城市區域三維地質結構建模方法綜述

韓征 王文文 李勇

摘 要：城市三維地質模型是借助于云計算、大數據、物聯網等新一代信息技術對地質體進行的準確刻畫和定量模擬，其目標就是提升城市地質成果的可視化表達能力和空間數據場運算能力，為地質資源的評估計算、地質環境的預警預報、城市的規劃建設和運行管理提供數據支撐。對當下三維地質結構模型建設的普遍流程和一般方法進行了總結，重點對鉆孔類建模法、剖面類建模法、多源數據交互建模法、多場耦合建模法和三維結構體與地應力一體化建模法的優缺點、適用范圍和應用場景進行了分析，以便于地質工作者適時選取合適的方法，提高模型建設的準確性和合理性。

關鍵詞：三維地質建模;多源異構;大數據;物聯網;地質結構模型

Summarization of 3D geological structure modeling methods in urban areas

HAN Zheng， WANG Wenwen， LI Yong

（Information Center of Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： The urban 3D geological model is an accurate characterization and quantitative simulation of geological bodies with the help of new-generation information technologies such as cloud computing， big data， and the Internet of Things. Its goal is to improve the visual expression ability and spatial data field computing ability of urban geological results. It provides data support for evaluation and calculation of geological resources， early warning and forecasting of geological environment， and urban planning， construction， management and operation. This paper summarizes the general process and general methods of the current 3D geological structure model construction， focusing on borehole modeling method， profile modeling method， multi-source data interactive modeling method， multi-field coupling modeling method and integrated modeling method of 3D structure and ground stress. The advantages and disadvantages， application scope and application scenarios of the integrated modeling method of structure and in-situ stress are analyzed， so that geologists can choose the appropriate method in time to improve the accuracy and rationality of model construction.

Keywords： 3D geological modeling; multi-source heterogeneity; big data; Internet of Things; geological structure modeling

城市區域的三維地質結構建模是對城市區域的地質界面和地質體的空間位置、形態和拓撲關系進行三維立體的可視化表達，為人們深入研究地質體、全面分析地質現象、科學利用地質資源、有效防治地質環境問題等工作提供直觀的、虛擬的地質空間。因此三維地質結構建模的目標就是客觀真實的刻畫和模擬地質體。但是，由于地質結構的復雜性、地質現象的不確定性、地質信息獲取的有限性和地質數據的多源異構性，導致地質體三維模型的構建、表達和更新十分困難，而且存在著自動化程度低、建設標準不統一、集成格式不一致、地上地下分離等諸多問題（潘懋等，2007）。為了解決這些問題，研究者們將工作重點聚焦在復雜地質體的快速自動化建模以及建設統一的地質建模標準方面。近年來，三維地質結構模型構建的技術方法已經有了長足進步并取得了諸多成果，本文擬討論當前三維地質結構模型的建模方法、應用現狀和未來的發展趨勢。

1? 國內外發展現狀

1.1? 國外

歐洲發達國家對三維地學可視化研究起步較早，英國、法國、德國建模技術相對比較成熟。從各國地質調查局整體部署來看，在引領地質三維建模技術的發展和應用方面，英國是最具完整性和系統性的。英國多年間建設的不同比例尺基巖地質模型和英國國家地質模型，旨在構造一個準確、多比例尺的地理空間模型;德國哈勒市建立了非常精細的三維地質模型，總面積達到了135 km2，整個城區的模型均可以通過統一的軟件進行集成和顯示;不同于上述地質模型，老撾采用了基于柵格場的隱式地質界面耦合建模方法，由于柵格場的空間值是連續的，這種建模方式對結構模型和屬性模型的一體化是很有幫助的。

從軟件的發展狀況來看，目前國外已有較多成熟的三維建模軟件，如法國的GoCAD，美國的Petrel、Earth Vision、Esri CityEngine等。GoCAD是法國Nance大學研發的三維建模軟件，它的優勢是創建了離線光滑插值技術、三角剖分技術和四面體剖分技術，可以用于大規模復雜地質體的建模;斯倫貝謝公司的Petrel軟件，是集地震解釋、構造建模、巖相建模、屬性建模和數值模擬及虛擬現實于一體的三維建模軟件，主要應用于油氣藏領域，可用于構造從結構到力學的一系列模型;Earth Vision在三維表面網格化的方面具有獨到的優勢，也被廣泛地應用于油田地質當中;Esri CityEngine是三維城市建模的優秀軟件，已應用于城市規劃建設的方方面面，但是其對地層的建模能力有限。

