韩征 王文文 李勇

摘 要：城市三维地质模型是借助于云计算、大数据、物联网等新一代信息技术对地质体进行的准确刻画和定量模拟，其目标就是提升城市地质成果的可视化表达能力和空间数据场运算能力，为地质资源的评估计算、地质环境的预警预报、城市的规划建设和运行管理提供数据支撑。对当下三维地质结构模型建设的普遍流程和一般方法进行了总结，重点对钻孔类建模法、剖面类建模法、多源数据交互建模法、多场耦合建模法和三维结构体与地应力一体化建模法的优缺点、适用范围和应用场景进行了分析，以便于地质工作者适时选取合适的方法，提高模型建设的准确性和合理性。

关键词：三维地质建模;多源异构;大数据;物联网;地质结构模型

Summarization of 3D geological structure modeling methods in urban areas

HAN Zheng， WANG Wenwen， LI Yong

（Information Center of Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： The urban 3D geological model is an accurate characterization and quantitative simulation of geological bodies with the help of new-generation information technologies such as cloud computing， big data， and the Internet of Things. Its goal is to improve the visual expression ability and spatial data field computing ability of urban geological results. It provides data support for evaluation and calculation of geological resources， early warning and forecasting of geological environment， and urban planning， construction， management and operation. This paper summarizes the general process and general methods of the current 3D geological structure model construction， focusing on borehole modeling method， profile modeling method， multi-source data interactive modeling method， multi-field coupling modeling method and integrated modeling method of 3D structure and ground stress. The advantages and disadvantages， application scope and application scenarios of the integrated modeling method of structure and in-situ stress are analyzed， so that geologists can choose the appropriate method in time to improve the accuracy and rationality of model construction.

Keywords： 3D geological modeling; multi-source heterogeneity; big data; Internet of Things; geological structure modeling

城市区域的三维地质结构建模是对城市区域的地质界面和地质体的空间位置、形态和拓扑关系进行三维立体的可视化表达，为人们深入研究地质体、全面分析地质现象、科学利用地质资源、有效防治地质环境问题等工作提供直观的、虚拟的地质空间。因此三维地质结构建模的目标就是客观真实的刻画和模拟地质体。但是，由于地质结构的复杂性、地质现象的不确定性、地质信息获取的有限性和地质数据的多源异构性，导致地质体三维模型的构建、表达和更新十分困难，而且存在着自动化程度低、建设标准不统一、集成格式不一致、地上地下分离等诸多问题（潘懋等，2007）。为了解决这些问题，研究者们将工作重点聚焦在复杂地质体的快速自动化建模以及建设统一的地质建模标准方面。近年来，三维地质结构模型构建的技术方法已经有了长足进步并取得了诸多成果，本文拟讨论当前三维地质结构模型的建模方法、应用现状和未来的发展趋势。

1  国内外发展现状

1.1  国外

欧洲发达国家对三维地学可视化研究起步较早，英国、法国、德国建模技术相对比较成熟。从各国地质调查局整体部署来看，在引领地质三维建模技术的发展和应用方面，英国是最具完整性和系统性的。英国多年间建设的不同比例尺基岩地質模型和英国国家地质模型，旨在构造一个准确、多比例尺的地理空间模型;德国哈勒市建立了非常精细的三维地质模型，总面积达到了135 km²，整个城区的模型均可以通过统一的软件进行集成和显示;不同于上述地质模型，老挝采用了基于栅格场的隐式地质界面耦合建模方法，由于栅格场的空间值是连续的，这种建模方式对结构模型和属性模型的一体化是很有帮助的。

从软件的发展状况来看，目前国外已有较多成熟的三维建模软件，如法国的GoCAD，美国的Petrel、Earth Vision、Esri CityEngine等。GoCAD是法国Nance大学研发的三维建模软件，它的优势是创建了离线光滑插值技术、三角剖分技术和四面体剖分技术，可以用于大规模复杂地质体的建模;斯伦贝谢公司的Petrel软件，是集地震解释、构造建模、岩相建模、属性建模和数值模拟及虚拟现实于一体的三维建模软件，主要应用于油气藏领域，可用于构造从结构到力学的一系列模型;Earth Vision在三维表面网格化的方面具有独到的优势，也被广泛地应用于油田地质当中;Esri CityEngine是三维城市建模的优秀软件，已应用于城市规划建设的方方面面，但是其对地层的建模能力有限。

