城市地下空間三維地質建模的研究及實現

田玉培 王 俊 劉文文

（1.河南省地礦局第三地質礦產調查院；2.河南省自然資源科技創新中心）

隨著我國城鎮化建設快速發展，優化城市內部空間結構，改造提升中心城區功能，統籌規劃地上地下空間開發，可有效提升國土空間利用效率，是解決城市空間問題的有效途徑［1］。作為一種潛在的土地資源，地下空間是城市未來的一個重要發展方向［2］。構建城市地下空間三維地質模型和屬性模型，能夠直觀地展示地層、地下構筑物、河道、水系等，進一步與三維模型融合后，自動展示地下空間資源質量［3］。三維地質模型快速、動態、精細和全息構建，奠定了三維可視化表達、分析、模擬、設計和決策基礎，可支持城市地下資源和空間評價、規劃、開發和利用，為地質環境和地質災害分析、評估、監測和預警，提供數據支持和技術支持，促進城市地質調查工作，為城市規劃、建設、管理、運行和智慧城市建設服務。

通過Quanty View 三維建模軟件，建立城市地下50 m 以內的可視化三維地質結構模型。利用研究區現有的工程勘察地質鉆孔，進行數據轉換及標準化入庫，建立基礎數據庫，進而繪制二維剖面線、構建三維地質模型。以信陽市浉河區城市地下空間三維模型項目為依托，從三維模型的構建方法、技術路線及城市地下資源和空間評價、規劃、開發和利用等方面進行論述。

1 地下空間三維建模方法

三維地質建模方法有2 種，表面建模和內部建模，前者利用地質剖面（包括平行剖面和交叉剖面）或離散點數據來自動或半自動生成符合實際情況的三維地學模型表面數據，進行三維地質建模；后者先利用物探、鉆探、推算等手段獲得一組地質體表面上的采樣點數據，利用趨勢面擬合或空間內插的方法獲得地質體表面。根據三維地質體特征，采用屬性插值、地質解譯、評估分析、統計預測等方法建立三維地學模型［4-6］。

Quanty View 是面向地學分析及相關專業分析的三維交互式可視化建模軟件。它采用表面模型與體數據模型結合的建模方式，以地質領域廣泛應用的表面不規則三角網格和四面體作為建模基本單元，對城市地下空間進行空間離散，建立體元間的空間拓撲關系。同時針對地下空間數據樣本少的特點，系統提供包括反距離加權插值法、徑向基函數插值法、全局多項式插值法、2D Kriging、3D Kriging等插值算法。針對不同數據特點，采用合適的空間插值算法重建城市地下空間三維模型［7］。

自上世紀70年代以來，開展了覆蓋研究區的1∶5萬區域地質調查、1∶20 萬水文地質調查、1∶5 萬環境地質調查以及超過1 000 項的工業與民用建筑工程地質（巖土工程）勘察工作，積累了多源、多類、多維、海量、多尺度、多時態的城市地質數據特征，為地下空間三維地質建模提供了豐富的基礎數據。

三維地質結構建模包括三維構造—地層格架建模和基于構造—地層格架模型的精細結構建模。本研究課題采用的三維地質結構建模方法主要有剖面建模法和鉆孔自動建模法，結合2種建模方法和空間矢量剪切技術，構建多層次、多尺度的三維地質體模型。

