工程地質三維模型構建方法及應用

袁亞平，劉向東

（1.陜西省水工環地質調查中心，陜西 西安 710068；2.陜西省礦產地質調查中心，陜西 西安 710068）

近年來，三維地質建模在城市地質領域被廣泛關注，三維模型能帶給人直觀的視覺感受，更能直接展示不同地質對象的空間結構特征與關聯關系。本文介紹的工程地質建模的方法主要有兩種，一是自動化建模，即利用地質構造信息（走向、傾角）、區域地質圖、地層埋深等值線、地形數據、地層壓覆關系、鉆孔、物探、氣象水文等屬性數據作為約束數據，采用插值算法快速形成地質體模型。另一種為人機交互式建模，先根據建模區域的地質地貌特點，利用地質地貌圖、地形圖、地質測試分析數據、鉆孔等多源數據繪制多條平行和橫縱交叉的剖面，將建模區域分割為若干個獨立的單元格，借助軟件工具，對獨立的單元格進行地質三維模型構建，最后將單元格拼接，形成整個工作區的工程地質三維結構模型。

工程地質三維模型的構建，為咸陽市地質專業技術人員和管理者提供規范化、綜合化、智能化的地質專業工作平臺，為政府決策、城市建設規劃、重大工程建設、城市地質資源的合理開發利用及文物保護等提供地質科學依據，提升城市科學發展和管理水平，更好地促進城市經濟社會全面協調發展。

1 工程地質三維模型構建

項目在開展過程中，針對工程地質結構三維模型的搭建，采用人機交互式單元格分割-拼接建模方法[1]。工程地質三維模型構建具體流程，如圖1所示。結合圖1下文對工程地質三維模型構建過程做詳細介紹。

1.1 采集數據

工程地質建模所需的數據，主要有工程鉆孔數據、地下水位、水質監測井、地層埋深等值線、地質地貌圖、水文地質圖、DEM、遙感影像等數據；紙質工程地質剖面圖和剖面平面部署圖；PDF或WORD格式成井報告數據等。在工程地質數據采集過程中，充分收集多源建模數據，運用交互式建模技術實現對工程地質的精細化建模。

1.2 工程地質剖面處理

在三維建模之前，需要對導入的工程地質剖面進行處理，主要有剖面的矢量化、拓撲、剖面區賦屬性、鉆孔軌跡線賦屬性等，為了避免剖面產生“生硬”的現象，專業技術人員結合咸陽城市地質的特點及自身豐富的地質工作經驗做出合理的工程地質剖面圖，能真實的反應區域地形、地貌特征、地質構造特征、地下水位變化特征、含水和隔水層的分布特征，形成較為真實的剖面邊界數據[2]。

1.3 剖面一致性檢查

通過本次工作，發現外部剖面數據在矢量化和屬性數據錄入完成導入三維建模軟件的過程中，會出現經過同一個鉆孔的不同剖面地層有誤差的現象[3-6]。

為解決這一問題我們利用平差處理技術對剖面進行了一致性檢查，檢查內容有：屬性一致性檢查、厚度一致性檢查、分層界限一致性檢查[7]。針對相交的剖面之間進行檢查，確保屬性結構一致、相交剖面處的剖面厚度一致、分層界線一致。如圖2所示。

1.4 三維模型構建步驟

1.4.1 構成單元格模型

剖面通過一致性檢查處理后，成批或單獨導入三維模型構建軟件中，選用“單元格自動生成”功能，將工作區劃分為多個單元格，采用“分治”的方法對復雜模型進行構建，如圖3所示。

1.4.2 封閉線構面

技術人員結合工程地質剖面及鉆孔數據的空間分布特征，利用軟件的“封閉線構面”功能，進行構面（圖4）操作。

當需要構面的線是曲線，通過添加、移動點的位置來搭建輔助線，然后利用軟件自動計算投影面功能，構建封閉的面[8]。

圖4 封閉線構面功能軟件界面

1.4.3 封閉面構體

利用軟件中“面構體”功能，通過雙擊選擇目標面對體進行構建，第一個構體的面選擇剖面上的面，確保所構建的體繼承剖面的屬性，通過“判斷封閉性”功能，確保構建封閉體，如圖5。

圖5 封閉面構體功能軟件界面

1.4.4 封閉體構建單元格

單個單元格模型構建完成后，對各個單元格進行合并操作，形成最終工程地質體三維模型，如圖6所示。

圖6 工程地質三維模型

2 三維模型的應用

提供的服務：

工程地質三維模型的構建為咸陽政府城市規劃、交通管理、地質勘探、工程施工、防震減災、文物保護、地下空間開發等提供地質數據支撐服務；為社會公眾提供地質科普服務；為專業技術人員提供可視化的地質數據，實現了從三維角度分析、評價各類土體的物理力學性質等服務[9]。

3 結論

咸陽城市地質項目構建了三維可視化的工程地質模型，建模通過多源的工程地質數據約束及地質技術人員豐富的工作經驗，應用基于MapGis-k10的專業建模軟件，利用交互式建模的方法，構建成咸陽工程地質模型。

城市地質項目的開展，不僅對地質數據標準化進行了規定，同時也提供了三維可視化模型的多種地質數據查詢、展示、分析、模擬等功能，為咸陽城市地質調查提供了地質科學依據。