1.2  国内

国内的三维地质建模起始于20世纪90年代初期，主要应用于油田开发、矿山开采的数值模拟，后期许多学者在不同的应用领域对其理论方法、数据结构和软件开发等方面进行了诸多的研究。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（吴冲龙等，2001;吴冲龙等，2006），中国地调局的PRB三维构模技术（吴志春等，2015）和福州的知识驱动多尺度三维地质体建模（陈麒玉等，2016），均有各自的建模特色和优势。北京市地质矿产勘查院建立了多个专题三维地质模型，包括岩溶水基岩模型、新生界模型、多参数基岩模型、通州区地下空间模型等，分别采用了多源交互复杂地质体建模法、基于网状含拓扑剖面建模法和基于交叉折剖面建模法;同时，在模型集成方面也进行了很多的研究工作，实现了北京城市副中心地区新生代、基岩地质模型与核心区的地下空间地质模型在ArcGIS平台上的无缝集成，实现了与同一区域地面沉降、地下水环境、砂土液化、地下水动态、土壤地质环境、浅层地热能等属性模型的初步集成（屈红刚等，2015;张院等，2015;李敏等，2018）。

近年来国内的三维建模软件也取得了一定的发展，如MapGIS K9平台、Creatar平台、steampGIS和网格天地平台。MapGIS K9是国内应用历史最久的GIS软件，现阶段很多的历史地勘图件，均采用这个格式，该平台具有比较强的建模功能，支持结构模型和属性模型的建设，但是属性模型和结构模型的耦合程度不高。Creatar平台是具有自主知识产权的平台，可以建立大场景复杂的地质结构，支持多种复杂地质体建模的方法，具有不错的可视化效果。网格天地的平台是比较系统化的三维模型平台，在城市地质建模和油气藏建模领域有了不少的应用，尤其是对于结构模型和属性模型可以进行耦合方面支持得比较好，甚至初步实现了有限元剖分后的地应力计算，具有独到的优势。

1.3  存在的主要问题

目前三维地质建模尚存在一些问题亟待解决。诸如：岩土尚无统一的标准化命名规则，已有的钻孔资料岩土命名标准在各专业领域也不统一，易造成地层分层信息的缺失;钻孔概化、剖面绘制过于依赖于专家经验，此现象增加了模型建设的主观性和不确定性，地质体分层易受到专家业务水平、思维方式的限制;建模程序复杂，难以为基层的地质作图人员所掌握，目前无论是国外的还是国产的三维地质建模软件，其操作流程仍过于复杂，须经严格培训才能掌握;约束条件要求严格，实物工作量大，这主要由于三维地质建模的过程本身是一个复杂的过程，涉及到用于建模的源数据经多次的编辑和确认，会导致很多在二维环境可以敷衍、忽略的微小瑕疵，在三维建模中变得很“敏感”;无统一的建模标准，目前从行业层面缺乏三维地质模型的建模标准，不同软件构建的三维地质模型难以共享;无法实现结构模型和力学模型的统一，目前建立的三维地质结构模型仅限于空间分析、钻孔提取、开挖分析等功能，而无法实现与力学、热学模型进行集成;模型精度较低，受到地下信息获取难度的限制，模型建设精度无法与地表建筑模型相类比，因此无法实现地上地下一体化模型的集成;模型的局部更新困难，目前的建模软件大多不支持模型的局部更新，对于与人类活动接触频繁的地下空间地层模型来说，其时效性受到了较大的限制。

2  三维地质结构建模的技术方法

2.1  建模方法概述

三维地质结构模型建设的主要流程包括建模准备、模型建设、模型评价和模型应用等4个过程（图1）。模型准备步骤包括钻孔数据、物化探成果、地质图件和断裂信息的收集及整理，其中钻孔数据是地层划分和模型建设最为基础的资料，物化探资料对于钻孔地层之间如何连接从而形成准确的地质剖面具有指导意义，地形图对于地表零层的刻画和地上地下一体化的集成具有至关重要的意义，地质构造是基岩地质建模中必不可少的资料。

