張 源，朱俊鳳，劉 敬，陳浩權(quán)，肖艷云

廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州 510080

當(dāng)前主流的顯式地質(zhì)體三維建模方法大體可以概括為基于控制性鉆孔的自動(dòng)建模和基于三維剖面的半自動(dòng)交互建模，前者建模速度快、效率高，不需要太多的人工干預(yù)（朱良峰等，2004；郭艷軍等，2009；林冰仙等，2013；王國(guó)光等，2022），但鉆孔數(shù)據(jù)不能很好地體現(xiàn)地下斷裂、褶皺、相變等較復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的空間展布情況。此外，對(duì)于大范圍精細(xì)建模中常見的地層互層、倒轉(zhuǎn)等容易出現(xiàn)多解性的地質(zhì)現(xiàn)象，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助地層標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)通常會(huì)使問題復(fù)雜化，自動(dòng)插值效果有時(shí)與地質(zhì)認(rèn)識(shí)不符甚至相悖（王丹，2012；程春，2017；冉祥金，2020）；三維剖面交互建模理論上可以解決任意復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建問題，建模結(jié)果可以完全符合專業(yè)人員的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，但建模過程，包括前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和后續(xù)的建模操作，復(fù)雜繁瑣，當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況復(fù)雜、建模范圍較大時(shí)，需要大量的人力、物力投入，實(shí)際模型成果也非常依賴實(shí)施人員的地質(zhì)認(rèn)識(shí)、三維GIS知識(shí)和軟件操作能力，不利于后續(xù)模型更新維護(hù)（劉順昌等，2021；張?jiān)矗?021；韓灑，2022；馬朝陽等，2022）。

為突破上述建模方法的局限性，在一定程度上兼顧自動(dòng)建模的建模效率和剖面建模對(duì)復(fù)雜地質(zhì)形態(tài)的表現(xiàn)能力，本文提出一種以三維剖面為主要數(shù)據(jù)源的自動(dòng)建模方法，盡可能充分利用地質(zhì)剖面圖所提供的地層產(chǎn)狀、構(gòu)造信息，并結(jié)合DEM、地表平面地質(zhì)圖、斷層平面分布等數(shù)據(jù)強(qiáng)約束，使建模結(jié)果盡可能趨近地質(zhì)剖面所表達(dá)的地下地層形態(tài)特征，同時(shí)降低人機(jī)交互成本，盡可能避免三維空間的人機(jī)交互操作，提高復(fù)雜地質(zhì)體的建模效率。

事實(shí)上，剖面線數(shù)據(jù)并不是非常良好的可用于空間插值的建模數(shù)據(jù)，想要以顯式插值實(shí)現(xiàn)剖面自動(dòng)建模，需要剖面密度較高、分布均勻、剖面上地質(zhì)構(gòu)造情況相對(duì)比較簡(jiǎn)單，地層接近水平層狀，并且剖面間地層對(duì)應(yīng)情況良好（王波等，2021；王麗坤等，2022；王榮亮等，2022；鄭小杰等，2022；朱宇辰和李茜，2022）。此外，在此前的剖面自動(dòng)建模探索中較少使用更多的約束數(shù)據(jù)參與模型構(gòu)建（Tao Z G et al.，2021；賈娒和劉星，2022；曾敏等，2022）。為適應(yīng)更普遍的建模需求，本文嘗試提升剖面表達(dá)的地層復(fù)雜度，增加對(duì)特定情況下的復(fù)雜斷層交錯(cuò)、褶皺、侵入巖、火山通道等可造成水平向地層單元破碎、垂向多解和倒序地質(zhì)構(gòu)造的處理和支持，引入地質(zhì)圖、平面斷層控制地層構(gòu)造走向和平面分布，使建模結(jié)果盡可能貼合建模數(shù)據(jù)和專業(yè)人員的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

本文詳細(xì)介紹了該方法的建模過程，包括建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理、構(gòu)建斷層分段面、構(gòu)建框架（一級(jí)）地層模型、構(gòu)建精細(xì)（二級(jí)）地層模型，并重點(diǎn)介紹了該建模方法解決的難點(diǎn)問題。以4 km 為間距布置北西向平行剖面，將廣東省陸域范圍分割成等寬不等長(zhǎng)的條帶狀區(qū)域，然后應(yīng)用該方法，以每個(gè)條帶狀區(qū)域?yàn)槌跏冀卧M(jìn)行三維地質(zhì)建模，最后將各條帶三維模型無縫拼接，得到整個(gè)廣東省1∶25 萬基巖三維模型。該方法能夠?yàn)榇蠓秶鷱?fù)雜地質(zhì)體快速建模提供借鑒。

