城市地下空間三維地質建模及應用

張 笑

湖北省地質調查院 湖北 武漢 430043

城市地下空間是城市建設的重要組成部分，通過城市地質工作的開展可以支持城市空間開發利用、地質資源的調查、地質環境的監控、地質災害防治等多個方面，其核心就是盡可能準確的了解和表達城市地下空間的地質情況。我國的城市地質調查工作在地下水勘查、工程勘查等方面做了大量工作。三維地質建模起源于油氣行業，通過不斷發展，逐漸在城市地質領域得到發展，為探索城鎮地下空間打下了堅實的基礎。城市三維地質建模是三維信息技術在城市建設領域的應用，是城市地下空間狀況和發展趨勢的重要表達方式。將城市地質數據通過數字化處理，客觀的刻畫和模擬地質體，對于城鎮建設具有重要的意義[1]。

1 城市地下空間三維地質建模技術概述

1.1 三維地質建模的基本原理

三維地質模型是用來描述地質體的幾何形狀及其內部各種物理化學參數的分布情況的計算機模型，三維地質建模就是將地質、測井、地球物理資料和各種解釋結果或者概念模型綜合在一起生成三維定量隨機模型。其基本原理是將地質數據進行三維空間內的空間插值，以獲得完整的地質模型。在三維地質建模中，常用的空間插值方法有反距離權重法、Kriging法、徑向基函數法等。此外，在進行三維地質建模時，還需要考慮到數據的空間分辨率和精度、地質體形態及結構等因素，以及建模時需要采用的地質參數。為了進一步提高建模精度，還可以通過對不同類型的地質數據進行權重處理，或采用多源地質數據進行綜合建模。表1總結了常用的三維地質建模方法及其特點。

表1 三維地質建模方法及其特點

1.2 城市地下空間三維地質建模技術流程

城市地下空間三維地質建模技術流程包括數據采集、數據處理、地質模型構建和模型驗證與評價四個基本步驟。數據采集階段需要對地質環境進行調查和勘探，獲取地質資料和數據。數據處理階段將采集到的數據進行清洗、篩選和整合，以保證數據的準確性和可靠性。地質模型構建階段根據采集到的數據和處理結果，采用不同的建模方法對地質模型進行構建和優化。模型驗證與評價階段需要對建模結果進行檢驗，以評估模型的合理性和可靠性，并進行必要的調整和修改[2]。當然，后期可以將三維地質模型存儲于云端，通過web進行可視化應用。

圖1 城市地下空間三維地質建模技術流程

1.3 常用的三維地質建模軟件介紹

在城市地下空間三維地質建模中，常用的軟件主要包括Geological Modeling Software (GMS)、Voxler、Leapfrog Geo、RockWorks、Petrel等。其中，GMS是一款功能強大的三維地質建模軟件，支持各種地質數據類型的導入和處理，并提供了一系列工具進行地質模型的構建和編輯。Voxler則是一款專注于三維數據可視化的軟件，可以將地質數據以三維立體形式進行展示，便于用戶觀察和分析。Leapfrog Geo是一款基于面向對象技術的三維地質建模軟件，支持多種地質建模方法，可以進行不同尺度下的地質模型構建和分析。RockWorks是一款專門用于地質數據處理和建模的軟件，支持地質模型的自動構建和模型評估。Petrel則是一款針對油氣領域的三維地質建模軟件，支持多種地質建模方法和數據類型，可以對地下油氣儲層進行精細的建模和預測[3]。還有GoCAD、EarthVision、EsriCityEngine等。對于不同的需求，這些軟件各有所長。近年來MapGISK9平臺、Creatar平臺、steampGIS、GeoStationforCity和網格天地平臺也取得了一定的發展。

2 城市地下空間三維地質建模方法研究

2.1 地質體數據類型

地質數據采集是城市地下空間三維地質建模的基礎工作，其質量和準確性對地質模型的構建和應用至關重要，通過城市地質調查手段采集數據，主要的地質體數據類型分為：地質數據、物探數據、化探數據、水文調查、遙感數據等各種解釋結果，以及大數據、物聯網等新型數據來源。