模型建设步骤主要是通过普通钻孔建模法、交叉折剖面建模法、多场耦合建模法等不同的建模方法来实现对不同地质模型的建设，每一种建模方法均有一定的適用性，涉及的模型包括基岩地质模型、第四系地质模型、工程地质模型和水文地质模型。其中基岩地质模型是反映基岩面起伏、岩石地层及断层等构造信息的三维模型，可用于研究活动断裂的分布与活动规律;第四系模型是反映第四系松散沉积物层空间分布变化情况，常用于地质资源评价和地质环境调查研究;工程地质三维地质模型是用于表达城市工程建设层地质岩性空间展布的模型，常用于揭示不良地质现象和获取工程地质参数;水文地质模型主要用于地下水流场和地下水动力学研究。

模型的评价步骤就是对建好的模型按照其空间拓扑关系进行验证，确定三维地层和地质体之间的拓扑关系准确无误。

模型的应用就是将建好的三维地质模型纳入统一的“一张图”体系中，将模型成果与历年的地质资源环境监测预警成果进行比对和分析，从而辅助决策者对区域地质资源进行评价，对区域地质环境进行分析预报。

由于三维地质模型具有显著的多尺度性，因此在不同的比例尺和调查精度条件下所采的建模方法均不一样。对于大比例尺模型，其能够获得的数据包括钻孔、物化探、电测井等详查资料，采用的建模方法通常为多源交互复杂地质体建模方法，建模精度很高;对于中比例尺模型，其能够获得数据包括钻孔和地质剖面数据，采用的方法通常为基于交叉折剖面及网状含拓扑剖面的建模方法，建模精度一般较高;而对于小比例尺模型，能够获得的数据一般仅有钻孔数据，其采用的方法通常为钻孔建模法，精度普遍较低。

2.2  模型数据准备

模型数据的准备工作如图2所示，主要包括收集整理钻孔资料、筛选基准钻孔、建立基准孔网、绘制基准剖面和建立联合剖面等步骤。

广泛收集各类钻孔、物化探和测井成果。根据不同的三维地质模型建设目标，收集、整理各类钻孔数据，但由于这些钻孔的来源不一，造成资料很难直接被利用。因此，需要按照统一的岩石分类命名标准、统一的岩石分层标志、统一的钻孔概化原则对原有钻孔进行标准化处理和概化处理，从而形成标准钻孔，以备使用。

筛选、分析钻孔资料，选出可以利用的基准钻孔。在经过上述处理的标准化钻孔中，根据建模的目标、范围、深度，优选出用于控制整个地层的基准钻孔，这些基准钻孔便成为其他钻孔的标尺和基准，可作为相邻区域的地层标准，也可作为短距离横向岩层对比的依据。

建立基准孔网。利用优选出的基准钻孔建立均匀分布于整个模型区域的基准孔网。

利用基准孔网编绘基准剖面图，形成地层结构骨架。由基准孔网建立基准剖面的方法有很多，以第四系松散沉积物为例，包括宏观分析法、地面电法、古河道法、冲积扇法、沉积韵律法和综合分析法。

利用大量钻孔充实结构骨架，建立联合剖面。联合剖面的绘制非常依赖于专家的经验，此步骤是人工介入最多的步骤，而纵观众多的建模方法，若要模型建设准确，均离不开地质专家的宏观掌控和综合判断。

2.3  建模的一般方法

建模的一般方法包括普通钻孔建模法、基于层位标定的钻孔建模法、基于网状含拓扑剖面和交叉折剖面的方法、三维地质多场耦合建模法、多源交互复杂地质体建模法和地质结构与地应力模拟一体化建模法。其中普通钻孔建模法是最为基础、最为快速的建模方法（De Donatis 2001;Lemon et al.，2003），这种方法具有通用性，适用于第四系、水文地质和工程地质模型;基于层位标定的钻孔建模法是利用基于层位标定的钻孔数据对钻孔地层进行快速解译的方法，其实现了基于解译后钻孔数据的自动建模（明镜，2012）。交叉折剖面建模法是一种基于交叉折剖面的三维地质模型自动构建方法，重点解决模型构建中“高精度”和“快速”的难题（Sirakov et al.，2002;Xu et al.，2003;屈红刚等，2008）。基于网状含拓扑剖面建模方法克服了模型建设中常遇到的多值问题，可用于建立复杂的三维地质结构模型（明镜，2009;Ming et al.，2010）。三维地质多场耦合建模法是将结构模型和属性模型集成的一种方法，其属性边界依靠结构模型进行约束;多源交互复杂地质体建模法可不依赖于单纯的钻孔和剖面，是将各类物探、剖面、断裂等数据集成起来联合建模的方法，非常适合于基岩地质建模;地质结构与地应力模拟一体化模型是未来发展的方向，是将结构模型、属性模型、地应力计算模型一体化的方法，尚处于探索阶段。

