李 劼 明 鏡 王俊勇 邱月 詹 勇

1 重慶市勘測院，重慶市江北區(qū)電測村231號，400020

利用三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)還原地質(zhì)信息和地質(zhì)現(xiàn)象，加強(qiáng)城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)，減少城市地質(zhì)災(zāi)害影響，是國內(nèi)外城市發(fā)展的迫切需求［1］。但是，山地地區(qū)地勢起伏大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，至今未形成適合的區(qū)域地質(zhì)三維模型構(gòu)建方法和成果［2－3］。本文結(jié)合山地地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，研發(fā)適合山地地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)三維模型構(gòu)建集成方法。

1 研究思路

1.1 總體思路

研究的總體思路是：首先研究國內(nèi)外三維地質(zhì)建模方法和重慶區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)山地地區(qū)區(qū)域地質(zhì)建模中構(gòu)建剖面框架、繪制剖面和模型構(gòu)建3大步驟；確定每個步驟的工作方法，包括資料收集、剖面布設(shè)、二維剖面繪制、三維剖面轉(zhuǎn)化、網(wǎng)格劃分、單個網(wǎng)格內(nèi)模型構(gòu)建、全區(qū)模型合并集成；同時完成具體實(shí)施，包括結(jié)合地質(zhì)資料人工布設(shè)剖面，對地形數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、形成剖面框架、CAD 剖面繪制、剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格內(nèi)模型構(gòu)建、全區(qū)模型合并集成。

1.2 山地地區(qū)區(qū)域地質(zhì)三維模型構(gòu)建方法

山地地區(qū)區(qū)域地質(zhì)三維模型構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）構(gòu)建剖面網(wǎng)格。針對基礎(chǔ)地形、地質(zhì)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行地性線、地質(zhì)分界線的求交，得到剖面網(wǎng)格框架。然后，根據(jù)網(wǎng)格地質(zhì)體的性質(zhì)、網(wǎng)格間關(guān)聯(lián)點(diǎn)和面的特點(diǎn)來確定剖面網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系［4］。

2）確定拓?fù)潢P(guān)系。剖面網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系包含各個網(wǎng)格之間的拓?fù)潢P(guān)系；而對于單個網(wǎng)格，則包含其中各個地質(zhì)體、地質(zhì)界面之間的拓?fù)潢P(guān)系。合理地定義這些拓?fù)潢P(guān)系，對于模型的構(gòu)建、集成和應(yīng)用十分關(guān)鍵［5－7］。

3）定義虛擬鉆孔。為保證交叉剖面的一致性，在繪制剖面時引入虛擬鉆孔。通過虛擬鉆孔指導(dǎo)地層分界點(diǎn)高程和上下地質(zhì)界面屬性，保證剖面網(wǎng)格間正確的拓?fù)潢P(guān)系，確保剖面繪制準(zhǔn)確。

4）地質(zhì)層面構(gòu)建。結(jié)合地質(zhì)層面構(gòu)建特點(diǎn)，研究多種地層面三角剖分方法，并根據(jù)剖面網(wǎng)格內(nèi)地層面框架線和地層面間相鄰關(guān)系，選用不同的方法構(gòu)建地質(zhì)層面。除了使用傳統(tǒng)的無內(nèi)插點(diǎn)三角剖分、基于DSI算法的三角剖分外，還使用作者研發(fā)的基于Morphing算法［8－10］的三角剖分地層面構(gòu)建方法。

5）地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化集成。根據(jù)地質(zhì)三維模型數(shù)據(jù)和自主研發(fā)的集景三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺的特點(diǎn)，解決針對地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化集成方法。

1.3 技術(shù)流程

1.3.1 構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)剖面框架

構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)剖面框架包括基礎(chǔ)資料收集、在二維地質(zhì)調(diào)查平面圖上布設(shè)剖面、剖面線與地形地質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、形成區(qū)域地質(zhì)二維剖面圖。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集是針對實(shí)驗(yàn)區(qū)域收集其基礎(chǔ)遙感影像資料、基礎(chǔ)地形DEM 資料、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查剖面、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告等。之后，針對該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，在垂直和平行地質(zhì)構(gòu)造軸向方向布設(shè)剖面線，形成該區(qū)域的剖面網(wǎng)格。對于已經(jīng)布設(shè)好的剖面，結(jié)合該區(qū)域的地形DEM 數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)分界線數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面線數(shù)據(jù)預(yù)處理，給剖面線賦予地形高程值，標(biāo)定地質(zhì)分界線坐標(biāo)和相鄰區(qū)域的地質(zhì)屬性，形成能夠在CAD 進(jìn)行繪制的二維剖面框架圖。同時，根據(jù)二維剖面網(wǎng)格間的公共點(diǎn)、公共面以及最終的模型構(gòu)建順序，確定剖面網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系。