1 建模過程

建模過程從操作上主要分為數(shù)據(jù)與預(yù)處理、模型構(gòu)建兩大部分，從流程上可以劃分為建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理→地層分類→模型構(gòu)建，模型構(gòu)建又可細(xì)分為構(gòu)建斷層分段面→構(gòu)建框架（一級(jí)）地層模型→構(gòu)建精細(xì)（二級(jí)）地層模型。基本建模流程如圖1。

圖1 基本建模流程圖Fig.1 Basic modeling flow chart

模型構(gòu)建的總體思路是通過研究、總結(jié)剖面和地質(zhì)圖上地層形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合單元格交互建模對(duì)于廣域建模分而治之的操作方案（雷傳揚(yáng)等，2022），以及自動(dòng)建模多級(jí)地層分級(jí)約束的思路（許國(guó)等，2022），篩選相鄰剖面上的斷層線和貫穿整個(gè)剖面的地質(zhì)界線，結(jié)合平面斷層線和地質(zhì)圖上地質(zhì)界線，按照線傾向自動(dòng)生成垂向的分段曲面，將建模區(qū)域劃分為類似單元格的分塊，再在分塊內(nèi)使用接近水平走向和接近垂直走向的地質(zhì)體的地層界線逐級(jí)細(xì)分，按照上下疊覆關(guān)系依序構(gòu)建，直至所有地質(zhì)塊體生成完畢。

1.1 建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理

建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備主要是對(duì)參與建模的地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)圖、斷層線、DEM 等數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和一致性處理，解決各個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)部和不同數(shù)據(jù)之間的邏輯沖突、坐標(biāo)差異和空間拓?fù)溴e(cuò)誤，并借助Map-GIS三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)工具進(jìn)行三維化，為之后的建模做準(zhǔn)備。

1.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

參與建模的空間數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)圖、斷層線、地表地形數(shù)據(jù)以及地質(zhì)剖面圖等，需轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)并具有統(tǒng)一坐標(biāo)系和投影參數(shù)。因此對(duì)于不滿足要求的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、投影變換、空間校正和比例尺統(tǒng)一等，以保證各個(gè)數(shù)據(jù)所描述的空間位置相同。

平面地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面圖等，需按照最新的區(qū)域地質(zhì)背景建立標(biāo)準(zhǔn)地層，并將地層屬性掛接到數(shù)據(jù)屬性中。平面地質(zhì)圖的最小地質(zhì)單元要滿足精度需求，且數(shù)據(jù)為最新數(shù)據(jù)，如沒有現(xiàn)成數(shù)據(jù)，還需考慮重新編圖。如本次三維地質(zhì)建模實(shí)踐中，廣東省沒有已編制好的全省1∶25萬地質(zhì)圖，因此部署了1∶25萬地質(zhì)圖更新編圖，最小地質(zhì)單元到組。地質(zhì)剖面圖為圖切剖面，根據(jù)地質(zhì)圖上剖面線位置，參考已有鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖上產(chǎn)狀信息、斷層信息等，繪制地質(zhì)剖面圖。

此外，為滿足后續(xù)數(shù)據(jù)三維化的需要，需對(duì)地質(zhì)剖面圖補(bǔ)充鉆孔中心線和地層線圖層，其中鉆孔中心線需包含正確的三維坐標(biāo)信息，地層線應(yīng)包含邊界線類型的說明。鉆孔中心線是指剖面首尾兩端的垂直線，鉆孔中心線位置與地層線中邊界線重合且不能超出地表線及基底線，坐標(biāo)值必須與圖面切線兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)一致，標(biāo)高與實(shí)際高程一致，以保證后續(xù)計(jì)算的比例尺正確，每根鉆孔中心線只保留兩個(gè)端點(diǎn)共兩行數(shù)據(jù)。表1、表2分別為剖面地層線和鉆孔中心線的屬性結(jié)構(gòu)及要求。

表1 剖面地層線屬性結(jié)構(gòu)說明Table 1 Description of profile stratigraphy attribute structure

表2 剖面鉆孔中心線屬性結(jié)構(gòu)說明Table 2 Description of attribute structure of section drilling center line

1.1.2 數(shù)據(jù)三維化

在后續(xù)建模中，將使用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，因此，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，使用MapGIS 提供的數(shù)據(jù)三維化工具進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的生成。二維剖面根據(jù)剖面起點(diǎn)、終點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)和海拔高程，系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入三維場(chǎng)景生成三維剖面；地表平面數(shù)據(jù)，包括平面地質(zhì)圖、地表地形數(shù)據(jù)、斷層平面分布數(shù)據(jù)，可根據(jù)地表高程數(shù)據(jù)插值生成三維數(shù)據(jù)。圖2為廣東省三維剖面和DEM數(shù)據(jù)疊加顯示效果圖。

