洪澤湖北部黃泛區三維地質建模及可視化系統的應用研究

徐 徠，夏 睿，姜 峰，吳千豐，許長青

(1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000； 2.國網江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800)

三維地質建模系統因具有顯示完整、操作簡便和分析透徹等優點，在“數字城市”、礦產開采、地質結構、區域穩定評價和規劃設計等領域廣泛應用[1-5]。該系統是在計算機模擬的三維環境下，采用合理的數據形式，綜合運用現代空間信息理論、3S集成技術和地學多尺度信息架構，將地學統計信息、空間信息管理、空間分析及預測、地學統計、地質解譯、實體內容分析及圖形可視化等工具結合起來，建立三維地質模型，從而研究其幾何特征和物化屬性的系統[6-10]。“三維地質建模”的概念首先由加拿大學者Holding S.W.提出[7]。隨后，劉少華等[8-10]對該概念和建模方法進行了豐富與擴展，并提出了鉆孔建模[11-13]、剖面建模[14-15]、多元交互建模[16]方法，發明了諸如MapGIS K10、DataMine studio、RockWare[17]、Surpac vision[18]、GeoStation[19]、3Dmine等數值建模軟件，使三維地質建模技術得到了快速的發展和廣泛應用。但工程勘察信息化是一項復雜的工作，它需要多源地學信息(鉆孔數據、地球物理勘察數據、原位測試數據及室內實驗數據)進行標準化處理，設計出合適的儲存數據結構，從而建立起工程地質信息三維可視化模型。

上述建模方法盡管在一定程度上可以實現模型剖面繪制問題，但礙于軟件算法限制，不能快速、高效地獲取基礎地質信息，從而在一定程度上阻礙了工程選線、決策及工程地質評價。本文在上述研究的基礎上，基于Access數據庫操作和GIS平臺開發組建了地質環境數據庫和三維地質建模系統。可以較好地完成三維模型剖面分析和三維空間分析。

1 三維地質建模及可視化

相對于傳統的二維和“假”三維模型來說，三維地質模型可以更清晰、直觀、完整地描繪出模型中的地質現象，準確快速地再現各地質結構的空間展布及相互位置關系，從而得出更多相關地質可視化信息。

1.1 三維地質建模多源數據類型

多源地學數據包括鉆孔數據、地化數據、物探數據、遙感數據、地勘數據、原位測試數據、室內實驗數據等。這些數據資料因為具有不同量綱、不同維度、不同類別、不同時態和不同尺度等特點，因而需要對它們采用數據融合技術，進行標準化處理，設計合適的存儲數據結構，并制定地質圖件的預處理以及地質信息存儲的規則。

1.2 三維地質建模及可視化流程

三維地質建模一般而言，首先，需要從所得的多源地學數據出發，化解結構化數據和非結構化數據同時存在的現象，重點考慮非結構化數據的存儲和效率問題。其次，根據這些數據建立出三維結構模型和三維屬性模型。前者是通過地質解譯，得描述基本地層和構造特征的構造模型；后者則是使用各種預測分析法來建立描述地學參數空間起伏狀態的模型。在建立模型過程中，后者可以對前者進行控制和約束，共同開展空間分析應用。

其可視化則表現在生成地質模型中，采用多種算法來生成模型的幾何形狀，使圖形成為具有顏色、材質、紋理和漸變色所表達的具有地層、結構面和分界面的三維地質實體，并具有良好的視覺效果。從中可以清晰展示出模型所表現出的地質空間結構形態和變化規律。此外，在構建模型過程中，還添加了放大、縮小、恢復、旋轉等基本功能模塊。三維地質建模及可視化流程如圖1所示。

圖1 三維建模與可視化流程Fig.1 3D modeling and visualization process

2 基于GIS的三維地質建模系統搭建

2.1 數據庫的建立

作為三維地質建模的對象，不同地質現象和人為工程(如邊坡、礦體、大壩和地下工程等)可以在GIS中采用3D面狀模型和3D線狀模型進行靜態拓撲描述。①選取Access數據庫管理系統對洪澤湖北部黃泛區多源地學數據進行存放，并把空間數據庫和非空間數據庫區分開(圖2)；②在GIS平臺上對鉆孔柱狀圖、地質圖、剖面圖進行數字化處理，并拆分成GIS可表達的各種點、線、面和實體；③采用多方法、多元集成的思路，把經過數字化處理的多源信息在GIS平臺上進行三維模型的搭建。