1.2? 國內

國內的三維地質建模起始于20世紀90年代初期，主要應用于油田開發、礦山開采的數值模擬，后期許多學者在不同的應用領域對其理論方法、數據結構和軟件開發等方面進行了諸多的研究。例如較早開展的三維油氣成藏動力學建模和三維數字盆地模擬技術（吳沖龍等，2001;吳沖龍等，2006），中國地調局的PRB三維構模技術（吳志春等，2015）和福州的知識驅動多尺度三維地質體建模（陳麒玉等，2016），均有各自的建模特色和優勢。北京市地質礦產勘查院建立了多個專題三維地質模型，包括巖溶水基巖模型、新生界模型、多參數基巖模型、通州區地下空間模型等，分別采用了多源交互復雜地質體建模法、基于網狀含拓撲剖面建模法和基于交叉折剖面建模法;同時，在模型集成方面也進行了很多的研究工作，實現了北京城市副中心地區新生代、基巖地質模型與核心區的地下空間地質模型在ArcGIS平臺上的無縫集成，實現了與同一區域地面沉降、地下水環境、砂土液化、地下水動態、土壤地質環境、淺層地熱能等屬性模型的初步集成（屈紅剛等，2015;張院等，2015;李敏等，2018）。

近年來國內的三維建模軟件也取得了一定的發展，如MapGIS K9平臺、Creatar平臺、steampGIS和網格天地平臺。MapGIS K9是國內應用歷史最久的GIS軟件，現階段很多的歷史地勘圖件，均采用這個格式，該平臺具有比較強的建模功能，支持結構模型和屬性模型的建設，但是屬性模型和結構模型的耦合程度不高。Creatar平臺是具有自主知識產權的平臺，可以建立大場景復雜的地質結構，支持多種復雜地質體建模的方法，具有不錯的可視化效果。網格天地的平臺是比較系統化的三維模型平臺，在城市地質建模和油氣藏建模領域有了不少的應用，尤其是對于結構模型和屬性模型可以進行耦合方面支持得比較好，甚至初步實現了有限元剖分后的地應力計算，具有獨到的優勢。

1.3? 存在的主要問題

目前三維地質建模尚存在一些問題亟待解決。諸如：巖土尚無統一的標準化命名規則，已有的鉆孔資料巖土命名標準在各專業領域也不統一，易造成地層分層信息的缺失;鉆孔概化、剖面繪制過于依賴于專家經驗，此現象增加了模型建設的主觀性和不確定性，地質體分層易受到專家業務水平、思維方式的限制;建模程序復雜，難以為基層的地質作圖人員所掌握，目前無論是國外的還是國產的三維地質建模軟件，其操作流程仍過于復雜，須經嚴格培訓才能掌握;約束條件要求嚴格，實物工作量大，這主要由于三維地質建模的過程本身是一個復雜的過程，涉及到用于建模的源數據經多次的編輯和確認，會導致很多在二維環境可以敷衍、忽略的微小瑕疵，在三維建模中變得很“敏感”;無統一的建模標準，目前從行業層面缺乏三維地質模型的建模標準，不同軟件構建的三維地質模型難以共享;無法實現結構模型和力學模型的統一，目前建立的三維地質結構模型僅限于空間分析、鉆孔提取、開挖分析等功能，而無法實現與力學、熱學模型進行集成;模型精度較低，受到地下信息獲取難度的限制，模型建設精度無法與地表建筑模型相類比，因此無法實現地上地下一體化模型的集成;模型的局部更新困難，目前的建模軟件大多不支持模型的局部更新，對于與人類活動接觸頻繁的地下空間地層模型來說，其時效性受到了較大的限制。

