张 笑

湖北省地质调查院 湖北 武汉 430043

城市地下空间是城市建设的重要组成部分，通过城市地质工作的开展可以支持城市空间开发利用、地质资源的调查、地质环境的监控、地质灾害防治等多个方面，其核心就是尽可能准确的了解和表达城市地下空间的地质情况。我国的城市地质调查工作在地下水勘查、工程勘查等方面做了大量工作。三维地质建模起源于油气行业，通过不断发展，逐渐在城市地质领域得到发展，为探索城镇地下空间打下了坚实的基础。城市三维地质建模是三维信息技术在城市建设领域的应用，是城市地下空间状况和发展趋势的重要表达方式。将城市地质数据通过数字化处理，客观的刻画和模拟地质体，对于城镇建设具有重要的意义[1]。

1 城市地下空间三维地质建模技术概述

1.1 三维地质建模的基本原理

三维地质模型是用来描述地质体的几何形状及其内部各种物理化学参数的分布情况的计算机模型，三维地质建模就是将地质、测井、地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起生成三维定量随机模型。其基本原理是将地质数据进行三维空间内的空间插值，以获得完整的地质模型。在三维地质建模中，常用的空间插值方法有反距离权重法、Kriging法、径向基函数法等。此外，在进行三维地质建模时，还需要考虑到数据的空间分辨率和精度、地质体形态及结构等因素，以及建模时需要采用的地质参数。为了进一步提高建模精度，还可以通过对不同类型的地质数据进行权重处理，或采用多源地质数据进行综合建模。表1总结了常用的三维地质建模方法及其特点。

表1 三维地质建模方法及其特点

1.2 城市地下空间三维地质建模技术流程

城市地下空间三维地质建模技术流程包括数据采集、数据处理、地质模型构建和模型验证与评价四个基本步骤。数据采集阶段需要对地质环境进行调查和勘探，获取地质资料和数据。数据处理阶段将采集到的数据进行清洗、筛选和整合，以保证数据的准确性和可靠性。地质模型构建阶段根据采集到的数据和处理结果，采用不同的建模方法对地质模型进行构建和优化。模型验证与评价阶段需要对建模结果进行检验，以评估模型的合理性和可靠性，并进行必要的调整和修改[2]。当然，后期可以将三维地质模型存储于云端，通过web进行可视化应用。

图1 城市地下空间三维地质建模技术流程

1.3 常用的三维地质建模软件介绍

在城市地下空间三维地质建模中，常用的软件主要包括Geological Modeling Software (GMS)、Voxler、Leapfrog Geo、RockWorks、Petrel等。其中，GMS是一款功能强大的三维地质建模软件，支持各种地质数据类型的导入和处理，并提供了一系列工具进行地质模型的构建和编辑。Voxler则是一款专注于三维数据可视化的软件，可以将地质数据以三维立体形式进行展示，便于用户观察和分析。Leapfrog Geo是一款基于面向对象技术的三维地质建模软件，支持多种地质建模方法，可以进行不同尺度下的地质模型构建和分析。RockWorks是一款专门用于地质数据处理和建模的软件，支持地质模型的自动构建和模型评估。Petrel则是一款针对油气领域的三维地质建模软件，支持多种地质建模方法和数据类型，可以对地下油气储层进行精细的建模和预测[3]。还有GoCAD、EarthVision、EsriCityEngine等。对于不同的需求，这些软件各有所长。近年来MapGISK9平台、Creatar平台、steampGIS、GeoStationforCity和网格天地平台也取得了一定的发展。

2 城市地下空间三维地质建模方法研究

2.1 地质体数据类型

地质数据采集是城市地下空间三维地质建模的基础工作，其质量和准确性对地质模型的构建和应用至关重要，通过城市地质调查手段采集数据，主要的地质体数据类型分为：地质数据、物探数据、化探数据、水文调查、遥感数据等各种解释结果，以及大数据、物联网等新型数据来源。

地质数据包括地表地质调查数据，地面槽探、坑探，中部及中深部钻探数据等。其中，钻探是获取地质剖面信息的主要手段，通过岩心、岩屑等获取地下岩石、土壤的物理特性、结构和组成等数据。测井技术可获取井孔内部的物理参数，如密度、自然伽马辐射、电导率等。

