城市地下空間三維地質建模及應用研究

摘要：[A2]"在城市化進程加速背景下，城市地下空間的合理開發與利用愈發重要。城市地下空間三維地質建模作為一項關鍵技術，對城市規劃、工程建設、防災減災等多個領域都具有深遠意義。基于此，圍繞城市地下空間三維地質建模進行研究。結合南寧市的具體情況，明確三維地質建模技術的目標，闡述了項目的具體實施情況。旨在通過研究，提升南寧市城市規劃、管理和服務的整體水平，推動智慧城市建設，保障城市安全。

關鍵詞：城市建設 地下空間 三維地質建模 GIS技術

Research on 3D Geological Modeling and Application of Urban Underground Space

——Taking Nanning City as an Example

LU Qun

Nanning Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530200 China

Abstract： In the context of acceleration of urbanization， the rational development and utilization of urban underground space have become increasingly important. Three-dimensional geological modeling of urban underground space， as a key technology， has profound significance in various fields such as urban planning， engineering construction， disaster prevention and reduction， and other fields. Based on this， research is conducted on the three-dimensional geological modeling of urban underground space. Based on the specific situation of Nanning City， the technical goals of three-dimensional geological modeling technology are clarified， and the specific implementation of the project is elaborated. The aim is to improve the overall level of urban planning， management， and services in Nanning City through research， promote the construction of smart cities， and ensure urban safety.

Key Words： Urban construction; Underground space; 3D geological modeling; GIS technology

南寧市地質災害類型豐富、分布廣泛且穩定性差，其形成與地形地貌、地層巖性等地質環境緊密相關。在城市規劃進程中，地質基礎數據發揮著關鍵作用，借助這些數據，開展選址適宜性與地下空間分析，能夠有效規避地質災害風險。然而，現有研究在地下空間三維地質建模的針對性和精準度上有所欠缺，難以滿足南寧市復雜地質條件下城市規劃與建設的需求。在此背景下，本研究聚焦南寧市，通過構建地下空間三維地質模型，將地質數據進行直觀、精準的可視化呈現。運用先進的建模技術，對南寧市地質結構進行全方位解析，以期進一步明晰地質災害的形成機制與分布規律。同時，借助模型，開展地下空間規劃應用研究，為南寧市城市規劃、地下空間開發和地質災害防治提供科學、可靠的決策依據。

1三維地質建模技術的目標

本項目以地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、數據抽取-轉換-裝載（Extract-Transform-Load，ETL）技術為核心，重點對南寧市展開深入研究，旨在整合多年工程勘察的鉆孔資料，以及各項專題調查中積累的大量多層次、多專業的地質資料，通過制定科學合理的數據庫結構與標準，將這些地質資料進行系統整理和規范化處理。根據實際需求，將地質資料分為6類進行整理，涵蓋了地層巖性、地質構造、地下水文等多個方面，對多源海量數據進行深度整合，將原始數據轉化為便于使用的地質信息數據庫。這一過程實現了對城市多源、海量、異構、多期次、不同比例尺地質數據與相關資料數據的預處理、數字化、規范化處理、數據入庫、數據檢查、資料維護與更新等一系列操作，為三維城市地質信息的便捷應用、科學化管理與網絡化服務提供了堅實的數據基礎^[1]。

2 項目的具體實施情況

2.1第一階段——地質數據梳理

在這一階段，項目團隊對前期已收集的地質資料展開了細致的梳理和清洗工作，剔除了坐標、高程不規范、地層信息錯誤、厚度較淺的勘察項目，共保留可用的工程勘察鉆孔數據61 582個。通過嚴格的數據質量把控流程，確保鉆孔和地層數據的準確性和可靠性。同時，持續收集南寧市地下水水位監測數據，進一步豐富數據庫中地下水水位數據資源。例如[A3]"：對地下水水位數據的長期監測和分析，可以幫助項目團隊了解地下水位的變化規律，為地下水資源的合理開發和利用提供科學依據。

