基于模型集成方法的泰安市三維地質模型構建

摘要：本文基于MapGIS10平臺，以泰安市中心城區三維基礎地質模型構建為例，綜合運用交互式建模、自動建模等方法，通過模型集成融合，完成泰安市中心城區地下100m以淺三維基礎地質模型的構建。重點對建模數據源的處理、方法的選擇以及不同建模方法形成地質體之間的拼接集成等內容作了敘述，探索和研究了模型集成方法在三維地質模型構建、更新中的應用，為其他城市三維地質建模工作提供經驗借鑒和技術支撐。

關鍵詞：交互式建模；自動建模；模型集成；城市三維

中圖分類號："TU195"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.009

引文格式：胡慶玲，魏凱，鄒慶亮，等.基于模型集成方法的泰安市三維地質模型構建［J］.山東國土資源，2024，40（11）：55-62. HU Qingling， WEI Kai， ZOU Qingliang， et al. "Construction of 3D Geological Model of Tai'an City Based on Model Integration Method［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：55-62.

0引言

近年來，隨著信息化技術的迅速發展，三維地質建模技術已經廣泛應用到油田開發、礦山開采、熱儲結構模擬［1］、工程勘察、地下水模擬［2］等眾多領域，構建三維地質模型，以三維可視化視角表達地質信息和地質現象成為認識地下的重要手段［3］。

國內學者對三維地質建模做了深入研究，基于三維地質建模方法提出了基于主TIN的全自動三維地質建模方法［4］、基于地層分區的快速三維地質建模［5］、基于輪廓線拼接的交互式建模和基于交叉剖面的交互式建模等方法［6-7］。基于數據源類型，提出了基于三維地震數據建模［8］、基于剖面數據建模、基于鉆孔數據建模和基于多源數據融合建模［9-10］，這些建模方法著眼于幾何方式建模，可以很好的表達復雜地質構造。但是受地下結構復雜、建模數據源獲取有限、計算機技術發展等現實情況的束縛［11］，目前單一的建模方法不能很好的滿足整個模型的構建要求，在一定程度上對模型構建時間、效率、精度控制、模型質量、數據利用率等方面還是存在局限性，如基于鉆孔建模方法難以解決含斷層、倒轉褶皺等復雜地質現象，基于剖面的建模方法，難以反映精確的地質信息等［12］，為最大程度利用已有地質數據信息，規避不同建模方法的缺陷，提高模型構建質量、效率以及降低模型后期更新管理成本，建模人員需根據建模區內分布的地質特征和已有數據源情況，規劃出合適的建模方法。本文基于MapGIS10建模平臺，綜合運用復雜地質體交互式建模、基于地質分區圖自動建模以及基于巖性分層的自動建模等常用建模方法，依托943個鉆孔、31條剖面以及DEM、基巖地質圖、第四系地質圖等數據，通過模型集成融合方法，構建了泰安市中心城區207 km2地下100 m以淺三維地質結構模型，模型較好的展現了地層巖性分布及斷裂構造空間展布特征。

1研究區地質概況

研究區地處華北地層區魯西地層分區，區內地層自老至新發育新太古代泰山巖群變質巖，古生代寒武紀、奧陶紀碳酸鹽巖、碎屑巖，新生代古近紀碎屑巖及第四紀松散巖。

大地構造位置位于華北板塊魯西隆起區魯中隆起泰山凸起的東南部、布山凸起的東部、新甫山凸起的西北部、泰萊凹陷的西端，區內主要發育NW—NNW向岱道庵斷裂、洪溝斷裂、滂河斷裂，NE—NEE向泰山斷裂、徂徠山斷裂。

研究區巖漿巖發育，在西部及北部多出露于地表，少量被第四系松散巖層覆蓋。巖漿巖巖石類型復雜，以中酸性的花崗巖類和閃長巖類為主，巖體的展布方向以NW向為主，多與區域構造線方向一致。根據巖石類型及以往同位素測年資料將工作區侵入巖劃分為2個時代、4個序列，8個單元。

2建模流程與方法

2.1技術路線

綜合分析泰安市城區地質條件，第四系面積124.57 km2，主要由沉積的層狀土、砂、礫石等構成，受地質構造、沉積環境和地形地貌特征的控制，區內第四系厚度差異較大，自0～30 m不等，最厚處達40余米。基巖部分以巖體為主，地質條件復雜，斷裂構造發育。