物探数据包括重、磁、电、地震等数据。其中，通过时差分析地震波在地下的传播情况，推断地下岩石的物理特性、结构和组成等信息，是获取中深层地下信息的重要手段。近年来，广域电磁法也在中深层勘查中成绩显著。

化探数据包括土壤、水等化验数据。它反映了元素的分布情况，对城市建设来说可表达污染等情况，也可指导种植区，例如富硒产业园。

水文数据包括地面调查、水井和水质分析等数据。获取地下水量、补给等信息是工作重点，水质分析可获取地下水的物化性质等信息。

遥感技术包括高分辨率遥感影像、激光雷达、红外遥感等数据。其中，高分辨率遥感影像是获取地表地貌、建筑物、道路等信息的主要手段。

2.2 地质数据处理方法

地质数据处理是城市地下空间三维地质建模的重要环节，直接关系到地质模型的准确性和可靠性，包括地质数据的质量检查、数据预处理、数据插值和地质模型构建等方面。地质数据的质量检查是地质数据处理的第一步，目的是保证数据的准确性和可靠性。通常通过数据的重复测量、比对、筛选、去噪等方式来检查地质数据的质量。数据预处理是地质数据处理的关键步骤之一，通常包括数据的平滑、过滤、异常点处理和缺失值插值等。数据的平滑和过滤主要是为了去除数据中的噪声和异常值，提高数据的精度和稳定性。缺失值插值则是为了填补数据中的缺失值，保证数据的连续性和完整性。数据插值是地质数据处理的核心内容之一，目的是将离散的地质数据转换为连续的地质属性场。常用的数据插值方法包括逆距离加权法、克里格法、径向基函数插值法等。地质模型构建是地质数据处理的最终目的，主要任务是将处理后的地质数据转换为可视化的三维地质模型。常用的地质模型构建方法包括体元法、等值线法、三角剖分法等。

2.3 地质模型构建方法

地质模型是城市地下空间三维地质建模的核心，其准确性和可靠性直接关系到后续的应用效果，地质模型构建主要包括地层划分、地层属性赋值、地质体建模等步骤。地层划分是地质模型构建的基础，将不同地质层按照其地层学特征进行划分，以构建三维地质模型。划分地层需要充分利用现场地质勘探资料、测井曲线、岩心分析等数据，通过科学合理的方法对地质层进行划分。地层属性赋值是指对地层划分后的每个地质层进行属性赋值，如密度、速度、渗透系数、岩性等，从而建立起地层属性模型。这一步骤也需要充分利用现场勘探资料及地球物理资料，采用合适的统计方法进行属性赋值。地质体建模是将地层划分和属性赋值结果进行综合，生成三维地质模型。在这一过程中，需要考虑地质体之间的连通性、岩性变化规律等因素，并利用三维地质建模软件进行模型构建。在模型构建完成后需要对模型进行验证和评价，以保证地质模型的准确性和可靠性[4]。

3 城市地下空间三维地质建模应用

3.1 在城市规划中的应用

城市地下空间开发利用是城市发展的重要组成部分，利用城市地下空间三维地质建模技术，可以客观的刻画和模拟地质体，更加准确地预测地下空间的变化和演化趋势。在城市规划中，主要应考虑的就是可利用的城市地质资源（地下水、地热、浅层地温能、矿泉水、地质遗迹、天然建筑材料、渣土等）以及需要防治的地质环境信息（地质灾害、基岩稳定性、土壤和水体污染等），这些问题对于城市产业经济发展和生活生产安全具有重要意义和影响，可以提高城市的抗灾能力，保障新城建设和旧城改造的可持续发展。我国近年广泛开展的全国性地质灾害和环境地质调查扫面工作，建立了重点工程区和城市群的沉降监测网络，取得了稳定性和污染评价认识，开展了大量区域建模工作，在提供规划参考方面取得了不少成绩。例如，上海后工业化时期地质资源环境调查评价与应用项目成果，已经应用于上海市中心城区地下空间总体和局部规划。上海利用90多年河口海岸地形资料，建立了河口海岸数据库和三维演化模型并对沿岸工业布局、滩涂利用、围垦造地等提出了土地利用开发整理专项规划意见。合肥市国家级滨湖新区也开展了地下空间开发地质环境质量三维评价等工作，为城市地下空间地铁线路等多项地下工程精细规划及可持续开发利用提供方法参考。