2.2第二階段——城市三維地質模型構建

基于地質數據特征與南寧市復雜的地質條件，項目團隊精心構建標準地層體系，這一體系的建立為準確描述地下地質結構提供了統一的標準和框架。同時，積極開展南寧市地方標準《城市地質信息數據規范》的編制工作，推動城市級三維地質模型的構建。在構建過程中，充分考慮了南寧市不同區域的地質差異，運用先進的建模算法和技術，確保模型能夠真實、準確地反映地下地質情況。

2.3第三階段——南寧市地質災害隱患點篩查

通過干涉合成孔徑雷達（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）監測數據，可以實時獲取地表的微小變形信息，結合地質數據，判斷這些變形是否可能引發地質災害，并且及時采取相應的防范措施^[2]。項目團隊結合InSAR監測數據與豐富的地質數據，全面開展了南寧市地質災害隱患點的篩查工作，通過對這些數據的深度分析和比對，能夠準確識別潛在的地質災害隱患區域；同時，結合地下水水位變化趨勢，深入分析城市地表沉降原因，對地面沉降風險進行科學評估。在此基礎上，形成南寧市地質災害預測分析評估報告，為城市的防災減災工作提供了重要的決策依據。

2.4第四階段——項目文檔整理和總結

在這一階段，項目團隊對整個項目過程中取得的成果與研發過程材料進行系統整理，將項目實施過程中的各項數據、分析報告、技術文檔等進行分類歸檔，形成完整的項目驗收成果材料。這些成果材料不僅是對項目工作的全面總結，也為后續的相關研究和應用提供了寶貴的參考資料。

3南寧市淺表地質大數據共享平臺構建

3.1數據管理與維護子系統

在搭建南寧市城市級三維地質模型過程中，經過嚴謹的篩選和數據處理，項目團隊采用了南寧市巖土工程勘察鉆孔數據61 582個。這些鉆孔數據分布在133個地質地貌單元中，其中，單一地質地貌單元鉆孔數據最多為12 236個。然而，有30個地質地貌單元中無詳細鉆孔數據，鉆孔數據在建模區域內呈現出大面積離散、不均勻分布的特點，在空間中主要聚集分布在研究區的西部、西南部，而研究區東部區域數據分布相對稀疏。

3.2地質空間信息共享與服務平臺

地質空間信息共享與服務平臺以數據共享機制為基礎，在面向Internet的多維動態地質環境信息展現與分析技術取得突破的基礎上，結合了數據庫技術、WebGIS、WebService和GIS相關技術。這一平臺具有強大的功能，能夠調用和發布所有二三維數據服務，為用戶提供豐富的數據資源。用戶可以對地質三維模型進行預覽和數據的基本操作與查詢，直觀地了解地下地質結構和相關信息。同時，平臺還能夠將這些數據提供給其他應用系統進行調用與分析使用，實現數據及其服務的綜合管理。通過這種方式，不同部門和領域的用戶可以根據自身需求獲取和利用地質數據，促進了地質數據在城市建設和管理中的廣泛應用^[3]。

4搭建南寧市城市級三維地質模型

4.1隱式三維地質建模方法

對地質界線數據進行了一系列處理：對于部分小區域無鉆孔的地質地貌單元，與周圍相同地質年代的地層進行了合并，以保證地層的連續性和完整性；對于重疊的地質地貌單元區域，進行了重新劃分，使地質界線更加清晰準確。依據上述南寧市工程地質巖組（層）劃分標準，以地質年代作為建模地層主層、巖性作為建模地層亞層，結合鉆孔數據統計得到10個地層主層，其中：分層系統中的08二疊系P、11寒武系ε未在鉆孔數據中找到。針對主層地層，利用鉆孔數據進行了建模實驗，建模網格精度為500 m。建模結果直觀地展示了地下地質結構的大致輪廓，結合61 597個鉆孔數據，統計得到地層主亞層共119個。由于涉及地質地貌分區較多，部分地質地貌單元情況較為復雜，需要要針對性考慮和設計，因此，該亞層三維地質模型目前完成了其中一部分，其他地質地貌單元仍在緊張的構建過程中^[4]。