圖2 廣東省三維剖面和DEM數(shù)據(jù)疊加顯示效果圖Fig.2 Superimposed display effect of 3D profile and DEM data in Guangdong Province

為簡(jiǎn)化上述數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，結(jié)合地質(zhì)專業(yè)人員在實(shí)際數(shù)據(jù)生產(chǎn)中軟件使用習(xí)慣，在項(xiàng)目實(shí)踐中開發(fā)了一系列小工具用于輔助上述數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，包括用于剖面框架生成的圖切剖面工具；用于剖面必要圖層生成、屬性標(biāo)準(zhǔn)化、邊界識(shí)別提取、斷層屬性關(guān)聯(lián)的剖面預(yù)處理工具組；用于斷層交錯(cuò)關(guān)系自動(dòng)判斷和排序的斷層排序工具；用于控制三維數(shù)據(jù)在空間中移動(dòng)和縮放的數(shù)據(jù)移動(dòng)和比例變換工具；用于實(shí)現(xiàn)二維、三維剖面互轉(zhuǎn)以便于剖面編輯的剖面轉(zhuǎn)換工具等。在這些輔助工具的幫助下能更方便地進(jìn)行建模所需數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，數(shù)據(jù)結(jié)果也更加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.1.3 數(shù)據(jù)一致性檢查校正

由于數(shù)據(jù)編制時(shí)間、編制方法、測(cè)量精度、插值精度等數(shù)據(jù)生產(chǎn)、編輯過程不可避免地會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差，因此需對(duì)數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行檢查校驗(yàn)。數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)包括空間范圍的一致性檢查、必要屬性結(jié)構(gòu)及其屬性值的完備性以及數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)屬性的一致性檢查、地質(zhì)圖上地質(zhì)界線及其地層屬性與剖面圖上對(duì)應(yīng)地層的一致性檢查、地表地形面與三維剖面地表線形態(tài)一致性檢查、剖面底部高程誤差檢查等?？臻g范圍一致性要求所有參與建模的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系一致并正確。必要屬性結(jié)構(gòu)及其屬性值的完備性是指重要數(shù)據(jù)，如剖面地質(zhì)區(qū)、地質(zhì)線、斷層線、軌跡線、斷層平面分布線等數(shù)據(jù)的屬性結(jié)構(gòu)是否符合要求，屬性項(xiàng)有無缺漏或錯(cuò)誤。對(duì)于不符合要求的數(shù)據(jù)，要修改直到符合要求。數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)屬性的一致性檢查是指關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的屬性是否匹配問題，如剖面地表部分的地層分區(qū)要與地質(zhì)圖保持一致，剖面的地表高程要與建模區(qū)內(nèi)地表高程數(shù)據(jù)保持一致。地質(zhì)圖上地質(zhì)界線及其地層屬性與剖面圖上對(duì)應(yīng)地層的一致性檢查是指兩者之間地層屬性要保持一致。地表地形面與三維剖面地表線形態(tài)一致性檢查是指兩者是否在地表面上完全重合。剖面底部高程誤差檢查是指剖面底部高程是否為建模深度。

根據(jù)需求在項(xiàng)目實(shí)踐中開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)檢查工具，可輸出相應(yīng)的檢查報(bào)告，輔助數(shù)據(jù)生產(chǎn)人員了解數(shù)據(jù)問題并進(jìn)行針對(duì)性修正。

1.1.4 人工干預(yù)屬性處理

在實(shí)際建模過程中，為了在一定程度上引入專家經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)專業(yè)認(rèn)識(shí)，在軟件自動(dòng)判斷不夠準(zhǔn)確時(shí)能實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)，在功能實(shí)現(xiàn)上，將剖面地質(zhì)界線的傾向及其交錯(cuò)、接續(xù)關(guān)系的參數(shù)放開并可作為剖面線屬性填充到建模數(shù)據(jù)中。該屬性可按照地層在剖面上的大致走向分為垂直向和水平向，而垂直向又可分為回旋向和斷塊向。由此，在實(shí)際建模過程中，建模人員可根據(jù)地質(zhì)專業(yè)認(rèn)識(shí)判斷地層發(fā)展形態(tài)，并為剖面地質(zhì)界線添加相應(yīng)的分類屬性，以控制地層線的使用順序并選擇地層面構(gòu)建算法，在一定程度上實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)的建模過程。

