劉順昌，徐德馨，張春梅

（武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢 430022）

武漢都市發(fā)展區(qū)工程地質(zhì)三維模型建設(shè)及應(yīng)用

劉順昌*，徐德馨，張春梅

（武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢 430022）

在對(duì)武漢都市發(fā)展區(qū)工程地質(zhì)條件及鉆孔資料分析的基礎(chǔ)上，重新對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并結(jié)合研究區(qū)的地表地形參數(shù)等，在MapGIS-TDE軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了武漢都市發(fā)展區(qū)地層結(jié)構(gòu)的三維可視化，形象直觀地再現(xiàn)了巖土地層的空間結(jié)構(gòu)及其空間變化規(guī)律，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)武漢市工程地質(zhì)條件提供依據(jù)。

工程地質(zhì)；MapGIS-TDE；三維地層模型；自動(dòng)建模

1　引 言

人類的工程活動(dòng)一般是在地殼淺層進(jìn)行的。地殼中的巖土體大部分是呈層狀分布的，但在長期復(fù)雜的地質(zhì)作用和人類活動(dòng)的影響下，地層（尤其是地殼淺層）形態(tài)各異，地層之間相互交叉侵蝕，空間位置關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。巖土工程中地層信息主要是由地質(zhì)勘察的鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的等高線和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的。其中，鉆孔采樣的數(shù)據(jù)可以直接獲取詳細(xì)的巖層分布狀況，是地層建模的主要數(shù)據(jù)來源，利用有限的工程勘察資料模擬出復(fù)雜的地層狀況對(duì)工程建設(shè)有很重要的意義［1］。

傳統(tǒng)的工程勘察成果是以二維圖件（鉆孔柱狀圖、工程地質(zhì)剖面圖）的方式來表達(dá)地層信息空間分布，越來越不能滿足人們對(duì)地層認(rèn)識(shí)和空間分析的需求［2］。三維地層模型的研究成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。一些學(xué)者在基于鉆孔的地層建模方面有深入的研究［3～8］。近年來，我國先后在北京、上海、天津、南京、廣州和杭州等城市開展了三維城市地質(zhì)調(diào)查工作，建立了各城市三維地質(zhì)模型［9，10］。

本文在借鑒前人研究及“十二五”武漢城市地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用MapGIS-TDE平臺(tái)建立了武漢市都市發(fā)展區(qū)三維工程地質(zhì)模型，并在模型的基礎(chǔ)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了三維平面剖切、基坑開挖、三維隧道模擬漫游和地上地下一體化展示等方面的應(yīng)用。

2　MapGIS-TDE平臺(tái)簡(jiǎn)介

MapGIS-TDE三維GIS開發(fā)平臺(tái)是中地公司在MapGIS 7.0中推出的一套真三維數(shù)據(jù)處理開發(fā)平臺(tái)，它采用先進(jìn)的三維空間數(shù)據(jù)模型、構(gòu)模算法、三維可視化技術(shù)及框架+插件的軟件架構(gòu)體系，具有良好的框架開放性和功能構(gòu)件的可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性。

MapGIS-TDE的組成除了MapGIS核心模塊以外，還包括顯示平臺(tái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)以及功能開發(fā)框架。顯示平臺(tái)是TDE的三維引擎，是用C++開發(fā)的面向?qū)ο蟮?D圖形渲染引擎。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)采用全新的面向?qū)嶓w和拓?fù)涞臄?shù)據(jù)組織方式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)了多種三維模型數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)管理。支持三維要素的本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。功能開發(fā)框架是MapGIS-TDE平臺(tái)的主要二次開發(fā)層，它是在插件+對(duì)象的基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)。

3　研究區(qū)工程地質(zhì)條件

武漢都市發(fā)展區(qū)內(nèi)分布的是新元古界至新生界地層。新元古界的地層分布較少，僅在新洲區(qū)陽邏街七湖村有出露的。古生界地層地表出露不廣，多隱伏于新生界地層之下。新生界上第三系地層地表未見出露，埋于第四系松散堆積物之下。境內(nèi)自志留系中統(tǒng)至第三系，除個(gè)別地層缺失外，發(fā)育了一套較為完整的陸、海相沉積及少量的噴出巖堆積。其中石炭系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)棲霞組、三疊系中統(tǒng)為碳酸鹽巖地層；其他主要為頁巖、石英砂巖等。