4.2平臺自動構建地質體方法

采用南寧市淺表地質大數據共享平臺的三維地質建模與可視化系統。首先，分區域提取建模邊界線文件，通過矢量數據查詢功能，篩選出深度大于30 m的鉆孔65 693個。其次，將鉆孔數據和邊界約束數據進行建模，通過自動構建地質體功能創建三維地質模型，這一過程實現了建模的自動化和高效性，大大提高了建模的速度和質量^[5]。

4.3結合專家模式的模型精修

在城市級三維地質模型構建中，人工精細化干預是平衡效率與精度的重點問題。自動內插技術基于鉆孔數據生成初始模型時，數據空間分布異質性與地質構造復雜性常導致局部畸變，這要求地質人員基于地表地質圖開展多維度校正。表層修正需要融合斷層展布軌跡、巖性邊界突變特征等關鍵信息；深部結構優化則依賴區域地層層序律與構造運動規律，通過調整地層接觸面產狀參數，實現地質邏輯分析；對于鉆孔稀疏區或褶皺斷裂帶等特殊區域，采取網格節點手動調節與虛擬鉆孔植入，構成精度補償的雙重路徑。引入專業經驗后，模型地層厚度誤差可以得到明顯的控制，經過多輪次迭代優化，最終模型在拓撲結構完整度指標上普遍提升，其空間解析能力可支持地下30 m深度范圍內的地下管廊選線和基坑開挖模擬。

5城市地下空間三維地質建模案例分析

南寧市是喀斯特地區之一，其地下空間開發面臨著巖溶發育、裂隙發育等復雜地質環境。因此，建立三維地質模型是解決該問題的關鍵。

在成本預測上，以某工程為研究對象，采用三維地質模型，準確辨識地下洞室分布與地層特征，優化樁基礎設計和施工方案，使工程造價估算誤差量得到了有效控制，同時還實現了造價節約控制。在工程應用方面，該項目采用三維地質建模技術，實時更新地下水位和地層參數，對支護方案進行動態調整，以規避由于地質條件不確定引起的坍塌風險，提高施工效率，縮短工期。[A5]"例如：針對南寧市某地下停車場工程，采用3D地質模型對停車場與設備層進行精確規劃，避免了地下河與軟弱土層，使場地利用率得到了有效提升，并且減少后期維修費用。在此基礎上，三維地質模型可以為南寧市綜合管廊的規劃設計提供科學依據，對不同地質情況下的管道敷設方案進行優化，從而降低工程中的地質風險。通過對南寧市三維地質模型的研究，可以為合理預測工程成本、安全施工、合理使用空間等問題提供重要的技術支持。

6結語

總之，通過本項目在南寧市的實施，城市地下空間三維地質建模和應用取得了顯著進展，為城市的發展和安全提供了重要支撐。未來，我們應持續關注該領域的發展、不斷完善技術和方法，推動其在更多領域的廣泛應用，為城市建設和管理帶來更大的效益。

參考文獻

[1]何晗晗，周圓心，何靜，等.三維地質建模及其在城市地下空間規劃中的應用[J].地球學報，2025，46（2）：456-470.

[2]俞美成，吳靜紅，王源，等.三維地質建模及其在地下空間開發的應用研究[J].防災減災工程學報，2023，43（3）：588-595，636.

[3]廖舟，李梅.基于開源GemPy的城市地下空間三維隱式勢場建模方法研究[J].地學前緣，2024，31（3）：482-497.

[4]田玉培，王俊，劉文文.城市地下空間三維地質建模的研究及實現[J].現代礦業，2021，37（8）：49-52，55.

[5]鄧超.成都市空港新城矢柵一體化三維地質建模研究[D].成都：成都理工大學[A7]"，2020.