基于多要素融合的南沙區(qū)真三維地質(zhì)建模及應(yīng)用

譚建輝，周志遠(yuǎn)，黃佳銘，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

地質(zhì)體中往往賦存著非連續(xù)性斷層、覆蓋層、褶皺和透鏡體以及其他復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造特征，而以二維靜態(tài)的方式描述其分布規(guī)律和構(gòu)造形態(tài)，致使人們難以準(zhǔn)確理解地下的地質(zhì)狀況。通常鉆探是工程界了解地質(zhì)狀況的主要手段，但工程鉆探資料是一系列空間分布不均的離散數(shù)據(jù)，對(duì)于城市規(guī)劃和建設(shè)管理等非地質(zhì)專業(yè)的工作者來(lái)說(shuō)，難以通過(guò)這些數(shù)據(jù)達(dá)到精確的理解。因此，有必要采用更直觀的方式描述地質(zhì)體。地上與地下一體化三維地質(zhì)可視化模型就是其中一種途徑[1]。所謂地上地下一體化三維地質(zhì)可視化模型，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行空間信息管理、地質(zhì)學(xué)解譯后，實(shí)現(xiàn)地上與地下三維模型的可視化[2]。

目前，將可視化技術(shù)應(yīng)用于三維地質(zhì)模型的軟件主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，這些軟件可應(yīng)用于礦山模擬、開采評(píng)估、地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模等領(lǐng)域，有些是通用型可視化系統(tǒng)，有些則是專門針對(duì)地質(zhì)領(lǐng)域[3]。但對(duì)于大區(qū)域、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造以及信息規(guī)范存儲(chǔ)和管理等方面存在一定的不足[4]。而借助于ArcGIS的信息化管理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同工程地質(zhì)信息的規(guī)范存儲(chǔ)、有效管理和高效應(yīng)用，同時(shí)也能為三維可視化提供數(shù)據(jù)支持。眾所周知，三維地質(zhì)建模的核心是精確擬合復(fù)雜的地質(zhì)曲面，唯有得到符合勘察原始資料和地質(zhì)解譯的曲面，才能構(gòu)建真三維地質(zhì)的實(shí)體模型[5]。ItasCAD就是一個(gè)針對(duì)地球物理、地質(zhì)工程應(yīng)用的三維地質(zhì)建模軟件，其核心建模技術(shù)是DSI離散光滑插值技術(shù)，具有模擬非連續(xù)性和多值性地質(zhì)界面，可根據(jù)約束條件構(gòu)建復(fù)雜的褶皺、透鏡體和非連續(xù)性的斷層、覆蓋層，且能根據(jù)地勘資料進(jìn)行同步更新而不必重建模型的優(yōu)勢(shì)。

因此，本文基于ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和維護(hù)，調(diào)用DSI離散光滑插值技術(shù)的ItasCAD進(jìn)行三維地質(zhì)模型構(gòu)建，最后再通過(guò)ArcGIS對(duì)模型進(jìn)行三維渲染以及地上地下模型集成以及實(shí)現(xiàn)南沙區(qū)真三維地質(zhì)實(shí)體模型的可視化、空間分析和應(yīng)用，

2 南沙區(qū)基本地質(zhì)概況

南沙區(qū)處于粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，位于珠江出海口虎門水道西岸，東與虎門隔海相望，西連中山市，是連接珠三角城市群的樞紐性節(jié)點(diǎn)。區(qū)內(nèi)地層由覆蓋層和基巖組成。經(jīng)鉆孔資料揭示：陸地面積占比最大的沖積平原主要由三角洲沖積土形成；低丘陵臺(tái)地主要分布在南沙街道，某些孤丘由白堊系紅色礫巖組成，而低洼區(qū)由第四紀(jì)河口相沉積物組成；中生代燕山運(yùn)動(dòng)使地臺(tái)活化，形成的主要斷裂有沙灣斷裂、洪奇瀝斷裂、獅子洋斷陷和萬(wàn)頃沙斷陷以及大規(guī)模的巖漿活動(dòng)；基底由古生界變質(zhì)巖系構(gòu)成，最老的為下古生界震旦系變質(zhì)砂巖、板巖、片巖及硅質(zhì)巖，分布于塘坑至南沙林場(chǎng)茸鵝山一帶；加里東期的混合花崗巖分布于南沙深灣；大面積基巖為燕山期的細(xì)粒、中粒、粗粒(或班狀)黑云母花崗巖，分布于黃山臺(tái)一帶以及黃閣的大山乸等地。