地質數據包括地表地質調查數據，地面槽探、坑探，中部及中深部鉆探數據等。其中，鉆探是獲取地質剖面信息的主要手段，通過巖心、巖屑等獲取地下巖石、土壤的物理特性、結構和組成等數據。測井技術可獲取井孔內部的物理參數，如密度、自然伽馬輻射、電導率等。

物探數據包括重、磁、電、地震等數據。其中，通過時差分析地震波在地下的傳播情況，推斷地下巖石的物理特性、結構和組成等信息，是獲取中深層地下信息的重要手段。近年來，廣域電磁法也在中深層勘查中成績顯著。

化探數據包括土壤、水等化驗數據。它反映了元素的分布情況，對城市建設來說可表達污染等情況，也可指導種植區，例如富硒產業園。

水文數據包括地面調查、水井和水質分析等數據。獲取地下水量、補給等信息是工作重點，水質分析可獲取地下水的物化性質等信息。

遙感技術包括高分辨率遙感影像、激光雷達、紅外遙感等數據。其中，高分辨率遙感影像是獲取地表地貌、建筑物、道路等信息的主要手段。

2.2 地質數據處理方法

地質數據處理是城市地下空間三維地質建模的重要環節，直接關系到地質模型的準確性和可靠性，包括地質數據的質量檢查、數據預處理、數據插值和地質模型構建等方面。地質數據的質量檢查是地質數據處理的第一步，目的是保證數據的準確性和可靠性。通常通過數據的重復測量、比對、篩選、去噪等方式來檢查地質數據的質量。數據預處理是地質數據處理的關鍵步驟之一，通常包括數據的平滑、過濾、異常點處理和缺失值插值等。數據的平滑和過濾主要是為了去除數據中的噪聲和異常值，提高數據的精度和穩定性。缺失值插值則是為了填補數據中的缺失值，保證數據的連續性和完整性。數據插值是地質數據處理的核心內容之一，目的是將離散的地質數據轉換為連續的地質屬性場。常用的數據插值方法包括逆距離加權法、克里格法、徑向基函數插值法等。地質模型構建是地質數據處理的最終目的，主要任務是將處理后的地質數據轉換為可視化的三維地質模型。常用的地質模型構建方法包括體元法、等值線法、三角剖分法等。

2.3 地質模型構建方法

地質模型是城市地下空間三維地質建模的核心，其準確性和可靠性直接關系到后續的應用效果，地質模型構建主要包括地層劃分、地層屬性賦值、地質體建模等步驟。地層劃分是地質模型構建的基礎，將不同地質層按照其地層學特征進行劃分，以構建三維地質模型。劃分地層需要充分利用現場地質勘探資料、測井曲線、巖心分析等數據，通過科學合理的方法對地質層進行劃分。地層屬性賦值是指對地層劃分后的每個地質層進行屬性賦值，如密度、速度、滲透系數、巖性等，從而建立起地層屬性模型。這一步驟也需要充分利用現場勘探資料及地球物理資料，采用合適的統計方法進行屬性賦值。地質體建模是將地層劃分和屬性賦值結果進行綜合，生成三維地質模型。在這一過程中，需要考慮地質體之間的連通性、巖性變化規律等因素，并利用三維地質建模軟件進行模型構建。在模型構建完成后需要對模型進行驗證和評價，以保證地質模型的準確性和可靠性[4]。

3 城市地下空間三維地質建模應用

3.1 在城市規劃中的應用

城市地下空間開發利用是城市發展的重要組成部分，利用城市地下空間三維地質建模技術，可以客觀的刻畫和模擬地質體，更加準確地預測地下空間的變化和演化趨勢。在城市規劃中，主要應考慮的就是可利用的城市地質資源（地下水、地熱、淺層地溫能、礦泉水、地質遺跡、天然建筑材料、渣土等）以及需要防治的地質環境信息（地質災害、基巖穩定性、土壤和水體污染等），這些問題對于城市產業經濟發展和生活生產安全具有重要意義和影響，可以提高城市的抗災能力，保障新城建設和舊城改造的可持續發展。我國近年廣泛開展的全國性地質災害和環境地質調查掃面工作，建立了重點工程區和城市群的沉降監測網絡，取得了穩定性和污染評價認識，開展了大量區域建模工作，在提供規劃參考方面取得了不少成績。例如，上海后工業化時期地質資源環境調查評價與應用項目成果，已經應用于上海市中心城區地下空間總體和局部規劃。上海利用90多年河口海岸地形資料，建立了河口海岸數據庫和三維演化模型并對沿岸工業布局、灘涂利用、圍墾造地等提出了土地利用開發整理專項規劃意見。合肥市國家級濱湖新區也開展了地下空間開發地質環境質量三維評價等工作，為城市地下空間地鐵線路等多項地下工程精細規劃及可持續開發利用提供方法參考。