1.2 構(gòu)建斷層分段面

斷層在地質(zhì)模型中常用地層分界面進(jìn)行表達(dá)，是影響其他地層面生成的重要約束數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于有斷層體現(xiàn)的建模區(qū)域，會(huì)在構(gòu)建地層面前將斷層面先構(gòu)建出來。實(shí)際建模時(shí)，通過剖面斷層線提供的傾向、傾角、埋深和影響地層以及平面斷層反映的斷層平面長(zhǎng)度、走向和相互關(guān)系等，可以自動(dòng)構(gòu)建出三維斷層面。同時(shí)，在這些斷層面中，篩選出將建模區(qū)域整體截?cái)嗟臄鄬用孀鳛閰^(qū)域分段面，使建模區(qū)域沿?cái)鄬訕?gòu)造走向細(xì)分塊段，降低單個(gè)建模塊段內(nèi)的地層構(gòu)造復(fù)雜度，為之后的地層面構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。同理，使用數(shù)據(jù)分段工具，建模人員可以在數(shù)據(jù)中任意指定位置生成分段線，切分沒有自然分段線的復(fù)雜數(shù)據(jù)，優(yōu)化建模操作。圖3 為基于斷層面和剖面對(duì)建模區(qū)域分段的示意圖，圖中5條剖面線和一個(gè)斷層面將建模區(qū)域分成8個(gè)塊段。

圖3 基于斷層面和剖面對(duì)建模區(qū)域分段的示意圖Fig.3 Schematic diagram of modeling area segmentation based on fault plane and profile

1.3 構(gòu)建框架（一級(jí)）地層模型

斷層分段面構(gòu)建完成后，即可進(jìn)行地層面的構(gòu)建。首先判斷剖面上總體的地層傾向分布趨勢(shì)，按照水平走向和垂直走向的劃分，從剖面和地質(zhì)圖上提取框架地層分界線，按照地層線形態(tài)、剖面間地層對(duì)應(yīng)情況、地質(zhì)圖上地層界線形態(tài)，參照剖面線屬性，選擇插值或產(chǎn)狀推斷等對(duì)應(yīng)的構(gòu)面算法構(gòu)建框架地層分界面，并通過求交迭代和曲面外推方式處理面拓?fù)湟恢滦裕詈蟀凑杖S空間關(guān)系分組合并，封閉成體，保證地質(zhì)體的空間拓?fù)湔_。

1.4 構(gòu)建精細(xì)（二級(jí)）地層模型

在構(gòu)建的框架（一級(jí)）地層基礎(chǔ)上，分別在水平方向和垂直方向框架地層內(nèi)進(jìn)行精細(xì)地層構(gòu)建。在水平向地層內(nèi)，按照地層疊覆關(guān)系和地層順序，逐層提取地層線插值構(gòu)建；在豎直向地層內(nèi)，按照地層與剖面、地質(zhì)圖的鄰接關(guān)系確定構(gòu)建順序，補(bǔ)全區(qū)段內(nèi)地層線，并根據(jù)補(bǔ)全的地層線形態(tài)選擇相應(yīng)的算法進(jìn)行地層曲面構(gòu)建，通過不斷迭代判斷修正，消除曲面自相交等拓?fù)溴e(cuò)誤后，封閉生成地質(zhì)體，并根據(jù)剖面、地質(zhì)圖與地質(zhì)體的空間關(guān)系賦予相應(yīng)的地層屬性，最終得到完整地質(zhì)體模型。

2 建模難點(diǎn)

2.1 地層間拓?fù)鋯栴}處理

傳統(tǒng)的地層顯式建模方法是按照地層順序從上至下或從下至上，受限于插值方法，此種建模方式要求地層滿足水平方向分布，構(gòu)建出層層疊加的模型效果。而隱式建模會(huì)將整個(gè)建模空間細(xì)分，通過離散網(wǎng)格追蹤出地層面或地層屬性在空間中的分布，再轉(zhuǎn)變成地層結(jié)構(gòu)模型，但這種方法難以在剖面和地質(zhì)圖部分實(shí)現(xiàn)強(qiáng)約束（Guo J T et al.，2021）。

復(fù)雜地質(zhì)圖建模中，由于同時(shí)存在水平向和垂直向分布的地層，為保證地層拓?fù)潢P(guān)系上盡可能正確，在算法上首先判斷地層總體的傾向分布趨勢(shì)，按照水平向和垂直向的劃分構(gòu)建一級(jí)地層，保證一級(jí)地層整體的拓?fù)湔_后，在一級(jí)地層內(nèi)按照相同的分類進(jìn)行持續(xù)迭代細(xì)分，直至建模完成。