3 數(shù)據(jù)規(guī)范化入庫(kù)

目前工程界常通過(guò)地質(zhì)鉆探等手段，在野外地質(zhì)編錄后，內(nèi)業(yè)整理分析紅紙和報(bào)表，繪制鉆孔柱狀圖，再通過(guò)后期經(jīng)驗(yàn)分析，得到連接各鉆孔的地質(zhì)斷面圖并編制勘察報(bào)告。對(duì)于大面積區(qū)域而言，各工程的地質(zhì)資料是離散的且格式多樣，不易于整合應(yīng)用。而通過(guò)規(guī)范化統(tǒng)一格式使數(shù)據(jù)入庫(kù)，具有格式統(tǒng)一、高效可靠、完整自同步等特性，是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的最佳選擇。城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)規(guī)范化入庫(kù)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)規(guī)范化入庫(kù)流程圖

根據(jù)研究區(qū)域，通過(guò)野外調(diào)查以及全面收集圖形、圖像、報(bào)告、數(shù)據(jù)等資料，并對(duì)資料進(jìn)行系統(tǒng)的分析、整理及篩選。在此基礎(chǔ)上，對(duì)屬性類數(shù)據(jù)(柱狀圖、勘察報(bào)告附表)進(jìn)行分類，編制屬性表；其次對(duì)圖形類數(shù)據(jù)(基巖地質(zhì)圖、地質(zhì)構(gòu)造圖、水文系列圖)進(jìn)行矢量化，并數(shù)字化、配準(zhǔn)校正后進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換；然后，將建好的屬性數(shù)據(jù)文件和編輯好的圖形數(shù)據(jù)文件利用圖元編號(hào)或特殊標(biāo)識(shí)意義的關(guān)鍵字段進(jìn)行掛接，按要求進(jìn)行必要的分層處理，逐層進(jìn)行拓?fù)渲亟ǎ纬删哂型負(fù)潢P(guān)系的多邊形圖層文件，并利用圖形和屬性一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查和修改，直到全部對(duì)應(yīng)。

資料來(lái)源類型 表1

針對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式與模型可視化的表現(xiàn)要求，可采用如下三種數(shù)據(jù)表：鉆孔基本信息、分層信息表、地層屬性表，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)字段如表2、表3、表4所示。本次地質(zhì)建模正是依據(jù)這三個(gè)鏈表數(shù)據(jù)進(jìn)行。將規(guī)范化處理的數(shù)據(jù)整理成表文件，并且以點(diǎn)要素的方式導(dǎo)入ArcGIS里面，建立本模型需要的三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是使地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)管理有序，使用方便，非常適合于城市規(guī)劃管理工作者使用，但不足的是未能形成直觀的三維模型，因此在建立上述數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，若能再實(shí)現(xiàn)三維可視化模型，則將大大拓展其使用功能。

鉆孔基本信息表 表2

鉆孔分層信息表 表3

地層屬性表 表4

4 南沙區(qū)真三維地質(zhì)實(shí)體建模

三維地質(zhì)實(shí)體建模是一門通過(guò)空間信息管理理論研究地質(zhì)實(shí)體的物理、化學(xué)屬性數(shù)據(jù)及幾何結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用數(shù)字化可視技術(shù)對(duì)其進(jìn)行真三維再現(xiàn)的科學(xué)與技術(shù)。廣義的三維地質(zhì)建模包括三維地質(zhì)模型的生成、可視化、空間分析和應(yīng)用等。