第四紀(jì)以來，武漢地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)處于沉降時(shí)期，因此大面積覆蓋了第四紀(jì)地層，約占本區(qū)總面積的三分之一。下更新統(tǒng)為沖積的砂礫石、黏土；中更新統(tǒng)為洪沖積黏土；上更新統(tǒng)為湖沖積砂礫石、粗砂、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、黏土，全新統(tǒng)下部為沖積砂礫石、粗砂、粉細(xì)砂，上部為一套湖積—沖積堆積形成的亞砂土與淤泥質(zhì)土互層。

4　基于鉆孔數(shù)據(jù)三　維建模

4.1鉆孔篩選

武漢城市地質(zhì)三維建模主要依據(jù)鉆孔資料進(jìn)行，三維模型質(zhì)量的好壞取決于鉆孔的質(zhì)量，為此在開展三維建模工作前主要參考了武漢市測(cè)繪研究院《工程地質(zhì)信息系統(tǒng)》中收集的武漢市內(nèi)約21萬余個(gè)鉆孔資料及在“十二五”武漢城市地質(zhì)調(diào)查工作中獲取的勘探資料，在這些鉆孔數(shù)據(jù)中，選取質(zhì)量可靠，信息量大的鉆孔作為本次三維建模的基礎(chǔ)資料。篩選出參與建模的鉆孔2 651個(gè)，其分布如圖1所示。

圖1　建模鉆孔分布圖

4.2鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)武漢市標(biāo)準(zhǔn)地層信息，在系統(tǒng)中建立一套與之對(duì)應(yīng)的有新老和上下關(guān)系的分層標(biāo)準(zhǔn)，并將篩選出的鉆孔信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，鉆孔地層標(biāo)準(zhǔn)化是將系統(tǒng)建立的標(biāo)準(zhǔn)地層與數(shù)據(jù)庫中的地層信息進(jìn)行匹配并重新編碼，使MapGIS-TDE建模平臺(tái)能夠識(shí)別。

4.3基于MapGIS-TDE三維自動(dòng)建模

針對(duì)層狀地質(zhì)體特征，系統(tǒng)可采用一種“地層到實(shí)體”的建模方法，根據(jù)鉆孔分層信息，將離散的鉆孔地層信息，通過插值和擬合算法生成曲面，曲面間通過網(wǎng)格剖分進(jìn)而生成地層實(shí)體，從而完成三維工程地質(zhì)自動(dòng)建模。

本文建立了不同尺度范圍的工程地質(zhì)三維模型，如圖2～圖4所示。

與傳統(tǒng)的二維工程地質(zhì)圖件相比，三維地層模型的建立可以形象、直觀地反映區(qū)域內(nèi)各巖土層的空間展布情況，特別是透鏡體的空間位置及其延伸規(guī)律和尖滅情況。三維地層模型的建立能使地質(zhì)工作者對(duì)區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)條件有更加深刻地了解。

圖2　都市發(fā)展區(qū)三維模型

圖3　江夏區(qū)三維模型

圖4　建銀大廈三維模型

5　三　維模型應(yīng)用

本文在建立三維地層模型的基礎(chǔ)上，在MapGISTDE平臺(tái)下對(duì)三維模型在空間分析和工程應(yīng)用等方面的應(yīng)用進(jìn)行研究，分別進(jìn)行了模型的平面切割分析、模擬基坑開挖分析、地鐵隧道模擬分析和地上地下一體化展示分析等。

（1）模型剖切

與傳統(tǒng)的工程地質(zhì)剖面圖的成圖過程對(duì)比，在三維地層模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的平面剖切功能可以更快速、直觀、準(zhǔn)確的反映某個(gè)剖面的地層情況。圖5所示為三維地層模型基礎(chǔ)上進(jìn)行多個(gè)交互平面切割后的效果圖。

圖5　三維交互剖面圖

（2）模擬基坑開挖

基坑工程是指為保證基坑施工、主體地下結(jié)構(gòu)的安全和周圍環(huán)境不受損害而采取的支護(hù)結(jié)構(gòu)、降水和土方開挖與回填等一系列措施。建筑場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件是影響基坑工程的重要因素之一。在基坑開挖前了解場(chǎng)地地層包括地層的結(jié)構(gòu)和分布，尤其是軟弱層的空間分布至關(guān)重要。如圖6所示，在三維地層模型基礎(chǔ)上模擬基坑開挖可以詳盡了解場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況，為基坑工程的實(shí)施提供決策依據(jù)。