2.3.1  钻孔建模法

钻孔建模法是通过对钻孔坐标和钻孔分层信息的解译而快速建立起地层分层关系，建模流程包括选择钻孔数据集、钻孔解译、水平自动分区、生成主层面和自动成体这几个步骤。其优势是建模速度快，适合建立典型层状结构的地质模型;自动化程度高，解译完成后，后续工作基本依靠自动化;方法流程简单易于理解，操作简便，可实现快速更新。劣势是不适合构建具有交互关系复杂的地质体，无法解决“透镜体”和“螺旋体”地质现象;建模主观性较大，对钻孔不同的理解会建立截然不同的模型;钻孔资料获取的难度较高，成本较大，钻孔解译的效率低、专业技术要求高。

2.3.2  基于层位标定的钻孔快速建模方法

本方法是在普通钻孔建模的基础上，为解决钻孔解译方法效率低、易出错的现象而提出的基于层位标定的快速解译方法，可以辅助钻孔解译者实现相对快速、准确的钻孔解译。其建模流程主要包括钻孔解译、解译后钻孔自动建模和交互式调整更新等步骤，其中钻孔解译是为钻孔上的地层分界点赋予准确的地层编号;解译后钻孔自动建模是使用解译好的钻孔完成模型的自动构建过程;交互式更新是在用户不改变钻孔解译方案的条件下实现模型信息的动态修改，从而实现模型局部的自动更新。其优势是在一定程度上克服了传统钻孔建模方法中钻孔解译难度大、效率低的问题;在地层交互方面，可以通过建立虚拟层面来处理多值问题;在地质体刻画方面，可以对“地层尖灭”问题进行很好的表达;建模过程中采用交互式操作，可以对地层形态进行人工调整。劣势是不适合构建具有交互关系复杂的地质体，无法解决对“螺旋體”地质现象的刻画;钻孔资料获取的难度较高，成本较大;无法利用地质剖面图、地质图、地形图等现有多源资料，不支持断层系统的建模。

2.3.3  基于交叉折剖面及网状含拓扑剖面的建模方法

基于交叉折剖面的方法是通过引入剖面中空间要素（多边形-弧段-结点）之间的拓扑关系（邻接、关联和包含），生成基于边界表达的三维地质模型的方法（屈红刚等，2008）。在用户少量干预下，可以建立绝大多数复杂地质模型，建模流程见图3。

基于网状含拓扑剖面的方法和交叉折剖面法的主要思想一致，都是通过引入剖面中空间要素之间的拓扑关系来生成基于边界表达的三维地质模型（屈红刚等，2008）。通过建立多剖面间的网状结构，可实现复杂地质模型的构建，建模流程见图4。

上述2种剖面建模法的优势是扩大了建模的数据源，建模的自动化程度较高，建模速度较快，可实现模型的扩展和复用;能够针对大范围的区域进行高精度的复杂地质模型快速构建，可以处理“地层尖灭”问题;可进行多体建模，地质体之间的数据一致性较好，建好的模型可进行拓扑分析。劣势是对于断层、褶皱这种地质现象处理起来相对繁琐，需要较大的工作量;建模需要剖面的数量较多，需要制作封闭的剖面网络。