基于上述地質特征，本次建模對第四系和基巖地質體分別建模。先以主層約束的巖性分層自動建模方法構建出第四系地質模型，再以人工交互式建模方法構建出基巖地質體模型，最后以基巖頂面作為分界面，將兩部分地層模型進行切割、拼接，完成泰安中心城區三維地質結構模型的總體構建（圖1）。

2.2數據分析與處理

本次建模所依托數據主要為采集和收集的鉆孔（包括地質孔、水文孔、地質環境監測孔、工程勘察孔等）、地質剖面、研究區第四系地質圖、基巖地質圖。建模工作前需要對數據源進行預處理，解決各數據源之間邏輯沖突，統一差異，屬性缺失問題，滿足建模工作數據標準要求。主要包括鉆孔數據標準化、地層標準化、數據源的矯正、二維剖面的繪制等。

2.2.1鉆孔及其標準化

鉆孔數據具有信息準確、數據量大的特點［13］，本次建模共采集和收集鉆孔943個，鉆孔的地層分層信息4 763條，鉆孔深度集中于5.5～60.44 m，平均深度32.98 m，鉆孔密度5個/km2，鉆孔基本覆蓋整個研究區（圖2，表1）。

2.2.2DEM及其矯正

研究區位于泰山南麓，北倚泰山，南傍大汶河、徂徠山，處于泰萊斷陷盆地的西端［14］，總體地勢西、北部高，東、南部低。區內海拔高度+106 m～+400 m，地貌類型主要包括中山、低山、丘陵、平原，本次三維基礎地質結構模型構建中，采用分辨率為12.5 m的DEM高程數據約束地表形態，控制模型表面起伏。在涉及鉆孔點位區域，以鉆孔標高為基準矯正地表DEM，確保模型精度。地表DEM處理流程入下：

在建模平臺中導入鉆孔數據，通過鉆孔點對DEM像元值的查詢，計算出每個鉆孔與DEM的高度差，用高差值和高差緩沖一定范圍的零高差線進行插值生成高差DEM，最后通過柵格計算器用地表DEM與高差DEM求和，輸出矯正后的地表DEM數據（圖3）。

2.2.3剖面規劃與繪制

綜合考慮揭露基巖鉆孔數量和分布情況、研究區地質條件、面積，研究區共布設了31條平行剖面，剖面方向大致垂直于地層構造走向，每條剖面均經過地質鉆孔，剖面間距大約1km左右，基本上控制了泰安城區重要的地質構造和地層單元，剖面制圖比例尺設定為橫比例尺1∶25000，縱比例尺1∶2500，滿足泰安市城市三維地質框架模型建模的要求。

剖面繪制時，先依托建模平臺自動生成剖面框架，包括剖面地形線、鉆孔中心線及其地表地質分界點、剖面深度標尺等圖面要素。在框架剖面的基礎上，根據鉆孔數據確定地層分界點，連接不同鉆孔的地層分界點形成剖面地層線。檢查并處理剖面地層線的拓撲錯誤，最后拓撲造區、賦地層編碼、地層顏色，完成二維剖面圖的繪制。

需要注意的是，一是考慮到模型構建后，需對三維基巖地質體模型與第四系地層模型切割和融合，本次繪制剖面以整體抬高1m的基巖表面為二維剖面地表約束。二是考慮到模型厚度大于100m的要求，鑒于研究區最低海拔+106m，因此以海拔+2m作線作為研究區地質剖面地層底界，既滿足建模數據標準要求，又保證了模型底部外觀平整和美觀。

2.2.4地質圖屬性處理

地質圖能反映巖石組成、年代、分布、地質構造及巖漿活動等地質現象，在三維地質結構模型建立中起重要控制作用。本次建模采用泰安市城區基巖地質圖、第四系地質圖資料。建模前對地質圖添加屬性信息，包括地層單元編碼、產狀特征、地質界線等。

2.2.5地層標準化

地層標準化處理是指按照沉積順序對地層進行編碼，建立一個覆蓋建模區地層的“標準地層編碼表”。地層編碼遵循“從新到老、逐層遞增”的原則，即最新的地層編碼為“0”，然后按地層年代逐漸遞增。綜合考慮時代、成因、巖性等特征，本次建模根據山東省地層劃分標準，按照系-統-組（序列）-巖性四級分層標準，共劃分58層。基于MapGIS10平臺，建立地層標準表，對原有的地層編碼進行解釋定義，并賦予標準的地層顏色、紋理等可視化信息（表2）。

