武漢都市發展區工程地質三維模型建設及應用

劉順昌，徐德馨，張春梅

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

武漢都市發展區工程地質三維模型建設及應用

劉順昌*，徐德馨，張春梅

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

在對武漢都市發展區工程地質條件及鉆孔資料分析的基礎上，重新對鉆孔數據進行標準化處理，并結合研究區的地表地形參數等，在MapGIS-TDE軟件平臺上實現了武漢都市發展區地層結構的三維可視化，形象直觀地再現了巖土地層的空間結構及其空間變化規律，為進一步認識武漢市工程地質條件提供依據。

工程地質；MapGIS-TDE；三維地層模型；自動建模

1　引 言

人類的工程活動一般是在地殼淺層進行的。地殼中的巖土體大部分是呈層狀分布的，但在長期復雜的地質作用和人類活動的影響下，地層（尤其是地殼淺層）形態各異，地層之間相互交叉侵蝕，空間位置關系錯綜復雜。巖土工程中地層信息主要是由地質勘察的鉆孔數據、地質剖面圖，基礎地理數據的等高線和監測數據獲得的。其中，鉆孔采樣的數據可以直接獲取詳細的巖層分布狀況，是地層建模的主要數據來源，利用有限的工程勘察資料模擬出復雜的地層狀況對工程建設有很重要的意義［1］。

傳統的工程勘察成果是以二維圖件（鉆孔柱狀圖、工程地質剖面圖）的方式來表達地層信息空間分布，越來越不能滿足人們對地層認識和空間分析的需求［2］。三維地層模型的研究成為國內外研究的熱點。一些學者在基于鉆孔的地層建模方面有深入的研究［3～8］。近年來，我國先后在北京、上海、天津、南京、廣州和杭州等城市開展了三維城市地質調查工作，建立了各城市三維地質模型［9，10］。

本文在借鑒前人研究及“十二五”武漢城市地質調查的基礎上，采用MapGIS-TDE平臺建立了武漢市都市發展區三維工程地質模型，并在模型的基礎上對其應用進行了研究，實現了三維平面剖切、基坑開挖、三維隧道模擬漫游和地上地下一體化展示等方面的應用。

2　MapGIS-TDE平臺簡介

MapGIS-TDE三維GIS開發平臺是中地公司在MapGIS 7.0中推出的一套真三維數據處理開發平臺，它采用先進的三維空間數據模型、構模算法、三維可視化技術及框架+插件的軟件架構體系，具有良好的框架開放性和功能構件的可動態擴展性。

MapGIS-TDE的組成除了MapGIS核心模塊以外，還包括顯示平臺，數據存儲平臺以及功能開發框架。顯示平臺是TDE的三維引擎，是用C++開發的面向對象的3D圖形渲染引擎。數據存儲平臺采用全新的面向實體和拓撲的數據組織方式進行數據管理，實現了多種三維模型數據的一體化存儲管理。支持三維要素的本地存儲和網絡數據庫存儲。功能開發框架是MapGIS-TDE平臺的主要二次開發層，它是在插件+對象的基礎上構建應用系統。

3　研究區工程地質條件

武漢都市發展區內分布的是新元古界至新生界地層。新元古界的地層分布較少，僅在新洲區陽邏街七湖村有出露的。古生界地層地表出露不廣，多隱伏于新生界地層之下。新生界上第三系地層地表未見出露，埋于第四系松散堆積物之下。境內自志留系中統至第三系，除個別地層缺失外，發育了一套較為完整的陸、海相沉積及少量的噴出巖堆積。其中石炭系上統、二疊系下統棲霞組、三疊系中統為碳酸鹽巖地層；其他主要為頁巖、石英砂巖等。

第四紀以來，武漢地區地殼運動處于沉降時期，因此大面積覆蓋了第四紀地層，約占本區總面積的三分之一。下更新統為沖積的砂礫石、黏土；中更新統為洪沖積黏土；上更新統為湖沖積砂礫石、粗砂、粉細砂、淤泥質土、黏土，全新統下部為沖積砂礫石、粗砂、粉細砂，上部為一套湖積—沖積堆積形成的亞砂土與淤泥質土互層。

4　基于鉆孔數據三　維建模

4.1鉆孔篩選

武漢城市地質三維建模主要依據鉆孔資料進行，三維模型質量的好壞取決于鉆孔的質量，為此在開展三維建模工作前主要參考了武漢市測繪研究院《工程地質信息系統》中收集的武漢市內約21萬余個鉆孔資料及在“十二五”武漢城市地質調查工作中獲取的勘探資料，在這些鉆孔數據中，選取質量可靠，信息量大的鉆孔作為本次三維建模的基礎資料。篩選出參與建模的鉆孔2 651個，其分布如圖1所示。

圖1　建模鉆孔分布圖

4.2鉆孔數據標準化

根據武漢市標準地層信息，在系統中建立一套與之對應的有新老和上下關系的分層標準，并將篩選出的鉆孔信息導入數據庫，鉆孔地層標準化是將系統建立的標準地層與數據庫中的地層信息進行匹配并重新編碼，使MapGIS-TDE建模平臺能夠識別。

4.3基于MapGIS-TDE三維自動建模

針對層狀地質體特征，系統可采用一種“地層到實體”的建模方法，根據鉆孔分層信息，將離散的鉆孔地層信息，通過插值和擬合算法生成曲面，曲面間通過網格剖分進而生成地層實體，從而完成三維工程地質自動建模。