在水平向地層內(nèi)部構(gòu)建時(shí)，按照層狀地質(zhì)體疊覆關(guān)系從上至下逐層構(gòu)建。在豎直向地層內(nèi)部構(gòu)建時(shí)，參照標(biāo)準(zhǔn)地層順序，優(yōu)先構(gòu)建剖面和地質(zhì)圖同時(shí)約束的塊體，然后構(gòu)建只有地質(zhì)圖約束的塊體，最后構(gòu)建只有剖面約束的塊體。在構(gòu)建豎直向地層間的接觸面時(shí)，為解決不同地層參與建模的數(shù)據(jù)不同而導(dǎo)致的產(chǎn)狀計(jì)算偏差，需要在構(gòu)建地層時(shí)向外延展一段距離，并在構(gòu)建層面時(shí)與已構(gòu)建的地層面持續(xù)進(jìn)行相交判斷，確保接觸面間沒有空隙，同時(shí)不穿過其他未構(gòu)建的地層范圍。以此保證建模結(jié)果能充滿整個(gè)建?？臻g，不出現(xiàn)重疊、漏洞、自相交等錯(cuò)誤。

2.2 不連續(xù)、不對(duì)應(yīng)地層線自動(dòng)補(bǔ)全

在區(qū)域分段內(nèi)進(jìn)行建模時(shí)，會(huì)將地層整體作為一個(gè)對(duì)象進(jìn)行處理，由于地層沉積或地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，在一個(gè)建模單元內(nèi)，同一個(gè)地層分布并不連續(xù)、相鄰剖面上相同地層線長(zhǎng)短不一、產(chǎn)狀不同甚至相反，為保證建模結(jié)果的地質(zhì)規(guī)律正確，需要將斷開的地層線延長(zhǎng)或補(bǔ)充完整。首先按照地層接續(xù)關(guān)系將地層線直接相連，再與建模地層剖面逐個(gè)進(jìn)行相交判斷，如果相交則需要將連接線段進(jìn)行拉伸，保證線段不穿過未建地層（包括當(dāng)前地層本身）的空間范圍。圖4 為剖面不連續(xù)地層補(bǔ)全示意圖，該處地層建模順序?yàn)锳-B-C，因?yàn)锳 地層已構(gòu)建，則圖中紅色加粗地層線已被使用，不能作為地層B 的邊界線，按照模型拓?fù)湟蠛徒ｍ樞?，則B 的地層線為藍(lán)色細(xì)線，補(bǔ)充時(shí)，先將兩條線直線相連，則會(huì)穿過還未構(gòu)建的地層C，則需要將地層線向上拉伸，確保不穿過未建的B 和C地層，最終得到的連續(xù)曲線就是該剖面上B 地層的建模邊界線。

圖4 剖面不連續(xù)地層補(bǔ)全示意圖Fig.4 Schematic diagram of section discontinuous formation completion

2.3 不規(guī)則曲面構(gòu)建

本文建模方法以三維地質(zhì)剖面和地質(zhì)圖作為主要建模數(shù)據(jù)，僅通過地層曲面的外輪廓進(jìn)行曲面構(gòu)建，且在剖面對(duì)應(yīng)情況較差的區(qū)域輪廓邊界并不完整，因此，現(xiàn)有的顯式插值方法都不太適用，容易出現(xiàn)不合理的尖滅或形態(tài)突變，特別是對(duì)于波浪形曲線表示的不整合、造成垂向多解的侵入巖、平臥褶皺和火山通道等，通過外輪廓插值難以實(shí)現(xiàn)這些曲面的形態(tài)表達(dá)。

為此，本文建模算法借鑒了morphing 變形算法（肖巍峰等，2015；許珂和徐亞杏，2018；潘卓等，2020），采用自動(dòng)化交互建模的思路，模擬地質(zhì)人員進(jìn)行交互建模時(shí)對(duì)這些不規(guī)則曲面的處理方法，采用地層線自動(dòng)補(bǔ)全算法將地層線補(bǔ)充完整后，對(duì)地質(zhì)圖邊界和剖面地層線進(jìn)行細(xì)分，將所有線段離散成等距的點(diǎn)，然后根據(jù)地質(zhì)圖上地質(zhì)界線的形態(tài)和剖面地層線的傾向自動(dòng)推斷各個(gè)位置的產(chǎn)狀，根據(jù)產(chǎn)狀連接依序構(gòu)建分段面，并與已有分段面和地層面進(jìn)行相交判斷，若相交則在局部進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，調(diào)整曲面形態(tài)和產(chǎn)狀，規(guī)避分段間的自相交現(xiàn)象，將所有分段面合并后即可得到完整的地層曲面。圖5 為不規(guī)則曲面構(gòu)建示意圖，圖中為兩條剖面和對(duì)應(yīng)地質(zhì)圖的地層界線，將三段地層線細(xì)分后根據(jù)剖面線段的產(chǎn)狀和地質(zhì)圖地層界線的彎曲形態(tài)計(jì)算第一段面的產(chǎn)狀，進(jìn)而推斷地質(zhì)圖界線上點(diǎn)在第一段的位置，連接構(gòu)成第一段曲面，而后以此類推逐段構(gòu)建，直至地層面構(gòu)建完成。

