

1 引言

城市是人類活動(dòng)最密集的區(qū)域，也是地理信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要方面。城市地質(zhì)工作是地質(zhì)工作的重要發(fā)展方向，已成為城市規(guī)劃建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐[1?3]。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)從二維平面向三維空間的延伸，三維建模及可視化技術(shù)在數(shù)字城市[4]、智慧城市[5]、數(shù)字地球的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[6]，并逐步推廣到城市地質(zhì)工作中。地質(zhì)體的三維可視化表征，可以提供對(duì)地下地質(zhì)現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物質(zhì)組成更加真實(shí)、直觀的描述[7?8]。已有三維地質(zhì)建模方法很多，大都集中在簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)建模與屬性表達(dá)上[9?10]，缺少對(duì)地層結(jié)構(gòu)模型和內(nèi)部精細(xì)屬性的一體化集成表達(dá)方法。目前的大部分三維建模方法存在結(jié)構(gòu)與屬性建模過程割裂，使得兩者之間缺少內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)需要大量人機(jī)交互輔助模型構(gòu)建。為了解決這些問題，本文研究實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性模型一體化建模的方法，在三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建屬性模型，構(gòu)建了南昌奧體中心示范地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了南昌奧體中心數(shù)據(jù)全空間一體化展示與分析，為城市整體空間規(guī)劃的科學(xué)決策提供輔助，避免因盲目認(rèn)識(shí)所帶來的施工設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

2 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型與屬性一體化建模方法

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和屬性一體化建模方法，在三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建屬性模型，通過建立屬性數(shù)據(jù)與地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將屬性數(shù)據(jù)附加在幾何模型的網(wǎng)格單元上，屬性值覆蓋整個(gè)模型以反映屬性的空間變化特征，結(jié)構(gòu)?屬性一體化的三維地質(zhì)模型能夠描述和表達(dá)更加豐富的地質(zhì)信息。整體建?？傮w路線見圖1。

圖1 建?？傮w路線

2.1 構(gòu)造建模

構(gòu)造建模就是通過對(duì)斷層和地層數(shù)據(jù)進(jìn)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(huán)迭代的過程。通過修改數(shù)據(jù)來更改模型，不對(duì)模型進(jìn)行直接編輯，更新數(shù)據(jù)后，模型更新會(huì)非常方便。

構(gòu)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建模流程（如圖2），建模以鉆孔數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，多源數(shù)據(jù)作為鉆孔數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，輔助建模，多元異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同建模保障了三維地質(zhì)模型在橫向和垂向上的精度，同時(shí)構(gòu)建的三維地質(zhì)模型更趨近于實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造特征[11]。

圖2 三維結(jié)構(gòu)建模流程

2.2 屬性建模及結(jié)構(gòu)屬性一體化

屬性建模是將構(gòu)建的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型三維網(wǎng)格化，網(wǎng)格剖分將具有復(fù)雜形態(tài)的地質(zhì)體分解為一定數(shù)量的簡(jiǎn)單幾何體（如圖3）。網(wǎng)格剖分可設(shè)置網(wǎng)格的大小，越小的網(wǎng)格能構(gòu)建高精度的屬性模型。矢量結(jié)構(gòu)模型為約束執(zhí)行網(wǎng)格剖分后，精確表達(dá)結(jié)構(gòu)模型的邊界形態(tài)，采用序貫指示、序貫高斯、克里金、距離加權(quán)等一系列算法對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化分配，地質(zhì)體中的每個(gè)網(wǎng)格單元都賦值，構(gòu)建成了屬性模型，通過顏色的變化反映屬性的變化。矢量結(jié)構(gòu)模型及其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格屬性模型構(gòu)成結(jié)構(gòu)和屬性一體的三維地質(zhì)模型。

圖3 網(wǎng)格剖分和屬性插值示意

3 建模方法應(yīng)用與分析

3.1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

南昌奧體中心，坐落在南昌市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)昌東高校園區(qū)的瑤湖西岸，其原為贛江II 級(jí)階地，主要分布有村莊及農(nóng)田，水塘主要分布于場(chǎng)地東部及西北部，地勢(shì)相對(duì)較低洼，局部經(jīng)后期人工整平，地面較平坦，總體上呈西高東低之勢(shì)。區(qū)分布的地層上部為人工填土（素填土）、第四系全新統(tǒng)湖積層（淤泥質(zhì)土）和上更新統(tǒng)（粉質(zhì)粘土、細(xì)一礫砂）沖積層、下臥基巖為第三系新余群紫紅色泥質(zhì)粉砂巖。