2 數據集成與模型構建技術路線

2.1 數據集成

2.1.1 基礎數據庫建設方法

鉆孔數據是三維地質結構建模的主要依據［8］，鉆孔數據主要來源于研究區的已有工程勘察鉆孔資料。研究團隊采取由內及外的資料收集方法收集勘察鉆孔資料。首先基于本單位檔案室豐富的工程地質勘察資料，篩選出研究區范圍內的勘察報告；對于鉆孔資料大面積空白區，到當地建設行政主管部門、審圖中心和本地區同行勘察單位進行查閱。項目研究區位于老城區，工業與民用建筑密集，工程勘察鉆孔資料豐富，有利于基礎數據庫建設。但館藏勘察資料時間跨度大，建筑物已拆遷或后期更名，且大部分鉆孔沒有提供有效坐標，導致部分鉆孔位置難以準確定位。針對上述存在的問題，由經驗豐富的勘察人員核實、到實地核查。對于上世紀八九十年代缺少坐標信息且位置信息不明確的鉆孔，結合老地籍圖和新地籍圖上的地名信息進行驗證。最終篩選出經過標準化處理的800 多個鉆孔數據進入基礎數據庫。針對鉆孔空白區，按照豎向連接、橫向擬合、縱向推定的三維分層方法，推定了部分虛擬鉆孔數據，使構建的三維模型能夠更加客觀真實。

數據庫是三維地質建模的核心，研究區采用Quanty View 三維地質建模系統建立數據庫，根據研究區地層情況編輯標準地質編碼，修改地質符號庫，連接服務器，導入鉆孔數據。本軟件同時具備導入及識別有誤鉆孔數據的功能，可對導入的數據進行核對。如果生成錯誤數據文本，可采用導入數據—修改數據—導入數據循環修改，直至數據全部合格，建立完成真實有效的數據庫。

2.1.2 標準地層劃分

標準地層劃分是構建三維模型不可或缺的基礎性工作［9］。本次收集研究區的地質資料時間跨度大，地層分布復雜，第四紀松散地層新老名稱交互使用，利用數據建庫，需建立統一的地層表。研究團隊結合1∶5 萬區域地質調查、1∶20 萬水文地質調查、1∶5萬環境地質調查以及工業與民用建筑工程地質（巖土工程）勘察等基礎資料，綜合分析本研究區的地形地貌和地層分布情況，重點考慮巖土體的地質時代、類別、成因、巖性特征、物理力學性質、厚度和空間分布規律等因素，進行標準地層劃分。按照巖土命名規范統一定名，對于巖土定名與新規范定名不相符的，根據室內土工試驗及原位測試成果對比分析進行初步定名。另外結合區域地質資料和周邊已經確定的地層分布情況，多次復核，將地層的新舊定名進行統一，最終劃分為14個工程地質層組。

2.2 三維模型構建技術路線

地下空間三維建模技術路線有2種：一是基于鉆孔的地質體建模，利用鉆孔數據直接進行建模［10］；二是基于剖面的地質體建模，鉆孔為基本的控制依據，利用剖面數據生成地層界面，再和鉆孔數據結合進行建模。本項目是基于剖面建模，建模的思路是根據兩個地層線圈，可以先在2 個線圈之間圍成1 個多邊形面，再用線圈分別生成2 個面，以此來圍成1 個封閉的多面體空間，即可生成多面體。

針對老舊資料的特點，本次工作提出的建模方法的流程：基于行政區圖和地形圖進行地名匹配→鉆孔信息提取→標準化→結構化存儲→制定勘探線布置圖→自動生成系列剖面→提取地層分界線→地層分界面→成體→輔助剖面進行體的編輯和校正，最終形成符合技術要求的三維模型。

3 研究區成果

信陽市城市地下空間三維立體模型構建研究區使用的數據由河南省地礦局第三地質礦產調查院提供，主要包括鉆孔數據、鉆孔分層數據、物探數據、遙感數據等。研究區位于信陽市浉河區的中心城區內，西起雞公山大街（老107國道），北至新七大道（通往高鐵站），北、東以京廣鐵路為界，南、東以大拱橋路為界，南、西止于浉河北岸，提供鉆孔800 個，鉆孔覆蓋面積10 km2（圖1）。研究區采用Quanty View 三維建模軟件進行三維建模，是具有完全自主知識產權的高功能、高可用性的三維可視化地質信息系統平臺，滿足了城市地下空間開發利用的需要。