2.3.4  多源交互复杂地质体建模方法

多源交互复杂地质体建模方法是将地质图、剖面、地层线、轮廓线等地质资料和专家经验添加到模型构建过程中的建模方法，可实现断层约束下的地质体建模，从而建成复杂地质体模型。其优势是实现了建模数据的多样化，建模数据包括但不限于钻孔数据、剖面数据、平面地质图和等值线;建模过程伴随着地质解译过程，交互程度高，能处理各类复杂地质情况，如复杂断层系统、倒转褶皱、侵入岩体等。劣势是多源数据的处理较为复杂，建模过程需要人工干预;建模时间长，数据更新较为繁琐;需要大量的人工交互，在各地质界面间可能会出现互相交切的现象。建模流程见图5。

2.3.5  多场耦合建模方法

理想的三维地质模型应充分考虑地质属性参数场对几何结构框架的指示意義及几何结构框架对属性参数场的约束作用，将地质数据处理、地质体几何结构框架、地质属性参数场、三维可视化空间分析作为一个整体加以研究，才可能实现真正意义上的地质空间多场耦合构模（朱良峰等，2012）。其优势是实现了模型结构场和属性场的耦合，可以直接用于工程地质计算;在此基础上，进一步可具备基于大数据的空间数据挖掘能力。劣势是地质属性参数场三维重构方法有待完善，多场耦合模型生成机制有待提高。建模流程见图6。

2.3.6  三维地质结构与地应力模拟一体化模型

本方法将实现三维地质结构模型与地应力分析计算模型的耦合，在结构模型建好后，直接将其转换为有限元方法所需的计算网格，通过定义各个地层断块的介质属性分布以及必要的载荷边界条件，来实现任意复杂构造的应力模拟。其优势是实现了结构模型和地应力模型的耦合，可完成各类地应力学的计算;地应力模块可以直接继承构造建模成果，获得有限元计算所需网格，极大地减少了网格编辑的工作量;模块可以直接继承精确的构造模型，提高了地应力计算和结果分析的准确性。劣势是对于建模人员的专业技能要求较高，能够支持本项功能的一体化软件较少，结构模型和有限元模型之间的接口不统一。建模流程见图7。

2.3.7  不同建模方法的比较

对上述6种三维地质模型建设方法的优势、劣势和适用范围进行总结，详见表1。

3  城市区域三维地质建模的发展趋势

3.1  大数据方向

未来三维地质建模体系中应引入基于大数据的存储、处理、分析技术，以及云计算、多维时空数据挖掘等新一代信息技术，使得建好的三维地质模型具备大数据分析能力，从而可将各类多源、多类型、多时相、多用途的监测数据、成果图件都集成在真实的三维场景中，实现三维场景下的地质“一张图”。

3.2  大数据、物联网结合方向

未来的三维模型应可直接接入地质资源环境物联网监测数据，如地面沉降、地下水动态、浅层地热能、矿山地质环境、突发地质灾害、重大线性工程等监测物联网，并可以在三维场景中对监测站点、监测曲线的真实状态和演化规律进行实时地处理、分析、评价和应用，从而将静态的三维模型转化为实时、动态的三维地质“一张图”，让三维模型更具活力。

3.3  地上地下一体化方向

城市三维模型主要包括地表建筑模型、地下管线模型和地质三维模型，这些模型均服务于不同的专业领域，具备不同的建模格式和编码标准，这造成了相互之间无法集成。另外，城市地表建筑模型和地质三维模型即便是转换为相同的格式，在集成过程中也需要处理大量的相交、穿插、重叠、缝隙等空间拓扑错误。因此，未来基于地上地下一体化的三维空间数据结构，实现地上地下一体化的模型建设是必然的发展趋势。

4  结论

本文介绍了交叉折剖面建模法、多源交互复杂地质体建模法、三维地质多场耦合建模法等多种三维地质结构模型的建设方法，每种方法在城市地质三维模型建设中都有其适用范围。未来建模的趋势是实现结构、属性模型耦合化，结构、力学模型集成化，地上、地下模型一体化建设，最终实现“基于多源异构的矢栅一体化三维地质模型”。在三维地质模型集成方面，借助于Geo3DML三维数据交换标准，实现多种建模软件之间数据格式的交换共享，这样不但可以实现多种不同比例尺、用途的地质结构模型的逻辑集成，还可以实现模型的可持续更新，更好地为地质资源环境承载能力评价提供技术支撑。

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