山東省棗莊市中心城區三維地質模型建立研究

賈繼成，張軍，賈琛

(1.山東省地質礦產勘查開發局第三水文地質工程地質大隊,山東 濟寧 272100；2.山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250014)

0 引言

依據《棗莊市城市總體規劃(2010年—2020年)》，棗莊市中心城區由東西兩部分組成，西部城區為現狀的薛城城區、棗莊新城、棗莊高新區，東部城區為市中老城、棗莊經濟開發區(東城)、嶧城區，中心城區面積292.70km2。棗莊市中心城區三維地質模型平面范圍以規劃范圍線為平面界線進行模型建立。垂向上不局限于某一特定深度，考慮到收集到的基礎鉆孔資料揭露地層的實際情況，以寒武紀朱砂洞組為底邊界建立模型，底邊界以下地層作為基底處理。需要特別說明的是，本次建模工作僅針對于中心城區規劃區范圍內的沉積地層進行模擬，對巖漿巖類統一簡化為基底進行簡化處理。

將棗莊市中心城區地層劃分為3級，即系-統-組，將地層細分到組。

在創建三維地質模型時，不可避免地存在如何整體性描述整個區域地層屬性的問題[1]，因此將區域地層進行人為剖分，通過相交的剖面形成一個個彼此獨立的單元格，對每個單元格地質塊體進行三維建模，將全部的地質塊體進行合并，就形成了我們所需要的區域三維地質模型。在實際建模過程中，需要保持相鄰單元格屬性相同[2]，同時劃分單元格越精細，投入工作量越大，建立的最終模型與實際的擬合程度越高[3]。

在經濟社會不斷加速發展的社會現實中，地下空間資源、特定地質體展布分析及礦產開采等領域發展的迫切需要，現有二維表達模式越來越難以滿足。開展棗莊市的三維地質建模工作，通過三維地質塊體快捷剖切操作顯示地質體三維空間展布狀態，形象地將地質災害隱患、城市地質結構、水土質量和地下空間開發的可能性等數據展現。開展地質建模工作能夠及時為城市的規劃、管理建設、決策及應急指揮提供一個較為基礎的使用平臺，對于規劃城市發展，協調人類生產生活與自然的關系具有重要意義。

1 三維地質模型建立原理

1.1 三維建模方法研究現狀

目前，三維地質建模方法根據建模使用的數據資源不同而劃分為基于鉆孔數據建模、基于平面地質圖建模、基于剖面數據建模及基于多源數據共同參與建模等類別。

1.1.1 基于鉆孔數據建模

基于鉆孔數據建模的定義是以當前已有的鉆孔數據為基礎，對三維地質模型進行直接構建。朱合華、吳信才等[4]對此進行了大量研究。提出了以鉆孔信息為基礎的，可供工程地質及巖土工程學科使用的地層數據模型。以鉆孔數據為基礎構建三維地質實體模型的方法由吳信才等人提出，此種方法較為簡便易行。

1.1.2 基于剖面數據建模

基于剖面構建三維地質模型以原始的地質勘探資料為基礎，生成相互交叉的二維剖面，通過二維剖面相互剪斷生成三維地質塊體。較早從事三維地質建模的研究者Tipper教授研究利用地質剖面來進行三維地質表面建模和進行具體三維地貌模擬。

1.1.3 基于地震物探數據建模

用變密度粒子模型實現分析油氣儲藏的位置和儲量，從而使鉆孔的位置準確確定變成現實，這是楊靜宇等人的成果。王煥弟等[5]對國內外物探技術發展的趨勢進行預測展望，同時對現有石油物探關鍵技術如三維可視化、高分辨率三維地震勘探技術等進行了總結。

1.1.4 基于多源數據建模

多源數據融合建模法的定義是，以融合了原始地質勘探數據和二維解釋剖面等地質數據為基礎進行三維建模的方法。以多源數據融合角度為出發點，周良辰等人[6]通過使用空間插值技術，來構建三維空間數據場，使研究區域地層結構的空間分布特征與內部屬性信息用真三維的形式進行表達。