圖5 不規(guī)則曲面構(gòu)建示意圖Fig.5 Schematic diagram of irregular surface construction

此外，對(duì)于僅在單條剖面存在的豎直向地層輪廓線，算法會(huì)根據(jù)地質(zhì)圖上地質(zhì)邊界形態(tài)和剖面地層線產(chǎn)狀構(gòu)建回旋式的產(chǎn)狀曲面，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)插的方式確定地層面的下沿范圍，避免生成的地質(zhì)體與相鄰剖面相交，如圖6。

圖6 回旋式曲面構(gòu)建示意圖Fig.6 Schematic diagram of convoluted surface construction

3 應(yīng)用實(shí)踐

應(yīng)用本文建模方法，以三維平行地質(zhì)剖面為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合地表地形數(shù)據(jù)（DEM）、平面斷層、平面地質(zhì)圖等數(shù)據(jù)，快速、自動(dòng)構(gòu)建了廣東省1∶25萬基巖三維模型，模型深度2.5 km，最小地質(zhì)單元到組。采用的建模軟件是以MapGIS10三維地學(xué)建模模塊為基礎(chǔ)，自主研發(fā)的工具軟件。為了降低大面積三維地質(zhì)建模的難度以及提高建模效率，采用平行剖面分割建模區(qū)域的方法，將廣東省全省陸域范圍分割成條帶狀區(qū)域，然后以每個(gè)條帶狀區(qū)域?yàn)槌跏冀卧M(jìn)行三維地質(zhì)建模，最后進(jìn)行模型的無縫拼接，得到整個(gè)區(qū)域的三維地質(zhì)模型。平行剖面繪制采用圖切剖面法，平面地質(zhì)圖為更新的廣東省1∶25萬地質(zhì)圖。

第四系層狀模型采用基于地質(zhì)分區(qū)圖的地質(zhì)體快速建模，建模數(shù)據(jù)為鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)圖數(shù)據(jù)。第四系模型和基巖模型采用基巖面進(jìn)行約束控制。本文只介紹基巖三維模型的構(gòu)建。

3.1 廣東省地質(zhì)背景

廣東省地層發(fā)育，自中—新元古界至第四系均有出露，地層出露面積占陸地總面積的65%，沉積建造類型復(fù)雜，賦存各類沉積礦產(chǎn)。

廣東省地處東南沿海大陸邊緣，為環(huán)太平洋中新生代巨型構(gòu)造—巖漿帶之陸緣活動(dòng)帶的一部分，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)發(fā)展歷史中，經(jīng)歷了多次強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)和斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。各主要構(gòu)造期均伴有規(guī)模不等的巖漿侵入活動(dòng)，形成了遍布全省的不同類型、大小不一的侵入體，分布面積達(dá)60000 km2，尤以粵中及粵東沿海最為集中，組成巨大的東西向及北東向復(fù)式巖帶。在規(guī)模上，以燕山期最為宏大，出露面積最廣，幾乎遍及全省，次為晉寧期及加里東期，喜山期活動(dòng)規(guī)模最小，零星分布。

廣東省火山巖發(fā)育，自中元古代至第四紀(jì)均有火山活動(dòng)，共有51個(gè)含火山巖的地層?；鹕交顒?dòng)具有多期性和多旋回性，根據(jù)火山地層建造、火山作用等特征，結(jié)合地殼運(yùn)動(dòng)用構(gòu)造旋回可劃分為晉寧、加里東、華力西—印支、燕山及喜馬拉雅等5個(gè)構(gòu)造巖漿旋回。

全省在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷過多次劇烈的地殼運(yùn)動(dòng)，形成了一系列規(guī)模不一、性質(zhì)不同的斷裂，尤其是規(guī)模大、切割深及反復(fù)活動(dòng)的深、大斷裂，不僅控制了山川地勢(shì)的展布、地層與巖石的分布、中—新生代斷陷盆地的形成與發(fā)展，而且控制著地下水的分布與出露。據(jù)查明，全省斷裂構(gòu)造骨架主要由區(qū)域性主干斷裂帶和區(qū)域性斷裂帶構(gòu)成（圖7）。

區(qū)域性主干斷裂帶一般是構(gòu)造單元或造山帶的邊界。這種斷裂帶規(guī)模大，長(zhǎng)達(dá)百千米以上，寬數(shù)千米至數(shù)十千米；斷裂切割深，一般切穿硅鋁層或硅鎂層，局部切入上地幔；具有多旋回、繼承性和長(zhǎng)期活動(dòng)特征，對(duì)盆地沉積、巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用及成礦作用等均有明顯控制作用。這類斷裂帶有3 條：吳川—四會(huì)斷裂帶、河源斷裂帶、蓮花山斷裂帶（莊文明等，2017）。