目前，國(guó)際上將可視化技術(shù)應(yīng)用于真三維地質(zhì)模型的系統(tǒng)主要有GoCAD、ItasCAD、LYNX、EarthVision等，這些軟件系統(tǒng)可應(yīng)用于礦山模擬、開采評(píng)估、地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模等領(lǐng)域，有些是通用型可視化系統(tǒng)，有些則是專門針對(duì)地質(zhì)領(lǐng)域。其中ItasCAD就是一個(gè)針對(duì)地球物理、地質(zhì)工程應(yīng)用的三維地質(zhì)建模軟件，其核心建模技術(shù)是DSI離散光滑插值技術(shù)，具有能模擬非連續(xù)性和多值性地質(zhì)界面，可根據(jù)約束條件構(gòu)建復(fù)雜的褶皺、透鏡體和非連續(xù)性的斷層、覆蓋層，且能根據(jù)地勘資料進(jìn)行同步更新而不必重建模型的優(yōu)勢(shì)。

因此，本文基于ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和維護(hù)，調(diào)用DSI離散光滑插值技術(shù)的ItasCAD進(jìn)行三維地質(zhì)模型構(gòu)建，最后再通過(guò)ArcGIS對(duì)模型進(jìn)行三維渲染以及地上地下模型集成以及實(shí)現(xiàn)南沙區(qū)真三維地質(zhì)實(shí)體模型的可視化、空間分析和應(yīng)用，其建模流程如圖2所示。

圖2 三維地質(zhì)實(shí)體建模流程圖

4.1 地層面模型的構(gòu)建

地層面模型的構(gòu)建可采用ItasCAD軟件的DSI離散光滑插值技術(shù)，調(diào)用基于ArcGIS建立的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算形成連續(xù)的三維曲面，如圖3所示。本次地層面模型的構(gòu)建分為土層面模型和基巖面模型。

圖3 地層面模型

地表面模型的構(gòu)建，采用DEM面構(gòu)建，構(gòu)建地表面的數(shù)據(jù)源是具有高程值的地理數(shù)據(jù)，包括水系、等高線、邊界等。在使平面比例尺與高程比例尺一致后，在軟件中先將高程的線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，再以離散點(diǎn)數(shù)據(jù)生成面，從而創(chuàng)建地表面。

土層面模型的構(gòu)建，采用鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建。首先將南沙區(qū)約1 000個(gè)鉆孔的土層歸納為填土、軟土、砂土、黏性土四種類型；然后將鉆孔的每一個(gè)土層抽取作為一個(gè)空間采樣點(diǎn)，其X、Y為鉆孔坐標(biāo)，Z值為孔深；再對(duì)同一層的采樣點(diǎn)，分析是否連續(xù)分布或者尖滅，ItasCAD可通過(guò)建模算法對(duì)尖滅界限進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)生成尖滅層，如圖4所示，圖中地層3-1和7為尖滅層；最后按照ItasCAD軟件的格式導(dǎo)入軟件之中，進(jìn)行離散光滑插值，生成地層面。

基巖面模型的構(gòu)建，利用基巖地質(zhì)圖和地質(zhì)構(gòu)造圖構(gòu)建。從基巖地質(zhì)圖提取各地層邊界線的離散點(diǎn)，從地質(zhì)構(gòu)造圖中提取各斷裂邊界的離散點(diǎn)，設(shè)置好產(chǎn)狀，導(dǎo)入ItasCAD，利用“點(diǎn)與產(chǎn)狀”功能，構(gòu)建基巖層面。

圖4 尖滅處理示意圖

4.2 地質(zhì)體模型的構(gòu)建

地質(zhì)體模型由一系列的地層面模型封閉構(gòu)成。由于ItasCAD構(gòu)建出地層的頂面、底面、側(cè)面在進(jìn)行插值時(shí)，并未考慮邊界條件和地層的分布范圍，所以對(duì)于ItasCAD生成的地層面，需要再次導(dǎo)入到ArcGIS軟件，運(yùn)用ArcGIS的裁剪、連接等功能進(jìn)行空間運(yùn)算，從而生成閉合的三維地質(zhì)體。然后，將所有單個(gè)地質(zhì)體進(jìn)行拼裝，構(gòu)成南沙區(qū)三維地質(zhì)模型，如圖5、圖6所示。最后，運(yùn)用ArcGIS強(qiáng)大的色彩渲染功能實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的可視化，如圖7所示。