南昌奧體中心源數(shù)據(jù)主要有鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等。

3.2 多源數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型

（1）三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

用于建模的數(shù)據(jù)有鉆孔數(shù)據(jù)、鉆孔分層數(shù)據(jù)、鉆孔屬性數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等，鉆孔最淺孔深為15m，最深達(dá)44m，控制性鉆孔77 個(gè)，鉆孔控制面積約0.13km2。提取鉆孔分層及虛擬分層點(diǎn)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(guān)系進(jìn)行層面相交處理后，構(gòu)建了南昌奧體中心三維結(jié)構(gòu)模型（如圖4）。

圖4 構(gòu)造模型?單層面（左）和奧體中心構(gòu)造模型（右）

（2）三維結(jié)構(gòu)?屬性一體化模型

在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，剖分成5m*5m 的網(wǎng)格模型，將經(jīng)過粗化后的數(shù)據(jù)利用插值算法填充到整個(gè)地質(zhì)體中。屬性數(shù)據(jù)包括巖性、粘聚力、壓縮模量、內(nèi)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(gòu)建的結(jié)構(gòu)?屬性一體化模型（如圖5）。

圖5 南昌奧體中心結(jié)構(gòu)?屬性一體化模型

3.3 全空間一體化展示

地下構(gòu)筑物三維模型與地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型融合，利用三維空間幾何運(yùn)算進(jìn)行地層與地下構(gòu)筑物之間的融合。地上構(gòu)建筑物和以地質(zhì)模型為代表的地下對(duì)象按空間位置錯(cuò)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(shí)現(xiàn)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(chǎng)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(wǎng)格模型的I*J*K 剖面（圖7 右）顯示。在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行任意位置的剖切和任意位置的開挖，可以詳盡了解場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況，為工程的選址或?qū)嵤┨峁Q策依據(jù)。

圖7 交叉剖面（左）、閉合剖面（中）和網(wǎng)格模型的I*J*K剖面（右）

（2）全空間一體化場(chǎng)景分析

可視域分析，在是對(duì)于給定的一個(gè)觀察點(diǎn)，基于一定的相對(duì)高度，查找給定的范圍內(nèi)觀察點(diǎn)是否在可見覆蓋的區(qū)域，以及給定點(diǎn)的可見區(qū)域范圍。圖8中是站在場(chǎng)館一側(cè)的房頂上方往另一側(cè)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(qū)，站在場(chǎng)館上可看見全部座位，紅色的為不可看見區(qū)域。

圖8 可視域分析（左）、陰影分析（中）和挖方分析（右）

陰影率統(tǒng)計(jì)分析是指在特定時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)指定物體被陰影覆蓋的時(shí)長所占比陰影率統(tǒng)計(jì)分析可用于城市規(guī)劃、建筑物設(shè)計(jì)等方面。設(shè)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(jì)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(jì)算挖掉的土方體積或者需要往一個(gè)坑中填埋多少體積的土或水泥。圖8 右中計(jì)算的挖方面積為7214.94m2。

4 精度檢驗(yàn)

示范區(qū)數(shù)據(jù)采集完成后，通過外業(yè)高精度數(shù)據(jù)采集手段獲取檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將采集得到的檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)上同名點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。按照工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃中的相關(guān)要求，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻采集20 個(gè)地面點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算與地質(zhì)三維模型的坐標(biāo)差值。最終統(tǒng)計(jì)得到所有檢查點(diǎn)平面中誤差為0.02m，高程中誤差為0.1m，完全滿足工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃的精度要求。

表1 檢查點(diǎn)精度表（單位：m）

5 總結(jié)

城市三維地質(zhì)模型通過對(duì)城市地下地質(zhì)特征的清晰展示，充分應(yīng)用到城市地質(zhì)工作之中，有力支撐城鎮(zhèn)化建設(shè)。本文以南昌奧體中心作為研究實(shí)例，應(yīng)用城市地質(zhì)三維建模方法，得到了南昌奧體中心的地質(zhì)三維模型，研究了其三維可視化及分析應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

（1）通過建立南昌奧體中心地質(zhì)三維模型，為南昌奧體中心后續(xù)的勘查和施工提供了強(qiáng)有力的支撐，在將可能有地質(zhì)災(zāi)害對(duì)場(chǎng)館的安全影響降到最低等方面發(fā)揮了重要作用。

（2）在地質(zhì)三維模型數(shù)據(jù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)制訂后，對(duì)南昌奧體中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)與屬性一體化三維地質(zhì)建模。

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

（4）實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型任意方式的剖切、開挖，全場(chǎng)景的可視域、陰影、填挖方等具體應(yīng)用，對(duì)工程設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃提供支撐。

本文成果在示范區(qū)域在規(guī)劃、施工和災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面得到了充分利用，對(duì)于下一步的研究，將擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)范圍并收集多源數(shù)據(jù)作支撐，探究在不同地形條件下，如何構(gòu)建更加精細(xì)的模型，提升全空間數(shù)據(jù)融合展示效果，同時(shí)擴(kuò)充三維方面的應(yīng)用，并逐步推廣到其他區(qū)域服務(wù)城市的建設(shè)。