圖2 數據庫處理流程Fig.2 Database processing flow

2.2 數據庫訪問及信息查詢

研究區和三維地質建模均使用Access數據庫，使用用ADO.NET組件訪問數據庫。該組件中包含大量的Data Provider(數據提供程序)，將使用相似對象與不同數據源進行交互。ADO.NET數據體系s結構如圖3所示。其中，數據讀取器表示為了進行快速的只向前讀取數據，數據適配器為讀取或者寫入數據源，命令為對象允許與數據源交流并發送命令給它，連接指的是對象管理與數據源的連接。如果想使用斷開數據，使用數據集并實現能進行讀取或者寫入數據源的數據適配器。

圖3 數據庫訪問體系結構Fig.3 Database access architecture

信息查詢，可以使用戶方便、快捷查閱自己感興趣的數據，三維地質建模系統的查詢功能分為查詢所有數據和查詢單個數據。其中，查詢所有是把數據表中的數據全部查詢出來，方便用戶對個鉆孔之間進行對比觀察；它可分為查詢所有地層信息、工程情況、鉆孔信息等。查詢單個數據可以使用戶查詢感興趣的鉆孔信息和工程情況信息。此外，軟件還兼具新增、修改、刪除和更新信息的功能。

3 三維模型建立及可視化分析

3.1 三維模型建立流程

以洪澤湖北部黃泛區內的泗陽縣為例，該區域三維地質模型建立需要的多源地學信息主要包括高精度地表數字高程模型DEM、三維鉆孔模型、三維地質模型、水文地質模型和地下水位動態監測統計分析?；贕IS平臺導入DEM模型，通過Sakia3D平臺，使用ADO.NET動態鏈接數據庫顯示三維鉆孔模型，使用表面構模法、邊界(B-Rep)表示法、線框(Wireframe)構模法、斷面(Section)構模法和多層DEM構模法構建表面模型，任意形態的三維空間體元來表示地質體實現實體模型。

研究區三維地質建模流程采用“鉆孔—層面”模型方法(圖4)。

圖4 三維地質模型建模流程Fig.4 Modeling process of 3D geological model

①在鉆孔數據中加入Feature屬性信息，對原始鉆孔數據進行Delaunay三角剖分，生成表面的不規則三角網；②類似地迭代出相同屬性的地層上下表面，由表面鉆孔點邊界拓撲關系生成側面，加上先前生成的上下表面生成一個具有相同屬性信息的地層；③類似地迭代生成其他各層面，最終就生成了一個相對接近現實世界的三維地層；④加入簡單插值算法使得生成的三維實體更加平滑，更加接近真實的三維實體。

3.2 地質模型三維可視化分析

地質模型的三維分析主要包括剖面分析和專業剖切分析2部分內容。用戶可以根據需求對地質模型進行任意剖切分析，形成剖面圖，觀察三維模型內部分布結構，為研究區建設提供決策支持。三維地質模型剖切面如圖5所示。圖5(a)為在三維地質模型中的剖切面柵欄圖形，圖5(b)為三維地質模型中的剖切面三正交模型。

圖5 三維地質模型剖切面Fig.5 Section of 3d geological model

根據所建成的工程地質和水文地質模型，可以進行專業剖切分析，根據用戶需求，可以剖切出泗陽城區地下空間開發地質適宜性分區地質模型及水文模型剖切效果圖，如最適宜居住區剖切結果圖、適宜居住區剖切效果圖、較適宜居住區剖切效果圖、較不適宜居住區剖切效果圖、水文地質剖切效果圖以及水文地質三正交和柵欄剖切效果圖。其中，最適宜居住區和較不適宜居住區剖切效果分別如圖6所示。研究區處于洪澤湖北部黃泛區(泗陽縣)區，地形主要為沖積平原，地面起伏不大，為溫帶季風氣候。此次研究中，適宜居住區的劃分主要考慮了巖土體特性、水文地質條件以及交通便利性，遵循“有利生產、方便生活”的原則。

圖6 居住區剖切效果Fig.6 Section diagram of residential area

4 結語

三維地質建模系統儲存了大量的數據信息，該系統借助于Microsoft公司所提供的Access數據庫儲存數據和GIS平臺完成了洪澤湖北部黃泛區泗陽縣的三維地質建模和可視化研究工作。基于Access數據庫建立了一個專業化、標準化的綜合地質數據庫，并實現了數據庫的訪問和軟件的查詢、新增、修改、刪除和更新功能；基于Sakia3D平臺使用ADO.NET動態鏈接數據庫，采用“鉆孔—層面”模型方法完成了泗陽縣的三維地質建模的建立；研發了基于三維模型的剖面分析和專業剖切分析，本文具有較大的理論指導意義和實用價值。