1.2 三維模型建立原理

三維地質建模時首先從數據庫或有關文件中提取建模數據，進行有效性檢查，之后按照建模數據和模型類型不同進入不同的構模過程。對于工程地質這類簡單層狀地質體，在按照建模范圍和精度的要求生成地形網格的基礎上，計算機根據鉆孔位置及揭露的各層位標準賦值，生成二維剖面圖，從剖面中提取出有關地層邊界線的信息，通過人機交互選定層面所需包圍的弧段生成各地層面模型，選定包圍層面從而生成地層實體模型。鉆孔數據要與地層面保持精確一致，為強約束數據，剖面地層界面線則可以不與地層面精確一致，為弱約束數據。上述簡單層狀地質體建模過程除少數數據選擇或參數選擇操作外，其余步驟均自動完成。對于帶有復雜構造信息的復雜地質體建模則需要一定的人機交互操作才能完成，根據數據源不同分為兩種構模方式：一是基于平面地質圖的線框架構模。基于剖面的交互式構模由專家根據經驗人工判別剖面之間地質界線的對應關系，進行連接，連接后由系統自動完成面插值處理，生成地質界面；基于平面地質圖的線框架構模由專家根據經驗對地質構造線框架進行交互處理，之后，系統據線框架自動生成地質界面。最后，系統根據地質界面和其拓撲關系自動生成復雜地質體實體模型。

2 棗莊市三維地質模型建立流程

2.1 鉆孔資料收集

鉆孔是地學領域的重要數據資源[4]。為了有效地挖掘鉆孔數據信息，擴大鉆孔的利用價值，比如繪制鉆孔柱狀圖、繪制剖面圖等，針對所收集的鉆孔數據進行統一的分層標準化[5]。

棗莊城市地質項目收集到的專題數據主要為鉆孔資料數據，包括：各類工程鉆孔及其試驗數據、淺層地熱鉆孔數據、抗旱打井鉆孔數據、地質環境監測鉆孔數據、探煤鉆孔數據等。

2.2 建立標準地層

在進行鉆孔分層標準化工作之前，針對棗莊城市地質鉆孔數據巖性的特點以及建模的需要，將鉆孔標準分層劃分為3級(系-統-組)(表1)。標準分層等級確定依據為實際工作需求[6]，分層等級劃分的越細致，最后生成的模型對實際地層情況描述的越精準細致，由此也會增加后期人工交互調整單元格相應工程量。

根據制定的鉆孔分層標準，借助棗莊城市地質數據管理與維護系統的鉆孔標準分層編輯功能，對所有待入庫的鉆孔數據進行統一的標準化工作，包括為每一級別的鉆孔分層賦予顏色、圖案等(圖1、圖2)。

表1 棗莊城市三維地質結構模型標準分層

圖1 鉆孔標準分層操作

圖2 鉆孔標準分層結果示意圖

2.3 數據處理與建庫

將鉆孔資料按照前期建立的分層標準，對相應層位通過標準分層賦值，錄入Excel專題屬性數據[7]，該表格為結構化表格類數據[8]，分為鉆孔基本信息表、鉆孔分層信息表、項目基本信息表三個表單。其中項目基本信息表中為全部鉆孔項目索引，鉆孔基本信息表包含鉆孔ID、坐標、孔口標高、鉆孔深度、水位等信息，鉆孔分層信息表包含每一個鉆孔每層的頂底板標高[9]，地層代碼，地層名稱及相關描述信息。

通過棗莊城市地質數據管理與維護子系統提供的數據建庫以及數據導入、數據錄入等相關功能工具，進行集成入庫，建立統一的地質專題數據庫。

2.4 生成二維剖面

二維剖面是三維地質模型建立的重要基礎數據源。項目組人員在建模工作前期，圍繞著盡可能充分應用所有鉆孔、提高模型精度的目標[10]，通過篩選已經入庫的鉆孔數據，選取數據可靠的鉆孔數據參與繪制二維剖面，形成了參與三維建模的縱向、橫向剖面線(圖3)。剖面線圍成的最外側范圍為最終生成的三維地質模型范圍。

圖3 剖面線規劃布置圖

在繪制二維剖面過程中，應用了棗莊市城市地質分析評價子系統提供的二維剖面自動生成功能，通過讀取所需鉆孔數據編碼生成剖面圖。在剖面圖生成過程中，添加了棗莊城市地質調查研究范圍內的地表等高線數據、平面斷層數據、水系等MapGIS矢量數據進行約束控制[11]。