圖5 地質(zhì)體模型

圖6 南沙區(qū)三維地質(zhì)實(shí)體模型

圖7 南沙區(qū)三維地質(zhì)實(shí)體模型

4.3 地上與地下模型一體化集成

隨著國(guó)家大力推進(jìn)數(shù)字化城市的建設(shè)，地上與地下一體化三維可視化模型的集成勢(shì)在必行。與傳統(tǒng)三維地質(zhì)模型相比，三維城市在立體層次、視覺(jué)效果等感官效果有著很大改進(jìn)，也能提升城市地質(zhì)調(diào)查工作成果可視化的表達(dá)能力。地上與地下模型集成的主要步驟如下：

(1)將基于3ds Max建立的地上精細(xì)模型轉(zhuǎn)換成ArcGIS平臺(tái)所需的三維模型格式；

(2)對(duì)地上模型進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和空間配準(zhǔn)，以確保地上與地下模型可以在相同坐標(biāo)系下進(jìn)行無(wú)縫集成；

(3)將地上與地下模型按照邊界范圍進(jìn)行裁剪，并拓?fù)湫迯?fù)地下模型，以消除地下與地上模型不能完全貼合的問(wèn)題。

按照上述步驟，即可實(shí)現(xiàn)地上與地下模型的一體化集成，南沙區(qū)地上與地下模型集成的效果圖如圖8所示。

圖8 地上地下模型一體化集成

集成展示系統(tǒng)能夠集成海量的異構(gòu)三維實(shí)體數(shù)據(jù)，包括地下地質(zhì)體模型、地下構(gòu)筑物模型(管線、地鐵、人防設(shè)施等)、地上建(構(gòu))筑物等。具有基本的三維可視化和分析功能，包括：場(chǎng)景的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、單軸放大/縮小、配置可視化參數(shù)、屬性分析、統(tǒng)計(jì)查詢、瀏覽展示、飛行漫游、動(dòng)畫生成等功能，支持地質(zhì)體開挖仿真模擬、任意剖面的切割分析、地上地下一體化空間分析，可實(shí)現(xiàn)全方位的地上地下三維數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用分析。

5 真三維地質(zhì)實(shí)體模型的應(yīng)用

基于ArcGIS平臺(tái)建立的真三維地質(zhì)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移等可視化操作，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)南沙區(qū)任意位置進(jìn)行三維地質(zhì)剖切及實(shí)時(shí)漫游等應(yīng)用，剖切斷面圖和模型漫游效果圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 三維模型剖切圖

圖10 三維模型的漫游

通過(guò)真三維地質(zhì)實(shí)體模型，可將地質(zhì)體的構(gòu)造形態(tài)既直觀又形象地展現(xiàn)在城市規(guī)劃管理和建設(shè)工作者面前，輔助其做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布規(guī)律的城市規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)施工方案，減少因地質(zhì)問(wèn)題理解缺乏而造成的工程設(shè)計(jì)施工風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文結(jié)合Itascad與ArcGIS兩個(gè)大型軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，基于ArcGIS平臺(tái)建立了空間數(shù)據(jù)庫(kù)，采用DSI離散光滑插值技術(shù)，提出了一種能融合多要素的真三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建方法；

(2)應(yīng)用本文建模的理念，基于南沙區(qū)海量鉆孔和地質(zhì)資料，建立了南沙區(qū)科學(xué)精準(zhǔn)的真三維地質(zhì)實(shí)體模型，此模型能實(shí)現(xiàn)多要素?cái)?shù)據(jù)的有效集成，同時(shí)將地上與地下的三維模型進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)了地上地下一體化，可提升城市地質(zhì)調(diào)查工作成果的可視化效果；

(3)建立的南沙區(qū)真三維地質(zhì)實(shí)體模型，能對(duì)工程地質(zhì)信息進(jìn)行有效管理和高效應(yīng)用，如對(duì)任意位置進(jìn)行地質(zhì)剖切、三維漫游等操作，可為城市規(guī)劃管理和建設(shè)工作者提供直觀的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)。