很多老人存在口腔構(gòu)造和功能上的問題，如缺齒、裝有義齒、口腔干燥或有面癱、假性球麻痹、吞咽及構(gòu)音障礙，或者同時有肺臟以及胸廓功能差、語音低微等病狀，交流時要充分考慮到這些。

1.3.2 繪制區(qū)域地質(zhì)剖面

繪制區(qū)域地質(zhì)剖面包括導(dǎo)入虛擬鉆孔、剖面繪制、剖面地層年代屬性檢查修改、三維地質(zhì)剖面成果輸出。

通過以上流程，得到能夠在CAD 中繪制的二維剖面框架圖。為得到該區(qū)域的三維剖面網(wǎng)格，需專業(yè)地質(zhì)人員在剖面框架的基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料中的地層產(chǎn)狀進(jìn)行剖面繪制。導(dǎo)入虛擬鉆孔并結(jié)合地層產(chǎn)狀，就可以繪制相應(yīng)的剖面圖（圖1）。

圖1 剖面網(wǎng)格中AEFB 剖面與CED 剖面的相交位置關(guān)系Fig.1 The intersection relationship of the AEFB section and CEDsection in the grid

如圖1，AEFB剖面和CED剖面有共同的交點(diǎn)E。通過剖面位置和地質(zhì)調(diào)查底圖的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，AEFB剖面為與該區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)產(chǎn)狀相垂直的剖面，CED剖面為與該區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)產(chǎn)狀相平行的剖面。首先繪制有較多地層產(chǎn)狀參考信息的AEFB剖面，再繪制地層產(chǎn)狀參考信息較少的CED剖面。

如圖2，在繪制第一條剖面AEFB時，結(jié)合獲取的剖面框架，同時結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料中此段剖面線上的地層產(chǎn)狀信息，人工繪制不同的地層界面線。

如圖3，在AEFB剖面中繪制的不同地層界面線同A、E、F、B4個剖面拐點(diǎn)相交。將A、E、F、B4個拐點(diǎn)定義為虛擬鉆孔點(diǎn)，記錄其沿線與地層界面相交點(diǎn)的位置、高程及交點(diǎn)上下界面的屬性信息，并保存為虛擬鉆孔數(shù)據(jù)。

如圖4，繪制CED剖面。由于CED剖面所含地層產(chǎn)狀信息較少，需導(dǎo)入CED同AEFB交點(diǎn)E點(diǎn)的虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，通過E點(diǎn)的高程、上下屬性來繪制CED剖面的地層界面線。

圖2 繪制AEFB 剖面Fig.2 Drawing AEFBsection

圖3 虛擬鉆孔示意Fig.3 The virtual drill

通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和虛擬鉆孔完成所有二維剖面繪制后，對繪制好的剖面面域進(jìn)行地層年代屬性檢查，修改錯誤的地層屬性。之后，對繪制的二維剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行二維到三維的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理。

1.3.3 構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)三維模型

構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)三維模型包括：構(gòu)建區(qū)域三維剖面網(wǎng)格、單個網(wǎng)格地質(zhì)模型構(gòu)建、全區(qū)網(wǎng)格地質(zhì)模型拼合、全區(qū)區(qū)域地質(zhì)模型成果輸出。

通過上文方法得到該區(qū)域全部三維剖面圖，導(dǎo)入“集景三維地質(zhì)建模軟件”，形成區(qū)域三維剖面網(wǎng)格。針對每個剖面網(wǎng)格，根據(jù)具體的地層面狀況，通過選擇無內(nèi)插點(diǎn)三角剖分、DSI三角剖分或Morphing三角剖分來構(gòu)建相應(yīng)的地層面，最終形成閉合的地質(zhì)體。

單個網(wǎng)格內(nèi)，利用地質(zhì)體之間的地質(zhì)層面拓?fù)潢P(guān)系，對單個地質(zhì)體進(jìn)行疊加，形成該網(wǎng)格的地質(zhì)構(gòu)造模型。圖5（a）顯示了單個網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)模型的疊加構(gòu)建過程。通過其所屬網(wǎng)格、位置屬性和兩個地質(zhì)體之間的公共地層界面，形成地質(zhì)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。利用該拓?fù)潢P(guān)系，即可對地質(zhì)體進(jìn)行疊加，形成單個網(wǎng)格內(nèi)完整的地質(zhì)體。利用剖面網(wǎng)格間的拓?fù)潢P(guān)系，對整個網(wǎng)格地質(zhì)模型進(jìn)行拼合，形成全區(qū)的三維地質(zhì)模型，如圖5（b）所示。

圖5 單格網(wǎng)和全區(qū)格網(wǎng)地質(zhì)體疊加Fig.5 Superposition of geologic body in one grid and the regional geology grid

