基于理正的城市三维地质建模研究

基于理正的城市三维地质建模研究

 ,潘雅静

中煤（西安）地下空间科技发展有限公司   陕西省西安市  710199

摘要：地下地质空间环境复杂，勘探困难，对城市建设信息化的发展具有重要意义。本文介绍了三维地质建模发展现状和建模软件的特点比较，以青岛市红岛经济区为例，搜集钻孔和勘察报告资料，用理正勘察三维地质软件进行三维地质体的建模，体现其优越性，便于后期的分析应用。

关键词：理正；地质建模；三维地质；三维建模

引言

三维地质建模从软件开发到应用实践近年来都出现了较好的发展势头，三维地质建模技术具有广阔的应用领域，包括区域地质调查、矿产资源勘探、矿井设计、矿井生产管理、城市地质勘探与城市地下空间管理、水文地质、工程地质、环境地质、地震预报等众多在国民经济中起支撑作用的行业。

1.三维地质建模发展现状

地下地质空间赋存状态和分布特征异常复杂，长期的地质作用使它们有发生了不同程度的变形、断裂和位移，为了正确认识和理解这些地质对象的空间特征和分布规律，我们通常采用野外地质调查、遥感、钻探、物探等地质勘探手段，来获取这些地质对象的信息，并通过对这些地质信息的合理表达来达到这一目的。传统的地质信息的表达方式主要有两种，其一是将三维地质环境中地层、煤层与地质现象投射到某一二维平面上进行表达，如平面图是将地质对象投影到XY平面上，剖面图则是将地质对象投影至XZ、YZ或TZ（T为XY平面上一任意直线的方向）平面上，通过平面图和剖面图来了解地质对象的三维空间形态；其二是采用透视和轴侧投影原理，将三维地质环境中的地层、煤层与地质现象进行透视制图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强三维视觉效果，提高人们的三维理解水平。这两种方式同样存在空间信息的损失与失真问题，而且制图过程复杂，信息更新困难，更重要的是不具备空间分析、查询、几何量算等功能。

二维地质模型，只能处理平面X、Y轴上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上信息。它在表达上通常是将z轴投影到二维平面上进行处理，因此对于同一（x,y）位置的多个z轴不能表达。不能解决三维地质对象内部属性、拓扑关系的表达，以及三维空间管理及索引问题、因此，三维地质模型正是针对传统地质信息表达方法的不足，直接从三维空间的角度去理解和表达地质环境。

2.城市三维地质建模软件

地质三维建模软件有很多，如理正、纬地、EVS、Surfer、3Dmine等，不同的地质环境采用不同的软件。通常城市地质三维建模采用理正，桥梁涵洞道路等建模采用纬地CAD系统，透镜体岩溶等粘性地质体采用EVS，油田水环境等地质体建模采用Surfer，矿山地质建模采用3Dmine。

理正勘察三维地质软件是一款集三维地质模型创建、模型仿真展现、工程地质问题三维分析应用为一体的软件系统，可以根据多种勘察地质数据创建三维工程地质模型，同时根据模型数据实现任意剖切，对施工环境的地质状况进行模拟分析。

软件特色

1、实现了与“理正工程地质勘察CAD”数据库的无缝联接，无需二次钻孔数据输入，自动生成工程的三维地质模型，操作简单，勘察成果报告和工程三维地质模型可同时完成，显著提升勘察数据的展现能力，提升企业的竞争力。

2、直观展现地下工程(隧道基坑、基础、墩桩等)的工程地质状况，查看地质体与工程的相互关系，并可对场地平整、基坑开挖、隧道钻进等工程活动进行不同岩土地层的土方量估算。

3、可在三维工程地质体的任意位置布置剖线，查看地质体的任意剖面，并可直接生成符合工程勘察要求的地质剖面图，同时可导入勘察或CAD软件中进行显示、编辑和输出。

4、生成的三维地质模型可输出到三维分析软件中，供后续岩土工程设计与计算采用。

3.实际案例应用

该项目以青岛市红岛经济区为试点，包括青岛高新区、红岛街道及河套街道，占地面积约为160平方公里。三维地质建模的基础就是收集整理分析相关的各类工程勘察项目的成果数据和资料。