本文建立了不同尺度范圍的工程地質三維模型，如圖2～圖4所示。

與傳統的二維工程地質圖件相比，三維地層模型的建立可以形象、直觀地反映區域內各巖土層的空間展布情況，特別是透鏡體的空間位置及其延伸規律和尖滅情況。三維地層模型的建立能使地質工作者對區域內的工程地質條件有更加深刻地了解。

圖2　都市發展區三維模型

圖3　江夏區三維模型

圖4　建銀大廈三維模型

5　三　維模型應用

本文在建立三維地層模型的基礎上，在MapGISTDE平臺下對三維模型在空間分析和工程應用等方面的應用進行研究，分別進行了模型的平面切割分析、模擬基坑開挖分析、地鐵隧道模擬分析和地上地下一體化展示分析等。

（1）模型剖切

與傳統的工程地質剖面圖的成圖過程對比，在三維地層模型基礎上實現的平面剖切功能可以更快速、直觀、準確的反映某個剖面的地層情況。圖5所示為三維地層模型基礎上進行多個交互平面切割后的效果圖。

圖5　三維交互剖面圖

（2）模擬基坑開挖

基坑工程是指為保證基坑施工、主體地下結構的安全和周圍環境不受損害而采取的支護結構、降水和土方開挖與回填等一系列措施。建筑場地的工程地質條件是影響基坑工程的重要因素之一。在基坑開挖前了解場地地層包括地層的結構和分布，尤其是軟弱層的空間分布至關重要。如圖6所示，在三維地層模型基礎上模擬基坑開挖可以詳盡了解場地的工程地質情況，為基坑工程的實施提供決策依據。

圖6　模擬基坑開挖圖

（3）隧道模擬

隧道模擬可以為地鐵規劃不同路線，進行隧道切割分析，分析地鐵沿線經過的地層，看哪些是不良地層，決定是否需要處理或者需要避開，最大限度避免在地鐵建設過程中因工程地質問題而導致的重大工程問題，如圖7。

圖7　隧道模擬圖

（4）地上地下一體化研究

在三維地層模型的基礎上疊加地上三維模型，并在地表的銜接處進行融合處理，使其達到地上地下一體化展示的效果，如圖8、圖9所示。

圖8　建銀大廈地上地下一體化展示圖

圖9　中山公園地上地下一體化展示圖

6　結論與展望

本文將鉆孔地層數據利用插值、擬合算法在Map-GIS-TDE平臺上完成了武漢市都市發展區三維工程地質建模與可視化展示，同時實現了三維地質模型的任意方式的剖切、基坑開挖的模擬、虛擬隧道的模擬和地上地下一體化展示等專項功能，以數字化、立體化、可視化、智能化的應用與表達方式，使地質圖件形象生動、直觀易懂，易于被非專業人士理解與應用，三維地質建模是國土資源與地質調查城市發展和社會信息化的必然趨勢。但是在三維建模過程中沒有考慮斷層和地下水等因素，同時也沒有一個量化的指標來評價三維模型的精度與誤差，影響其在實際工程中的應用。因此考慮斷層和地下水因素的三維地質建模以及三維模型的誤差評價是本文以后的研究重點。

［1］朱發華，賀懷建.復雜地層建模與三維可視化［J］.巖土力學，2010，31（6）：1919～1922.

［2］施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數據的三維地層模型的自動構建［J］.城市勘測，2006（5）：62～65.

［3］朱良峰，吳信才，劉修國等.基于鉆孔數據的三維地層構建［J］.地理與地理信息科學，2004，20（3）：26～30.

［4］明鏡.基于鉆孔的三維地質模型快速構建及更新［J］.地理與地理信息科學，2012，9，28（5）：55～59.

［5］魏占營，段敏燕，李青元.利用鉆孔數據構建無縫三維地層模型［J］.武漢大學學報信息科學版，2013，38（11）：1383～1386.

［6］柳慶武，吳沖龍，李紹虎.基于鉆孔資料的三維數字地層格架自動生成技術研究［J］.石油實驗地質，2003，25 （5）：501～504.

［7］陳學習，吳立新，車德福等.基于鉆孔數據的含斷層地質體三維建模方法［J］.煤田地質與勘探，2005，33（5）：5～8.

［8］張渭軍，王文科.基于鉆孔數據的地層三維建模與可視化研究［J］.大地構造與成礦學，2006，30（1）：108～113.

［9］崔新友，李東亮.基于MapGIS-TDE的城市地下三維信息系統研究［J］.Science&Technology Information，2010，15：462～463.

［10］顧麗影，花衛華，李三鳳.三維城市地質信息平臺［J］.地質學刊，2012，36（3）：285～290.

Build and Application of The 3D Geological Model in WuHan Urban Development Zone

Liu Shunchang，Xu Dexin，Zhang Chunmei
（Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China）

The article based on the analysis of engineering geological conditions and borehole data in Wuhan urban development zone，re-standardized the drilling data and combine the surface topography parameters，3D visualization of stratum structure of Wuhan urban development zone is realized in MAPGIS TDE platform，The spatial structure and spatial variation law of the rock and soil layer are visually reproduced and provide a basis for further understanding of the engineering geological conditions of Wuhan City.

engineering geology；Mapgis-TDE；3D stratum model；automatic modeling

1672-8262（2016）04-160-04

P628.3

B

2016—04—28

劉順昌（1986—），男，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程和GIS方面研究工作。

研究項目：本文研究得到“十二五”武漢城市地質調查項目資助。