3三維地質結構建模

3.1第四系地質結構建模

泰安市中心城區第四紀地層主要發育沂河組、泰安組、臨沂組、黑土湖組、山前組和大站組。第四系自動建模數據源主要包括鉆孔、第四系地質圖、DEM等。

第四系地層為沉積地層結構，沉積地層自動建模的難點主要有兩個，一是地層重復倒序情況的自動處理，二是地層尖滅位置的判斷。建模過程主要分為兩步，首先基于地質分區圖的自動建模，以第四系地質圖為約束，構建出巖組級別的地質體模型；然后基于巖性分層建模方法，在巖組級別模型地層框架的約束下，構建出巖性級別的第四系地質體。兩種建模方法的結合使用，可構建出復雜沉積條件的精細地層結構，同時模型地表地層符合地質圖分布規律（圖4）。

3.1.1巖組級地質體構建

基于地層分區約束的自動建模方法適用于標準地層層序，無倒序地層的地質特征，適合于巖組級別正常沉積層序的地層建模，構建的模型表面可以與地質圖完全吻合，而且自動建模速度較快。

建模時，每一層地層單獨構建地質體，多層地質體構成地質模型。第一層由地表分區圖和地表DEM聯合進行建模。從第一層開始，上一層的底面作為下一層的頂面參與建模，根據頂面、鉆孔數據和地層分區圖（地質圖）自動構建底面，然后將頂面、側面和底面縫合構成地質體，之后每一層模型都使用這種方式構建，自上而下完成巖組級別模型（圖5）。

3.1.2巖性級別地質體構建

完成巖組級別模型的建模后，使用巖性自動建模功能，在巖組級別框架模型的約束下，構建最終的巖性級別第四系模型。巖性建模是一種支持大層約束的隱式建模，可以處理復雜沉積韻律條件下的地層模擬。

巖性自動建模大體分3個步驟，首先對框架模型進行網格剖分，將其劃分為若干個規則的空間立體網格單元；然后以鉆孔分層點為數據源，框架模型各地層的約束下，結合空間插值算法，計算出每個立體網格單元巖性取值，并且以各地層輪廓面對網格進行切割，形成以各地層輪廓為邊界的巖性網格模型。最后通過柵格轉矢量，并對各地層內部的地層分界光滑處理，最終形成結構模型。

巖性建模方法沒有層序概念，是基于樣本點的空間分布規律來模擬地層分布的，適合構建巖性、巖土狀態級別的地層模型。

巖性建模是采用的克里金插值算法，采用克里金（Kriging）進行空間插值計算［15］。

進行空間立體網格中心點的賦值計算時，主要采用搜索橢球內的點來進行估值，因此搜索橢球的定義對于插值計算非常重要。搜索橢球半徑的定義一般情況下由變異函數或樣本間距決定，搜索橢球的半徑和旋轉角度初始定義為變差函數三個軸向的變程和變差函數各向異性角度。搜索類型包括普通搜索和八分圓搜索，對于普通搜索，在整個搜索橢球內搜索離估值點最近的樣品。

3.2基巖地質結構建模

泰安市中心城區基巖地質體模型構建數據源主要包括鉆孔、基巖地質圖、地質剖面、基巖DEM等。其中，可用鉆孔數量162個，鉆孔深度8.17～284.50 m，繪制地質剖面31條。

基巖地質體建模采用人工交互的半自動建模方法，建模過程伴隨著地質解譯過程［16］，能夠充分體現地質專家經驗，可精準的模擬地下斷層和地層模型，清楚表達模型產狀特征。

3.2.1基巖面建立

基巖面為第四系與基巖地層的分界面，可反映基巖頂板高程分布規律，在本次模型構建工作中影響第四系三維地質模型與基巖地質體模型的融合。構建三維基巖面，主要依托第四系鉆孔數據。構建時，以鉆孔各點的第四系厚度和第四系范圍為插值條件，插值得到第四系厚度DEM。然后進行地表DEM與第四系厚度DEM相減運算，從而輸出基巖表面高程，即基巖DEM數據。根據基巖DEM數據給基巖地質圖賦予高程信息，形成三維基巖地質圖（圖6）。

這里的基巖表面高程DEM的插值采用了一種離散化的薄板樣條函數法，該方法采用迭代有限差分插值技術，經過優化，既具有局部插值方法（例如，反距離權重IDW插值）的快速計算效率，又不會犧牲全局插值方法（例如：克里金法和樣條函數法）的表面連續性［17-19］。