本项目共收集到8000个钻孔，来自多个工程勘察年度报告数据，以青岛市标准地层层序表作为依据，建立系统标准地层表，并根据标准地层表对工程地质钻孔地层进行标准化处理。每个勘测钻孔有基础数据库、柱状图、剖面图、岩芯照片、原位测试数据、室内土工试验等资料。

理正三维建模软件依据工程坐标表、测斜数据表、岩性数据表以及化验数据表可利用优选空间插值法可较易地构建地质数据库，建立初始导入文件并导入程序；利用加载地层树和导入钻孔标准地层将数据库中的地层编号自动读入，读入地层参考创建的标准地层表，标准地层按照青岛市地层来定义，分为主层、亚层和次亚层。可以对已经建好的标准地层信息进行修改和编辑，地层的编辑内容包括标准地层的地层代号、地层编号、地质时代、地层描述等信息，以及标准地层的图案、颜色等符号化信息。将建立的标准地层与数据库中工程项目地层信息进行匹配，实现钻孔地层标准化。

运用理正8.5版将数据库实现工程项目、剖面线和钻孔的三维呈现，以点位专题图层的方式实现钻孔位置分布展示，展示信息包含钻孔编号和钻孔类型。实现钻孔的三维地质参数化建模，实现不同范围内三维地质体建模，建模范围包含全域范围单地层、区块范围全地层和工程勘察项目范围全地层。最后，实现对生成地质体模型的存储管理。

3.1钻孔建模

根据钻孔的孔径、孔深以及钻孔包含的土层等信息，实现钻孔数据三维可视化参数化建模。软件依据数据自动化建模，无需人工受干扰，模型更精准，如需修改直接更改钻孔数据库资料，三维模型随之修改。还可以在模型中增加、删除、平移等。详见图1

图1钻孔模型

3.2小范围全地层地质体建模

地质层环境不用区域差距很大，有些区域需要小范围进行建模，后拟合在一起。在视图中选择一定区域小范围（区块范围或工程勘察项目范围）的钻孔，以钻孔地层数据为基础，实现全部地层三维地质体模型的生成。实际生产环境中，由于数据采集时间的差异或其他原因，造成DEM数据和勘察工程数据中钻孔标高数据有差异，导致按钻孔标高建立的地质体模型与地表贴合效果不佳。

1）钻孔标高高于DEM的情况：采用DEM约束建模；

2）钻孔标高低于DEM的情况：按顶层地层延伸至DEM标高处；

同时，建立的地质体模型颜色应合理美观，并满足规范要求。

3.3大范围单地层地质体建模

城市地质环境中，地层一般相差不太大，可以适当大范围进行建模。在视图中选择全区域大范围（全域范围）的地质钻孔，以钻孔地层数据为基础，实现主层三维地质体模型的生成，生成的地质体模型代表全域范围内该地层的分布情况。

3.4地质体模型管理

针对利用钻孔数据基于DEM约束建立的地质体模型以图层的形式进行管理，实现将生成的三维地质体模型在场景中显示，实现开关模型图层进行显示控制，并能够实现地质体模型保存在本地相应文件夹下。

4、小结

地质三维建模软件很多，技术不断发展革新，应用也十分广泛。工程地质建模未来也地上模型进行一体化展示分析，还要与地下交通、人防工程等进行拓扑研究，对智慧城市的发展起到推动的作用。

参考文献：

[1] 张洋洋 , 周万蓬 , 吴志春 , 等 . 三维地质建模技术发展现状及建模实例 [J]. 东华理工大学学报 ( 社会科学版 ), 2013, 32(3):403-409.

[2] 李璐 , 吴蔚博 . 基于钻孔数据的三维地层建模关键技术 [J]. 岩土力学 , 2018(3).