3.2 在建設工程施工中的應用

城市發展的必然組成部分就是工程建設，工程穩定持久是工程建設的重要內容，建立三維地質工程模型，可以對地下的巖土體結構、分布、性質等信息，對地下水位、水流、水質等數據進行準確的描述和分析，為施工中的監測與控制提供支持，幫助工程師準確判斷地質條件和地下物質的分布情況，進而確定開挖的方法和步驟，從而有效地控制工程質量和風險。從三維工程地質結構模型、三維水文地質結構模型等單一需求模型，到綜合需求形成數字地質體，越客觀和精細的評價結果為工程提供的參考就越全面。例如北京市開展了順義新城區、通城新城區、亦莊經濟開發區模型建設，包含數百個地質體，為新城建設提供了建設指導。北京市城區基巖地質模型及奧運公園區精細三維地質模型為奧運場館的勘查和施工降低了巖溶塌陷災害對場館的安全影響。杭州地鐵隧道修建方案比選中，判斷地質層孔隙體積、巖溶、對斷層進行封堵分析和預測等。

3.3 在資源開發利用中的應用

在油氣開發方面，三維地質建模已有了較長的歷史，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，為油氣藏開發指明了方向。在城市地下水利用方面，三維地質建模技術可以輔助地下水資源的保護和管理，幫助制定地下水資源開發利用的規劃和管理措施，預防地下水污染和過度開采等問題的發生，對于保障城市水資源的供應、改善城市水環境和推進城市可持續發展具有重要的意義。此外，在地熱資源、固體礦產開發方面，三維地質模型都起到了清晰指導開發利用的作用。例如，一些礦山已經建立了Dimine、Hightopo等智慧數字礦山系統，同物聯網相結合，以三維地質建模為基礎，圍繞以數字化開采、高速掘進、智能通風排水供配電、篩選工藝等內容為主體的三維立體可視化管理系統。

3.4 在地質災害監測與防治中的應用

地質災害是一種自然災害，也在一定程度上受人類活動的干擾，因此一般建設工程都會對其開展評估和防治，在地質災害的監測預警和防治方面開展三維建模也已經比較常見。例如，新安縣在2022年對轄區28處地質災害隱患開展了三維建模。再如，湖北省地質調查院通過遙感技術模型，提前預警了大型滑坡災害，保護了人民生命財產安全。一般可以采用地質模型和數字模擬技術來開展建模。通過對地質模型進行分析，結合歷史地質災害事件及其分布規律，建立地質災害風險評估模型，對潛在的地質災害隱患進行分析和評估。通過數字模擬技術可以預測地質災害的規模、形態及發生的時間等，為地質災害預防和應急管理提供決策依據。另外，圍繞地下水流和地質構造的動態變化特征，以及地下水與地下工程的相互作用關系，開展建模，可制定工程地質災害防治方案。在防治實施過程中，數字模擬技術可以用于監測地下水位變化和地質構造演化情況，對地質災害隱患及時進行預警和預測，防止災害的發生或擴大。

4 結語

本文總結了三維地質建模的基本原理，介紹了城市地下空間三維地質建模技術流程及常用軟件，闡述了城市地下空間三維地質建模的方法，探討了三維地質建模目前的應用情況。研究表明，城市地下空間三維地質建模技術可以有效地揭示城市地下地質特征，為城市地下空間利用規劃、地下工程施工、資源開發利用、地下災害預測與防治提供重要的科學依據。未來應進一步優化城市地下空間三維地質建模技術流程，加強數據采集與處理，提高建模精度和效率。同時，應重視城市地下空間三維地質建模的應用研究，探索更多新的應用領域，推動城市地下空間的有效利用和管理。