2? 三維地質結構建模的技術方法

2.1? 建模方法概述

三維地質結構模型建設的主要流程包括建模準備、模型建設、模型評價和模型應用等4個過程（圖1）。模型準備步驟包括鉆孔數據、物化探成果、地質圖件和斷裂信息的收集及整理，其中鉆孔數據是地層劃分和模型建設最為基礎的資料，物化探資料對于鉆孔地層之間如何連接從而形成準確的地質剖面具有指導意義，地形圖對于地表零層的刻畫和地上地下一體化的集成具有至關重要的意義，地質構造是基巖地質建模中必不可少的資料。

模型建設步驟主要是通過普通鉆孔建模法、交叉折剖面建模法、多場耦合建模法等不同的建模方法來實現對不同地質模型的建設，每一種建模方法均有一定的適用性，涉及的模型包括基巖地質模型、第四系地質模型、工程地質模型和水文地質模型。其中基巖地質模型是反映基巖面起伏、巖石地層及斷層等構造信息的三維模型，可用于研究活動斷裂的分布與活動規律;第四系模型是反映第四系松散沉積物層空間分布變化情況，常用于地質資源評價和地質環境調查研究;工程地質三維地質模型是用于表達城市工程建設層地質巖性空間展布的模型，常用于揭示不良地質現象和獲取工程地質參數;水文地質模型主要用于地下水流場和地下水動力學研究。

模型的評價步驟就是對建好的模型按照其空間拓撲關系進行驗證，確定三維地層和地質體之間的拓撲關系準確無誤。

模型的應用就是將建好的三維地質模型納入統一的“一張圖”體系中，將模型成果與歷年的地質資源環境監測預警成果進行比對和分析，從而輔助決策者對區域地質資源進行評價，對區域地質環境進行分析預報。

由于三維地質模型具有顯著的多尺度性，因此在不同的比例尺和調查精度條件下所采的建模方法均不一樣。對于大比例尺模型，其能夠獲得的數據包括鉆孔、物化探、電測井等詳查資料，采用的建模方法通常為多源交互復雜地質體建模方法，建模精度很高;對于中比例尺模型，其能夠獲得數據包括鉆孔和地質剖面數據，采用的方法通常為基于交叉折剖面及網狀含拓撲剖面的建模方法，建模精度一般較高;而對于小比例尺模型，能夠獲得的數據一般僅有鉆孔數據，其采用的方法通常為鉆孔建模法，精度普遍較低。

2.2? 模型數據準備

模型數據的準備工作如圖2所示，主要包括收集整理鉆孔資料、篩選基準鉆孔、建立基準孔網、繪制基準剖面和建立聯合剖面等步驟。

廣泛收集各類鉆孔、物化探和測井成果。根據不同的三維地質模型建設目標，收集、整理各類鉆孔數據，但由于這些鉆孔的來源不一，造成資料很難直接被利用。因此，需要按照統一的巖石分類命名標準、統一的巖石分層標志、統一的鉆孔概化原則對原有鉆孔進行標準化處理和概化處理，從而形成標準鉆孔，以備使用。

篩選、分析鉆孔資料，選出可以利用的基準鉆孔。在經過上述處理的標準化鉆孔中，根據建模的目標、范圍、深度，優選出用于控制整個地層的基準鉆孔，這些基準鉆孔便成為其他鉆孔的標尺和基準，可作為相鄰區域的地層標準，也可作為短距離橫向巖層對比的依據。

建立基準孔網。利用優選出的基準鉆孔建立均勻分布于整個模型區域的基準孔網。

利用基準孔網編繪基準剖面圖，形成地層結構骨架。由基準孔網建立基準剖面的方法有很多，以第四系松散沉積物為例，包括宏觀分析法、地面電法、古河道法、沖積扇法、沉積韻律法和綜合分析法。

利用大量鉆孔充實結構骨架，建立聯合剖面。聯合剖面的繪制非常依賴于專家的經驗，此步驟是人工介入最多的步驟，而縱觀眾多的建模方法，若要模型建設準確，均離不開地質專家的宏觀掌控和綜合判斷。