區(qū)域性斷裂帶具以下特征：規(guī)模較大，延伸可達(dá)數(shù)百公里，寬幾至幾十公里；切割較深，至少切穿結(jié)晶基底；對(duì)沉積、巖漿、成礦等有明顯控制作用，具長(zhǎng)期活動(dòng)特征，常為廣東省次級(jí)構(gòu)造單元邊界。這一級(jí)別的斷裂帶主要有北北東—北東向、北西向及近東西向三組，另外還有一組弧形斷裂帶。

3.2 平行剖面線布置

廣東省地質(zhì)構(gòu)造走向以北東向?yàn)橹?，北西向?yàn)檩o，廣東全省平行剖面線布置采用垂直于主構(gòu)造走向的方向，即北西向。同時(shí)結(jié)合模型精度（1∶25萬）要求，以4 km（1∶25 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查路線布置密度）為間距布置，以盡可能反映地貌及地質(zhì)構(gòu)造走向的垂向截面形態(tài)，并減少剖面間一致性處理的難度和工作量。通過咨詢地質(zhì)專家意見，首先確定第一條主干剖面位置，然后依次以4 km 為間距布置北西向剖面，剖面總計(jì)240條。

對(duì)于北西向及東西向斷層，本文建模方法也能很好地兼容。與北東向斷層類似，北西向或東西向斷層在建模時(shí)也可作為構(gòu)建斷層分段面的依據(jù)，將建模區(qū)域細(xì)分，降低單個(gè)建模塊段內(nèi)的地層構(gòu)造復(fù)雜度。如圖8，紅色斷層為近似北西向斷層，三維模型構(gòu)建時(shí)以該斷層為分段面，將建模區(qū)域分為兩塊，然后再在區(qū)塊內(nèi)根據(jù)三維剖面形態(tài)構(gòu)建三維模型。

3.3 三維模型構(gòu)建

3.3.1 主要建模數(shù)據(jù)來源

本次建模主要數(shù)據(jù)源包括廣東省1∶25萬地質(zhì)圖、240 條平行剖面、廣東省1∶25 萬DEM 數(shù)據(jù)、平面斷層分布圖（從基礎(chǔ)地質(zhì)圖提?。?。圖9展示了主要建模數(shù)據(jù)。

圖9 平行剖面線布置、地質(zhì)圖和斷層線以及平行剖面圖Fig.9 Layout of parallel profile lines,geological map,fault line and parallel profile

1、廣東省1∶25萬地質(zhì)圖

已有數(shù)據(jù)中，沒有編制好的廣東省1∶25 萬地質(zhì)圖，且考慮到近二十年來廣東省在編圖和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果上取得的新進(jìn)展，因此，部署了廣東省1∶25萬地質(zhì)圖更新編制。

在系統(tǒng)收集和綜合分析已有資料的基礎(chǔ)上，以《廣東省重要礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)》（楊大歡等，2013）、《廣東省及香港、澳門特別行政區(qū)區(qū)域地質(zhì)志》（簡(jiǎn)稱“新版《廣東省地質(zhì)志》”）（莊文明等，2017）成果為基礎(chǔ)，利用2010年以來完成的55幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果，分幅更新全省1∶25 萬基礎(chǔ)地質(zhì)圖，并完成接邊和拼接，得到全省1∶25萬地質(zhì)圖。

2、平行剖面

平行剖面繪制采用圖切剖面方法，以更新后的廣東省1∶25 萬基礎(chǔ)地質(zhì)圖為底圖，按照剖面布置線，以橫、縱向比例尺1∶250000進(jìn)行繪制，繪制深度為黃海高程0米標(biāo)高以下2.5 km。圖切剖面只完成不同地質(zhì)界線、地質(zhì)體標(biāo)識(shí)和屬性填充，不進(jìn)行花紋填充。不表達(dá)巖脈（特殊意義的巖脈除外）和第四系。每條剖面經(jīng)內(nèi)審后都經(jīng)過地質(zhì)專家評(píng)審并按照專家意見修改，以盡可能最大限度的與專家的認(rèn)知一致。

3.3.2 全省三維地質(zhì)模型（基巖部分）

由于全省面積大，三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)量過大，整體展示受版面影響清晰度不夠，因此采用分塊方式（圖10）進(jìn)行展示，全省模型分四塊進(jìn)行展示。

圖10 廣東省基巖三維模型效果圖Fig.10 Rendering of bedrock 3D model of Guangdong Province

3.3.3 典型區(qū)域三維地質(zhì)模型

3.3.3.1 層狀地層

圖11為層狀地層區(qū)域三維地質(zhì)模型與三維平行剖面對(duì)比圖。該處根據(jù)地層線或斷層線進(jìn)一步細(xì)分為3 段進(jìn)行建模，每段可以看作是層狀地層，構(gòu)建的三維模型和三維剖面完全吻合，地層接觸關(guān)系正確，曲面平滑，沒有空洞或三角面等，空間拓?fù)潢P(guān)系完全正確，本文建模方法對(duì)層狀地層區(qū)域能夠很好地表達(dá)。