3.1 多源數據建模三維地質結構模型

根據基礎數據庫中的鉆孔散點數據和Quanty View 二維平臺上繪制的地層分界線數據進行結合，生成預備數據，按實際位置展布在三維空間；運用空間插值算法對預備數據進行插值處理，生成Grid 網格數據，然后對其進行三角剖分，生成Tin 曲面；對上下層面交錯的情況，根據局部拓撲重構進行校正，然后依次按上下層面生成地層體模型，并清除地層零厚度位置；運用矢量剪切對地層體模型按照不同劃分方法細化，并按照巖性或者其它標準賦予不同的屬性信息；最后用地表剪切所有體模型，并在地表曲面上貼研究區域遙感影像圖。建立的三維地質模型如圖2所示。

從三維地質模型能看出研究區地層主要為第四系沖洪積黏性土、粉土及砂礫石層，下伏泥質砂巖、片巖等基巖層。研究區覆蓋層厚度<50 m。

信陽市浉河區研究區三維地質結構模型爆炸顯示模式如圖3所示。

三維地質結構模型爆炸圖更加直觀地在空間上展示出第四系地層上細下粗沉積韻律及各巖土層的空間分布、厚度，可在空間上對比各地層和巖性的變化。

信陽市浉河區研究區地質結構模型進行剖切分析，得到對應的地質剖面（圖4）。

通過2 點間直線剖切、多點連線折線剖切，可任意觀察到目的路線的地層情況，為地下空間開發規劃及施工提供地質依據（可用于市政道路管線、工程勘察的初步勘察）。

3.2 地下空間開發利用評價

研究區為老城區，利用地下空間起步較早，但開發利用程度較低，主要集中在商場、儲物間、停車場、人防工程、市政基礎設施等。可供開發利用的地下空間容量較大，但受地表已有建（構）筑物的限制和地下水文地質與工程地質條件的影響，需對地下空間開發利用的可行性進行分析。

地質條件決定了地下空間開發的深度與難度。信陽市地處大別山北麓的山前盆地，城市依河而建，河流兩岸的工程地質條件較復雜。研究區地貌由河流階地過渡到丘陵，地質條件也隨之呈漸變之勢。根據地形地貌、水文地質與工程地質條件、地下空間開發利用的可行性及難易程度分為3個區（圖5）。不同區因地層巖土工程性質不同和含水性質不同，可供地下空間開發利用的地層、埋深均有差別。對研究區各分區開發利用建議如下。

一區主要為浉河河漫灘分布區，地層上部松散堆積地層主要為砂礫石土，厚度10.0 m 左右，下部基巖絕大部分為白堊系紅砂巖。該區鄰近浉河，地下水埋藏淺且豐富。若開發利用地下空間，施工降水量和防水維護的成本較高，在目前的經濟條件下暫定為不適宜區。但該區富含地下水，比較適宜淺層地熱能開發利用。本區可進行地下管道等基礎設施建設及不超過一層的地下工程（停車場、人防）。

二區第四系松散地層埋藏厚度較大，土層強度較低；地下水埋藏較淺，屬中等富水區；工程地質條件一般，較適宜開發利用地下空間，適宜淺層地熱能開發利用。本區可進行商業、管廊、地下軌道工程。

三區地層分布簡單，上部為Q4、Q3 的黏性土，其下為基巖；巖土層工程性質良好，地下水位雖然埋藏較淺，但地層含水性較差，地下水量有限，屬地下空間開發利用適宜區。本區適合進行多種類、多維度地下工程。

4 結語

（1）首次對信陽市老城區第四系地層進行標準化分層，對老城區地層有了更深的認識，并為研究區水文地質與工程地質勘察提供借鑒和指導。

（2）構建了研究區地下空間三維地質結構模型，為信陽市老城區城市立體發展和地下空間安全開發利用提供必要的基礎性資料。

（3）通過分析研究區三維地質模型，實現了城市地下空間各要素的綜合評價，對研究區地下空間的開發利用提出可行性建議。