2.3? 建模的一般方法

建模的一般方法包括普通鉆孔建模法、基于層位標定的鉆孔建模法、基于網狀含拓撲剖面和交叉折剖面的方法、三維地質多場耦合建模法、多源交互復雜地質體建模法和地質結構與地應力模擬一體化建模法。其中普通鉆孔建模法是最為基礎、最為快速的建模方法（De Donatis 2001;Lemon et al.，2003），這種方法具有通用性，適用于第四系、水文地質和工程地質模型;基于層位標定的鉆孔建模法是利用基于層位標定的鉆孔數據對鉆孔地層進行快速解譯的方法，其實現了基于解譯后鉆孔數據的自動建模（明鏡，2012）。交叉折剖面建模法是一種基于交叉折剖面的三維地質模型自動構建方法，重點解決模型構建中“高精度”和“快速”的難題（Sirakov et al.，2002;Xu et al.，2003;屈紅剛等，2008）。基于網狀含拓撲剖面建模方法克服了模型建設中常遇到的多值問題，可用于建立復雜的三維地質結構模型（明鏡，2009;Ming et al.，2010）。三維地質多場耦合建模法是將結構模型和屬性模型集成的一種方法，其屬性邊界依靠結構模型進行約束;多源交互復雜地質體建模法可不依賴于單純的鉆孔和剖面，是將各類物探、剖面、斷裂等數據集成起來聯合建模的方法，非常適合于基巖地質建模;地質結構與地應力模擬一體化模型是未來發展的方向，是將結構模型、屬性模型、地應力計算模型一體化的方法，尚處于探索階段。

2.3.1? 鉆孔建模法

鉆孔建模法是通過對鉆孔坐標和鉆孔分層信息的解譯而快速建立起地層分層關系，建模流程包括選擇鉆孔數據集、鉆孔解譯、水平自動分區、生成主層面和自動成體這幾個步驟。其優勢是建模速度快，適合建立典型層狀結構的地質模型;自動化程度高，解譯完成后，后續工作基本依靠自動化;方法流程簡單易于理解，操作簡便，可實現快速更新。劣勢是不適合構建具有交互關系復雜的地質體，無法解決“透鏡體”和“螺旋體”地質現象;建模主觀性較大，對鉆孔不同的理解會建立截然不同的模型;鉆孔資料獲取的難度較高，成本較大，鉆孔解譯的效率低、專業技術要求高。

2.3.2? 基于層位標定的鉆孔快速建模方法

本方法是在普通鉆孔建模的基礎上，為解決鉆孔解譯方法效率低、易出錯的現象而提出的基于層位標定的快速解譯方法，可以輔助鉆孔解譯者實現相對快速、準確的鉆孔解譯。其建模流程主要包括鉆孔解譯、解譯后鉆孔自動建模和交互式調整更新等步驟，其中鉆孔解譯是為鉆孔上的地層分界點賦予準確的地層編號;解譯后鉆孔自動建模是使用解譯好的鉆孔完成模型的自動構建過程;交互式更新是在用戶不改變鉆孔解譯方案的條件下實現模型信息的動態修改，從而實現模型局部的自動更新。其優勢是在一定程度上克服了傳統鉆孔建模方法中鉆孔解譯難度大、效率低的問題;在地層交互方面，可以通過建立虛擬層面來處理多值問題;在地質體刻畫方面，可以對“地層尖滅”問題進行很好的表達;建模過程中采用交互式操作，可以對地層形態進行人工調整。劣勢是不適合構建具有交互關系復雜的地質體，無法解決對“螺旋體”地質現象的刻畫;鉆孔資料獲取的難度較高，成本較大;無法利用地質剖面圖、地質圖、地形圖等現有多源資料，不支持斷層系統的建模。

2.3.3? 基于交叉折剖面及網狀含拓撲剖面的建模方法

基于交叉折剖面的方法是通過引入剖面中空間要素（多邊形-弧段-結點）之間的拓撲關系（鄰接、關聯和包含），生成基于邊界表達的三維地質模型的方法（屈紅剛等，2008）。在用戶少量干預下，可以建立絕大多數復雜地質模型，建模流程見圖3。

基于網狀含拓撲剖面的方法和交叉折剖面法的主要思想一致，都是通過引入剖面中空間要素之間的拓撲關系來生成基于邊界表達的三維地質模型（屈紅剛等，2008）。通過建立多剖面間的網狀結構，可實現復雜地質模型的構建，建模流程見圖4。