圖6　模擬基坑開挖圖

（3）隧道模擬

隧道模擬可以為地鐵規(guī)劃不同路線，進(jìn)行隧道切割分析，分析地鐵沿線經(jīng)過的地層，看哪些是不良地層，決定是否需要處理或者需要避開，最大限度避免在地鐵建設(shè)過程中因工程地質(zhì)問題而導(dǎo)致的重大工程問題，如圖7。

圖7　隧道模擬圖

（4）地上地下一體化研究

在三維地層模型的基礎(chǔ)上疊加地上三維模型，并在地表的銜接處進(jìn)行融合處理，使其達(dá)到地上地下一體化展示的效果，如圖8、圖9所示。

圖8　建銀大廈地上地下一體化展示圖

圖9　中山公園地上地下一體化展示圖

6　結(jié)論與展望

本文將鉆孔地層數(shù)據(jù)利用插值、擬合算法在Map-GIS-TDE平臺(tái)上完成了武漢市都市發(fā)展區(qū)三維工程地質(zhì)建模與可視化展示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的任意方式的剖切、基坑開挖的模擬、虛擬隧道的模擬和地上地下一體化展示等專項(xiàng)功能，以數(shù)字化、立體化、可視化、智能化的應(yīng)用與表達(dá)方式，使地質(zhì)圖件形象生動(dòng)、直觀易懂，易于被非專業(yè)人士理解與應(yīng)用，三維地質(zhì)建模是國土資源與地質(zhì)調(diào)查城市發(fā)展和社會(huì)信息化的必然趨勢(shì)。但是在三維建模過程中沒有考慮斷層和地下水等因素，同時(shí)也沒有一個(gè)量化的指標(biāo)來評(píng)價(jià)三維模型的精度與誤差，影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。因此考慮斷層和地下水因素的三維地質(zhì)建模以及三維模型的誤差評(píng)價(jià)是本文以后的研究重點(diǎn)。

［1］朱發(fā)華，賀懷建.復(fù)雜地層建模與三維可視化［J］.巖土力學(xué)，2010，31（6）：1919～1922.

［2］施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的自動(dòng)構(gòu)建［J］.城市勘測(cè)，2006（5）：62～65.

［3］朱良峰，吳信才，劉修國等.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層構(gòu)建［J］.地理與地理信息科學(xué)，2004，20（3）：26～30.

［4］明鏡.基于鉆孔的三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建及更新［J］.地理與地理信息科學(xué)，2012，9，28（5）：55～59.

［5］魏占營，段敏燕，李青元.利用鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建無縫三維地層模型［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版，2013，38（11）：1383～1386.

［6］柳慶武，吳沖龍，李紹虎.基于鉆孔資料的三維數(shù)字地層格架自動(dòng)生成技術(shù)研究［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2003，25 （5）：501～504.

［7］陳學(xué)習(xí)，吳立新，車德福等.基于鉆孔數(shù)據(jù)的含斷層地質(zhì)體三維建模方法［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（5）：5～8.

［8］張渭軍，王文科.基于鉆孔數(shù)據(jù)的地層三維建模與可視化研究［J］.大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2006，30（1）：108～113.

［9］崔新友，李東亮.基于MapGIS-TDE的城市地下三維信息系統(tǒng)研究［J］.Science&Technology Information，2010，15：462～463.

［10］顧麗影，花衛(wèi)華，李三鳳.三維城市地質(zhì)信息平臺(tái)［J］.地質(zhì)學(xué)刊，2012，36（3）：285～290.

Build and Application of The 3D Geological Model in WuHan Urban Development Zone

Liu Shunchang，Xu Dexin，Zhang Chunmei
（Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China）

The article based on the analysis of engineering geological conditions and borehole data in Wuhan urban development zone，re-standardized the drilling data and combine the surface topography parameters，3D visualization of stratum structure of Wuhan urban development zone is realized in MAPGIS TDE platform，The spatial structure and spatial variation law of the rock and soil layer are visually reproduced and provide a basis for further understanding of the engineering geological conditions of Wuhan City.

engineering geology；Mapgis-TDE；3D stratum model；automatic modeling

1672-8262（2016）04-160-04

P628.3

B

2016—04—28

劉順昌（1986—），男，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程和GIS方面研究工作。

研究項(xiàng)目：本文研究得到“十二五”武漢城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目資助。