1.3.4 區(qū)域地質(zhì)模型成果集成

區(qū)域地質(zhì)三維模型成果的集成包括全區(qū)區(qū)域地質(zhì)三維模型成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、創(chuàng)建成果數(shù)據(jù)集成索引文件、區(qū)域地質(zhì)三維模型成果集成模擬顯示。完成以上步驟，形成整個區(qū)域的區(qū)域地質(zhì)三維模型，并保存格式為.ts。在已有的三維數(shù)字城市平臺上，首先對形成區(qū)域地質(zhì)三維模型的ts成果數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成能夠被平臺集成的.obj格式的通用三維模型。利用GeoML 索引生成工具，通過導(dǎo)入所有三維模型obj文件的文件名和對應(yīng)的地層屬性文件，生成用于集成區(qū)域地質(zhì)三維模型的GeoML索引文件。最終通過索引文件將區(qū)域地質(zhì)三維模型成果集成到三維數(shù)字城市平臺中，并進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)分析。

2 應(yīng) 用

結(jié)合重慶市兩江四山的地理特點(diǎn)，以及縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山的格擋式褶皺構(gòu)造特征，選取地處中梁山和銅鑼山之間的重慶市北部新區(qū)悅來場、人和場、沙坪場和石柱場之間10km×20km 作為實(shí)驗(yàn)區(qū)。

該區(qū)域地層地質(zhì)時代分布主要為中生代，除中下三疊統(tǒng)為海相地層外，其余均為陸相沉積。海相地層巖性巖相較為穩(wěn)定，陸相地層巖性巖相變化大。三疊系及下侏羅統(tǒng)是重要的含礦層位，具有工業(yè)價值的礦產(chǎn)有煤、鐵、水泥用石灰?guī)r、耐火粘土、冶金用白云巖等。另外，嘉陵江組有豐富的地下熱水，須家河組含偏硅酸飲用天然礦泉水，沙溪廟組局部富集紅層承壓水，從新到老依次為侏羅紀(jì)中統(tǒng)上沙溪廟組（三段、二段、一段）、中統(tǒng)下沙溪廟組、中統(tǒng)新田溝組、中下統(tǒng)自流井組、下統(tǒng)珍珠沖組、三疊系上統(tǒng)須家河組（上段、下段）、中統(tǒng)雷口坡組。

在實(shí)驗(yàn)區(qū)布設(shè)如圖6（a）所示的剖面網(wǎng)格，并同圖6（b）所示的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行交點(diǎn)計(jì)算，提取對應(yīng)的地性線。

圖6 網(wǎng)格剖面圖和DEMFig.6 The section grid figure and DEM

對實(shí)驗(yàn)區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖進(jìn)行數(shù)字化，用線框表示不同地質(zhì)屬性區(qū)域的邊界。為提取剖面線同地質(zhì)屬性區(qū)域的邊界交點(diǎn)，在最終形成的剖面框架添加地質(zhì)屬性分界標(biāo)示。對數(shù)字化后地質(zhì)屬性線框數(shù)據(jù)按地層年代進(jìn)行編碼，如表1。

表1 地質(zhì)編碼表Tab.1 Geological coding table

利用地表標(biāo)示的不同地質(zhì)屬性的地質(zhì)區(qū)域線，對區(qū)域DEM 進(jìn)行切割，形成用于構(gòu)建頂層地質(zhì)模型的DEM 面；再通過層層構(gòu)建地質(zhì)體面，疊加拼合形成實(shí)驗(yàn)區(qū)區(qū)域地質(zhì)三維模型；最終通過成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，在“集景三維數(shù)字城市平臺”中對區(qū)域地質(zhì)三維模型成果進(jìn)行集成應(yīng)用，如圖7、8。

圖7 模型成果Fig.7 Model

圖8 集景三維數(shù)字城市平臺集成效果Fig.8 Integration effect in the Geoking Explorer

3 結(jié) 語

1）通過對三維地質(zhì)建模的研究，結(jié)合重慶市區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)和工程地質(zhì)三維建模經(jīng)驗(yàn)，理清了針對山地地區(qū)區(qū)域地質(zhì)進(jìn)行三維建模的思路。

2）根據(jù)重慶市區(qū)域地質(zhì)建模思路，利用AutoCAD 軟件工具進(jìn)行工具開發(fā)，形成針對實(shí)際數(shù)據(jù)的區(qū)域地質(zhì)三維建模流程。

3）選定重慶市北部新區(qū)200km2實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用區(qū)域地質(zhì)三維建模方法，建立該地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)模型。將3D GIS與地質(zhì)信息化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下輔助地質(zhì)勘察，提高行業(yè)決策能力和效率。

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