上述2種剖面建模法的優勢是擴大了建模的數據源，建模的自動化程度較高，建模速度較快，可實現模型的擴展和復用;能夠針對大范圍的區域進行高精度的復雜地質模型快速構建，可以處理“地層尖滅”問題;可進行多體建模，地質體之間的數據一致性較好，建好的模型可進行拓撲分析。劣勢是對于斷層、褶皺這種地質現象處理起來相對繁瑣，需要較大的工作量;建模需要剖面的數量較多，需要制作封閉的剖面網絡。

2.3.4? 多源交互復雜地質體建模方法

多源交互復雜地質體建模方法是將地質圖、剖面、地層線、輪廓線等地質資料和專家經驗添加到模型構建過程中的建模方法，可實現斷層約束下的地質體建模，從而建成復雜地質體模型。其優勢是實現了建模數據的多樣化，建模數據包括但不限于鉆孔數據、剖面數據、平面地質圖和等值線;建模過程伴隨著地質解譯過程，交互程度高，能處理各類復雜地質情況，如復雜斷層系統、倒轉褶皺、侵入巖體等。劣勢是多源數據的處理較為復雜，建模過程需要人工干預;建模時間長，數據更新較為繁瑣;需要大量的人工交互，在各地質界面間可能會出現互相交切的現象。建模流程見圖5。

2.3.5? 多場耦合建模方法

理想的三維地質模型應充分考慮地質屬性參數場對幾何結構框架的指示意義及幾何結構框架對屬性參數場的約束作用，將地質數據處理、地質體幾何結構框架、地質屬性參數場、三維可視化空間分析作為一個整體加以研究，才可能實現真正意義上的地質空間多場耦合構模（朱良峰等，2012）。其優勢是實現了模型結構場和屬性場的耦合，可以直接用于工程地質計算;在此基礎上，進一步可具備基于大數據的空間數據挖掘能力。劣勢是地質屬性參數場三維重構方法有待完善，多場耦合模型生成機制有待提高。建模流程見圖6。

2.3.6? 三維地質結構與地應力模擬一體化模型

本方法將實現三維地質結構模型與地應力分析計算模型的耦合，在結構模型建好后，直接將其轉換為有限元方法所需的計算網格，通過定義各個地層斷塊的介質屬性分布以及必要的載荷邊界條件，來實現任意復雜構造的應力模擬。其優勢是實現了結構模型和地應力模型的耦合，可完成各類地應力學的計算;地應力模塊可以直接繼承構造建模成果，獲得有限元計算所需網格，極大地減少了網格編輯的工作量;模塊可以直接繼承精確的構造模型，提高了地應力計算和結果分析的準確性。劣勢是對于建模人員的專業技能要求較高，能夠支持本項功能的一體化軟件較少，結構模型和有限元模型之間的接口不統一。建模流程見圖7。

2.3.7? 不同建模方法的比較

對上述6種三維地質模型建設方法的優勢、劣勢和適用范圍進行總結，詳見表1。

3? 城市區域三維地質建模的發展趨勢

3.1? 大數據方向

未來三維地質建模體系中應引入基于大數據的存儲、處理、分析技術，以及云計算、多維時空數據挖掘等新一代信息技術，使得建好的三維地質模型具備大數據分析能力，從而可將各類多源、多類型、多時相、多用途的監測數據、成果圖件都集成在真實的三維場景中，實現三維場景下的地質“一張圖”。

3.2  大數據、物聯網結合方向

未來的三維模型應可直接接入地質資源環境物聯網監測數據，如地面沉降、地下水動態、淺層地熱能、礦山地質環境、突發地質災害、重大線性工程等監測物聯網，并可以在三維場景中對監測站點、監測曲線的真實狀態和演化規律進行實時地處理、分析、評價和應用，從而將靜態的三維模型轉化為實時、動態的三維地質“一張圖”，讓三維模型更具活力。