3.2 在建设工程施工中的应用

城市发展的必然组成部分就是工程建设，工程稳定持久是工程建设的重要内容，建立三维地质工程模型，可以对地下的岩土体结构、分布、性质等信息，对地下水位、水流、水质等数据进行准确的描述和分析，为施工中的监测与控制提供支持，帮助工程师准确判断地质条件和地下物质的分布情况，进而确定开挖的方法和步骤，从而有效地控制工程质量和风险。从三维工程地质结构模型、三维水文地质结构模型等单一需求模型，到综合需求形成数字地质体，越客观和精细的评价结果为工程提供的参考就越全面。例如北京市开展了顺义新城区、通城新城区、亦庄经济开发区模型建设，包含数百个地质体，为新城建设提供了建设指导。北京市城区基岩地质模型及奥运公园区精细三维地质模型为奥运场馆的勘查和施工降低了岩溶塌陷灾害对场馆的安全影响。杭州地铁隧道修建方案比选中，判断地质层孔隙体积、岩溶、对断层进行封堵分析和预测等。

3.3 在资源开发利用中的应用

在油气开发方面，三维地质建模已有了较长的历史，例如较早开展的三维油气成藏动力学建模和三维数字盆地模拟技术，为油气藏开发指明了方向。在城市地下水利用方面，三维地质建模技术可以辅助地下水资源的保护和管理，帮助制定地下水资源开发利用的规划和管理措施，预防地下水污染和过度开采等问题的发生，对于保障城市水资源的供应、改善城市水环境和推进城市可持续发展具有重要的意义。此外，在地热资源、固体矿产开发方面，三维地质模型都起到了清晰指导开发利用的作用。例如，一些矿山已经建立了Dimine、Hightopo等智慧数字矿山系统，同物联网相结合，以三维地质建模为基础，围绕以数字化开采、高速掘进、智能通风排水供配电、筛选工艺等内容为主体的三维立体可视化管理系统。

3.4 在地质灾害监测与防治中的应用

地质灾害是一种自然灾害，也在一定程度上受人类活动的干扰，因此一般建设工程都会对其开展评估和防治，在地质灾害的监测预警和防治方面开展三维建模也已经比较常见。例如，新安县在2022年对辖区28处地质灾害隐患开展了三维建模。再如，湖北省地质调查院通过遥感技术模型，提前预警了大型滑坡灾害，保护了人民生命财产安全。一般可以采用地质模型和数字模拟技术来开展建模。通过对地质模型进行分析，结合历史地质灾害事件及其分布规律，建立地质灾害风险评估模型，对潜在的地质灾害隐患进行分析和评估。通过数字模拟技术可以预测地质灾害的规模、形态及发生的时间等，为地质灾害预防和应急管理提供决策依据。另外，围绕地下水流和地质构造的动态变化特征，以及地下水与地下工程的相互作用关系，开展建模，可制定工程地质灾害防治方案。在防治实施过程中，数字模拟技术可以用于监测地下水位变化和地质构造演化情况，对地质灾害隐患及时进行预警和预测，防止灾害的发生或扩大。

4 结语

本文总结了三维地质建模的基本原理，介绍了城市地下空间三维地质建模技术流程及常用软件，阐述了城市地下空间三维地质建模的方法，探讨了三维地质建模目前的应用情况。研究表明，城市地下空间三维地质建模技术可以有效地揭示城市地下地质特征，为城市地下空间利用规划、地下工程施工、资源开发利用、地下灾害预测与防治提供重要的科学依据。未来应进一步优化城市地下空间三维地质建模技术流程，加强数据采集与处理，提高建模精度和效率。同时，应重视城市地下空间三维地质建模的应用研究，探索更多新的应用领域，推动城市地下空间的有效利用和管理。