圖11 層狀地層三維地質(zhì)模型和剖面對(duì)比圖Fig.11 Comparison diagram of 3D geological model and profile of layered stratum

3.3.3.2 侵入巖

圖12 為侵入巖構(gòu)造區(qū)域三維地質(zhì)模型與三維平行剖面對(duì)比圖。該區(qū)位于粵東潮州地區(qū)，巖漿侵入活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了巖株、巖基等不同類型、大小不一的侵入體。構(gòu)建的三維模型和剖面完全吻合，模型內(nèi)部很好地表達(dá)了侵入巖和地層的接觸關(guān)系、巖漿侵入的時(shí)間先后關(guān)系等，空間拓?fù)潢P(guān)系正確。

圖12 侵入巖三維地質(zhì)模型和剖面對(duì)比圖Fig.12 Comparison of 3D geological model and profile of intrusive rock

3.3.3.3 褶皺構(gòu)造

圖13為褶皺地質(zhì)構(gòu)造三維模型和三維剖面對(duì)比圖。該區(qū)斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，形成明顯的褶皺地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)建三維地質(zhì)模型時(shí)，以斷裂線進(jìn)一步將建模區(qū)域細(xì)分，然后再構(gòu)建每個(gè)細(xì)分單元，最后進(jìn)行模型的拼接。構(gòu)建的三維地質(zhì)模型與剖面完全對(duì)應(yīng)，很好地表達(dá)了褶皺等造成水平地層單元破碎的地質(zhì)構(gòu)造。

圖13 褶皺構(gòu)造三維地質(zhì)模型和剖面對(duì)比圖Fig.13 Comparison of 3D geological model and profile of fold structure

4 結(jié)語及展望

4.1 結(jié)語

（1）以三維地質(zhì)剖面為基礎(chǔ)的自動(dòng)建模方法實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)剖面直接參與，地形、地質(zhì)圖、斷層等數(shù)據(jù)強(qiáng)約束下的顯式三維地質(zhì)自動(dòng)建模過程。

（2）應(yīng)用該建模方法，使用240 條平行剖面分割建模區(qū)域，然后以每個(gè)條帶狀區(qū)域?yàn)槌跏冀卧M(jìn)行三維地質(zhì)建模，最后進(jìn)行模型無縫拼接，首次完成了廣東省全省陸域范圍1∶25 萬基巖三維建模。

（3）針對(duì)建模區(qū)域內(nèi)多種復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，在大尺度上，通過地層總體形態(tài)走向分類分級(jí)處理，著力保證模型塊體間的拓?fù)湔_性；在小尺度精細(xì)建模中一定程度上實(shí)現(xiàn)了斷層交錯(cuò)、褶皺、侵入巖、火山通道等形態(tài)變化快、產(chǎn)狀突變、垂向多解、難以插值的地層面的自動(dòng)構(gòu)建。

（4）對(duì)局部不符合總體規(guī)律的特殊形態(tài)地質(zhì)體進(jìn)行針對(duì)性開發(fā)，解決僅有剖面約束的地層向下收斂插值、同區(qū)段同地層不相鄰且總體產(chǎn)狀相反等現(xiàn)象的自動(dòng)構(gòu)建；并結(jié)合數(shù)據(jù)處理要求開發(fā)了一系列數(shù)據(jù)生產(chǎn)、檢查、編輯和輔助建模工具。

（5）該方法改善了復(fù)雜地質(zhì)體建模只能通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，提高了建模效率,可以為大范圍復(fù)雜地質(zhì)體快速建模提供借鑒。

4.2 展望

由于廣東省地質(zhì)條件復(fù)雜、建模面積大，該方法還存在一定局限性。在地層形態(tài)表達(dá)上，算法沒有考慮不同地質(zhì)地貌單元間的形態(tài)特征與差異并做適配和調(diào)整；算法也沒能兼容所有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況，特別是在多種地質(zhì)構(gòu)造組合影響下的地層形態(tài)，水平方向分布的縱向回旋狀地層，以及剖面間地層及其形態(tài)完全不對(duì)應(yīng)、產(chǎn)狀倒轉(zhuǎn)等。此外，在當(dāng)前難以處理的地質(zhì)構(gòu)造處，容易出現(xiàn)地層面破碎、懸掛三角面等拓?fù)溴e(cuò)誤。針對(duì)這些問題，將進(jìn)一步深入研究，提升算法的兼容性，提高模型精度。