2.5 人機交互建模

將繪制的二維剖面導入三維，轉為三維剖面模型。對兩兩相交的交叉剖面進行相交一致性處理，然后利用系統的剖面模型紋理調節工具，調整三維剖面模型紋理；調整到最佳顯示狀態后，即可利用系統提供的自動形成單元格功能，對單元格外的剖面進行裁減，形成封閉的三維單元格，作為建模的直接數據源。將每個三維單元格地質面都生成以后，就可以形成地質塊體。進行拓撲錯誤檢查后，對所有單元塊體進行合并，建立整個研究區范圍的地質體模型(圖4)。

圖4 棗莊市三維地質模型

3 添加虛擬鉆孔輔助生成剖面圖

當原始鉆孔資料較少時，利用相對稀疏的原始數據來進行三維建模[12]，很難保證最后生成模型的準確程度。建模過程中，基于實際勘察獲取的原始鉆孔資料和日常工作經驗，再結合對二維地質剖面地層走向的理解，在二維剖面無鉆孔控制的空白位置處生成可以反映地層局部變化特征的虛擬孔，融入專家經驗對二維剖面進行精細化調整，最終生成令人滿意的三維地質模型[13]。

棗莊市中心城區三維地質模型建立過程中由于收集到的鉆孔部分來自住宅地基前期勘探及研究區范圍內開展過的水工環勘探類項目，目的性較強，鉆孔整體分布具有局部密集，整體平均展布性差[14]。經常呈現一個較小的范圍布置間距幾米的數量眾多的鉆孔，而未進行過專門勘查工作的區域無鉆孔分布的現象。

如圖5所示，在X01剖面線上，SZ23-3鉆孔與04-14鉆孔之間無任何控制性鉆孔，SZ23-3揭露地層為寒武紀九龍群炒米店組，04-14鉆孔地表為第四系臨沂組，下伏地層為奧陶紀馬家溝群新汶組，沿SZ23-3到04-14方向為一套由老漸新地層，但由于中間缺少鉆孔分布，導致5-3-1(寒武-奧陶紀三山子組)、5-2-5(奧陶紀馬家溝群東黃山組)、5-2-4(北庵莊組)、5-2-3(土峪組)、5-2-2(五陽山組)、5-2-1(閣莊組)5-1-1(八陡組)、及0-1-2(第四紀全新統沂河組)一系列地層在地表無鉆孔控制揭露。在缺少上述鉆孔的情況下，生成的剖面圖中，大部分地層分界線被計算機判斷為自動尖滅。如圖6，尖滅位置與真實情況完全不一致。

1—第四紀全新統沂河組；2—臨沂組；3—更新統大站組；4—二疊紀石河子群萬山組；5—黑山組；6—月門溝群山西組；7—石炭-二疊紀月門溝群太原組；8—奧陶紀馬家溝群新汶組；9—八陡組；10—閣莊組；11—五陽山組；12—土峪組；13—北庵莊組；14—東黃山組；15—寒武-奧陶紀九龍群三山子組；16—寒武紀九龍群炒米店組；17—崮山組；18—張夏組；19—長清群饅頭組；20—X01剖面線圖5 X01剖面線疊合1∶5萬地質圖

在三維地層模型構建過程中，以收集到的基礎鉆孔數據為主要數據來源[15]。但由于鉆探成本比較高，在一個特定的研究區域，為了特定的目的開展的勘探工作往往只能獲取有限數目的鉆孔數據[16]。這些鉆孔通常還分布的極不均勻，造成絕大部分研究區域存在無有效鉆孔控制的空白區域。三維地質模型依托的這些基礎資料不完善性必然造成三維地質模型表達與實際情況存在誤差[17]，因此需要運用專家經驗對原始數據進行深層次的開發研究，添加虛擬鉆孔實現三維模型精確建立。

虛擬鉆孔是在二維地質剖面生成過程中不得已運用的變通手段[18]。在二維剖面劃定過程中，因為控制性鉆孔的數量、密度分布不均[19]，造成部分區域缺少控制鉆孔揭露，而地層層位的變化恰恰發生在無鉆孔的位置時[20]，此時可以通過人為添加虛擬鉆孔[21]，根據平面地質圖位置，標定該地層在剖面出露位置，達到提高二維模型精準程度的目的[22]。

具體解決方法為在SZ23-3與04-14鉆孔地層變化的位置添加虛擬鉆孔，如圖7中的xn228～xn234鉆孔，分別對每處鉆孔地層編碼賦值[23]，鉆孔深度暫定30m，針對后期完善剖面圖過程中，深度可迭代調整[24]。