3.3? 地上地下一體化方向

城市三維模型主要包括地表建筑模型、地下管線模型和地質三維模型，這些模型均服務于不同的專業領域，具備不同的建模格式和編碼標準，這造成了相互之間無法集成。另外，城市地表建筑模型和地質三維模型即便是轉換為相同的格式，在集成過程中也需要處理大量的相交、穿插、重疊、縫隙等空間拓撲錯誤。因此，未來基于地上地下一體化的三維空間數據結構，實現地上地下一體化的模型建設是必然的發展趨勢。

4? 結論

本文介紹了交叉折剖面建模法、多源交互復雜地質體建模法、三維地質多場耦合建模法等多種三維地質結構模型的建設方法，每種方法在城市地質三維模型建設中都有其適用范圍。未來建模的趨勢是實現結構、屬性模型耦合化，結構、力學模型集成化，地上、地下模型一體化建設，最終實現“基于多源異構的矢柵一體化三維地質模型”。在三維地質模型集成方面，借助于Geo3DML三維數據交換標準，實現多種建模軟件之間數據格式的交換共享，這樣不但可以實現多種不同比例尺、用途的地質結構模型的邏輯集成，還可以實現模型的可持續更新，更好地為地質資源環境承載能力評價提供技術支撐。

參考文獻

陳麒玉，劉剛，吳沖龍，李新川，張志庭，2016. 城市地質調查中知識驅動的多尺度三維地質體模型構建方法[J]. 地理與地理信息科學，32（4）：11-16+48+2.

李敏，劉釗，韓征，張海龍，張雪，2018. 城市區域三維地質結構模型建設與集成方法[J]. 城市地質，13（2）：93-97.

明鏡，潘懋，屈紅剛，劉學清，郭高軒，吳自興，2009. 北京市新生界三維地質結構模型構建[J]. 北京大學學報（自然科學版），45（1）：111-119.

明鏡，2012. 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，28（5）：55-59+113.

潘懋，方裕，屈紅剛，2007. 三維地質建模若干基本問題探討[J]. 地理與地理信息科學，23（3）：1-5.

屈紅剛，潘懋，明鏡，吳自興，孫志東，2008. 基于交叉折剖面的高精度三維地質模型快速構建方法研究[J].北京大學學報（自然科學版）（6）：915-920.

屈紅剛，潘懋，劉學清，于春林，2015. 城市三維地質建模及其在城鎮化建設中的應用[J]. 地質通報，34（7）：1350-1358.

吳沖龍，毛小平，王燮培，楊甲明，吳景富，何大為，2001. 三維油氣成藏動力學建模與軟件開發[J]. 石油實驗地質（3）：301-311.

吳沖龍，毛小平，田宜平，翁正平，何珍文，李紹虎，李星，張志庭，2006. 三維數字盆地構造-地層格架模擬技術[J]. 地質科技情報（4）：1-8.

吳志春，郭福生，鄭翔，張洋洋，羅建群，侯曼青，2015. 基于PRB數據構建三維地質模型的技術方法研究[J]. 地質學報，89（7）：1318-1330.

朱良峰，李明江，孫建中，2012. 工程地質空間多場耦合構模技術研究[J]. 巖土力學，33（8）：2500-2506.

張院，劉殷，許苗娟，孫穎，鄭菲菲，宋國璽，2015. 北京三維地質建模研究與實踐[J]. 工程勘察，43（6）：60-65.

DE DONATIS M， 2001. Three-dimensional visualization of the neogene structures of an external sector of the northern apnnines， Italy [J]. AAPG Bulletin， 85（3）：419-431.

LEMON A M， JONES N L， 2003. Building solid models from boreholes and user- defined cross- sections [J]. Computers & Geosciences， 29（5）：547-555.

MING Jing， PAN Mao， QU Honggang， GE Zhihong， 2010. GSIS： A 3D geological multi-body modeling system from netty cross-sections with topology [J]. Computers & Geosciences， 36（6）：756-767.

SIRAKOV N M， GRANADO I， MUGE F H， 2002. Interpolation approach for 3D smooth reconstruction of subsurface objects [J]. Computers & Geosciences， 28（8）：877- 885.

XU C， DOWD P A， 2003. Optimal construction and visualisation of geological structures [J]. Computers & Geosciences， 29（6）：761- 773.