3.2.2復雜地質體交互式建模

MapGIS復雜地質體交互式建模是顯式建模的一種，核心流程是“點—線—面—體”的從低維到高維的“升維”半自動人機交互式建模過程［20］。第一步是連接多條三維地質剖面上對應地層的特征點，構建出地層面和斷層面的邊界輪廓線；第二步是用這些封閉的面的輪廓線構建斷層面模型和地層面模型；第三步是根據斷層面和地層面構建出封閉的地質體模型（圖7）。

在泰安市中心城區三維基巖地質體模型構建中，以三維剖面作為建模單元的分界面，橫縱方向各兩條剖面劃分一個立體建模單元，在建模單元內根據剖面間地層的對應關系，連線構建地層面，并以三維地質圖為地層頂面約束面，使地質體頂面能準確表達出地表的起伏形態。最后將各建模單元的地質塊進行合并形成完整的基巖地質體模型（圖8）。

3.3模型集成

三維空間數據模型集成是指將不同來源、不同類型、不同尺度、不同精度、不同專業的三維空間數據進行有效整合和組織，以提供全面、準確、可靠的地理空間信息服務。侯恩科等學者針對三維地質建模需求提出了適于三維地質模擬的集成數據模型，該模型中涉及更多的空間對象類，包括孤立點、鉆孔、平面地質圖、2DGrid、TIN、線框、不規則體元、三位規則塊體、八叉樹、四面體模型等，各種數據模型之間相互聯系，該集成數據模型能對各種地質數據和現象進行比較全面的描述，能夠滿足大部分地質模擬任務，但實際應用的流程較為復雜［21］。

本次建模中主要將基于不同方法、不同數據源構建的第四系三維地層模型與三維基巖地質體模型的無縫拼接和組合，主要包括地質體切割與合并兩項工作，解決由不同三維地質建模方法形成的地質模型數據間的集成融合。具體操作流程為：

以研究區建模界線和構建的三維基巖頂面為控制約束條件切割三維基巖地質體，刪除建模范圍外和超出基巖頂面部分的地質體，然后應用地質體追加功能，將兩部分地質體合并，完成整個泰安三維地質體模型的建模（圖9）。

4結語

（1）泰安市三維地質模型構建是典型的城市三維地質結構建模工作，第四系為沉積松散層，隱伏基巖地層地質條件復雜，斷裂發育，同時采集和收集的鉆孔數據中，能夠揭露基巖地層的深孔較少，而反映第四系鉆孔居多，建模數據源情況和地質條件在城市地質模型構建工作中都有很強的代表性。

（2）針對不同的地質情況和數據源情況，第四系和基巖部分采取了不同的建模方式，把整個復雜構造建模任務分成多種簡單的建模任務，最后通過模型集成拼接方式，形成一個完整的地質模型。

（3）整個建模過程充分尊重了多源異構的建模數據源的約束，同時符合專家地質認識，且結合自動建模技術最大化的提高了建模效率。本文論述的泰安三維地質結構建模是所有城市地質三維地質建模的一個典型代表，整個建模技術路線和建模過程對其他城市的三維地質建模具有很好的借鑒參考意義。

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Construction of 3D Geological Model of Tai'an City Based on Model Integration Method

HU Qingling1， WEI Kai1， ZOU Qingliang2， MA Xiaoming3， PAN Shengyong3

（1. No.5 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Tai’an 271000， China；2. Shandong Luyue Resources Exploration and Development Limited Corporation， Shandong Tai'an， 271000，China；3. Wuhan Zondy Cyber Science and Technology Limited Corporation， Hubei Wuhan 430000， China）

Abstract：Based on MapGIS 10 platform， taking the construction of 3D basic geological model of cnetral areas in Tai'an city as an example， by using interactive modeling， automatic modeling and other methods comprehensively， through model integration， the construction of 3D basic geological model of 100m underground of cnetral areas in Tai'an city has been completed. The processing of modeling data sources， the selection of modeling methods and the integration of geological bodies formed by different modeling methods have been introduced in detail. The application of model integration and fusion methods in the construction and updating of 3D geological model have been studied. It will provide some experiences and technical support for other urban 3D geological modeling work.

Key words：Interactive modeling; automatic modeling; model integration; urban 3D

收稿日期：2024-04-09；修訂日期：2024-05-11；編輯："王敏"基金項目："泰安市大數據中心，泰安市三維可視化城市地質信息系統項目（〔2022〕第103號）"作者簡介："胡慶玲（1987—），女，山東泰安人，高級工程師，主要從事地質建模和城市地質信息化應用；E-mail：275527057@qq.com*"通訊作者："魏凱（1986—），男，山東泰安人，高級工程師，主要從事水文地質、地質災害等研究工作；E-mail：183114050@163.com