1—第四紀全新統臨沂組；2—更新統大站組；3—奧陶紀馬家溝群八陡組；4—閣莊組；5—五陽山組；6—土峪組；7—北庵莊組；8—東黃山組；9—寒武-奧陶紀九龍群三山子組；10—寒武紀九龍群炒米店組；11—崮山組；12—張夏組；13—長清群饅頭組；14—朱砂洞組；15—新元古界圖6 X01剖面線SZ23-3與04-14鉆孔間剖面圖

1—第四紀全新統沂河組；2—臨沂組；3—更新統大站組；4—二疊紀石河子群萬山組；5—黑山組；6—月門溝群山西組；7—石炭-二疊紀月門溝群太原組；8—奧陶紀馬家溝群新汶組；9—八陡組；10—閣莊組；11—五陽山組；12—土峪組；13—北庵莊組；14—東黃山組；15—寒武-奧陶紀九龍群三山子組；16—寒武紀九龍群炒米店組；17—崮山組；18—張夏組；19—長清群饅頭組；20—X01剖面線；21—添加的虛擬鉆孔圖7 添加了虛擬鉆孔的X01剖面線

通過添加上述虛擬鉆孔，再次重新生成剖面圖，5-3-1(寒武-奧陶紀三山子組)～5-1-1(八陡組)、0-1-2(第四紀全新統沂河組)一系列地層在地表出露位置得到控制，計算機也可以準確地判別出相關地層分界線(圖8)，加以少許人工輔助，生成與實際相符的地層剖面(圖9)。

1—第四紀全新統沂河組；2—臨沂組；3—更新統大站組；4—奧陶紀馬家溝群八陡組；5—閣莊組；6—五陽山組；7—土峪組；8—北庵莊組；9—東黃山組；10—寒武-奧陶紀九龍群三山子組；11—寒武紀九龍群炒米店組；12—崮山組；13—張夏組；14—長清群饅頭組；15—朱砂洞組；16—新元古界圖8 添加虛擬鉆孔生成的剖面圖

圖9 拓撲造區后的X01線剖面圖

4 結論

三維地質建模是運用計算機技術將平面地質圖拓展延伸至三維層面，對平面地質圖地下巖層展布情況進行生動的展示，通過實時剖切，可以生成各類所需剖面，對于生產研究而言均具有重要意義。

當前在三維地質建模過程中存在著鉆孔數目有限、離散、準確程度不一難以保證以及獲取代價高的問題，該文探索了基于平面地質圖添加虛擬鉆孔的三維地質建模方法，相關關鍵算法和可視化等若干技術問題進行了一系列研究，主要結論與成果如下：

(1)設計了基于剖面的三維地質建模流程，建立了棗莊市中心城區三維地質模型。通過收集棗莊市中心城區區域范圍內原始鉆孔資料，進行電子化錄入整理，根據劃定的中心城區標準分層，將鉆孔揭露的各地層一一進行標準化，劃定合適的剖面運用計算機輔助技術進行自動生成剖面圖，根據專家經驗進行相關調整，通過兩兩相交剖面圖進行相互剪斷，形成周圍由標準地層包圍形成的單元格，通過人機交互生成單元格三維地質體，將各個單元格合并，最終形成了地質體模型。

(2)相關關鍵難點研究。對缺少鉆孔數據，采用平面圖補充虛擬鉆孔提高剖面圖精度的方法進行了詳細研究。對于斷層經過單元格的各種情形分別進行了地質塊體生成闡述。

(3)平面添加虛擬鉆孔生成地質塊體的方法還不夠完善。該文對平面地質圖添加虛擬鉆孔方法進行了初探，對于虛擬鉆孔精確控制地層分割界面沒有很好地解決，今后仍為繼續研究的方向。

(4)要提高構模過程自動化與智能化過程，進而降低人工交互的復雜程度。在這個問題上，融入專家經驗勢必對三維模型的模擬實際地層的精準度有很大提升，但專家經驗的加入意味著需要投入大量工作，勢必拖延項目完成時限。

(5)通過后期陸續收集掌握的鉆孔基礎資料對已建立的三維地質模型進行不斷完善調整，不斷提高其精準化程度。

(6)三維地質模型成果的轉化和應用，特別在城市規劃和工程建設中，針對不同階段規劃和重大工程規劃選址發揮作用。