毛 寅，曾玉清，賀安生，張 楊，范春玉

(湖南省自然資源事務(wù)中心，湖南 長沙 410000)

0 引言

城市地質(zhì)作為地質(zhì)工作的重要組成部分，是一項服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的基礎(chǔ)性工作。中央明確要求“要統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè)，加強(qiáng)城市地質(zhì)調(diào)查”，我國將以城市地質(zhì)調(diào)查為先導(dǎo)，統(tǒng)籌地上地下，逐步將城市地下空間納入土地利用規(guī)劃并加強(qiáng)用途管制和完善使用權(quán)出讓方式。國土資源部與中國地質(zhì)調(diào)查局先后印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》(國土資發(fā)〔2017〕104號)、《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案》(2017—2025年)都將城市地下空間三維調(diào)查作為重點(diǎn)工作之一，旨在查清城市地下三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在三維地質(zhì)建模的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)應(yīng)用等方面取得突破。因此，開展城市地質(zhì)三維空間數(shù)據(jù)庫建庫研究，構(gòu)建城市地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享平臺，是實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)數(shù)字化、信息三維可視化和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化的堅實(shí)基礎(chǔ)，可為城市的科學(xué)規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1 研究現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模技術(shù)起源于國外，最初應(yīng)用于礦山管理和采礦設(shè)計工作中[1]。近些年各國將三維地質(zhì)建模應(yīng)用于城市地質(zhì)調(diào)查、城市規(guī)劃與建設(shè)等方面。加拿大通過三維地質(zhì)填圖調(diào)查盆地地下水，并進(jìn)行了地下水的定量流動模擬[2]；英國系統(tǒng)地開展了國家級的三維地質(zhì)建模工作，將1∶100萬，1∶25萬，1∶5萬和1∶1萬4種比例尺的地層模型框架無縫兼容到統(tǒng)一數(shù)據(jù)體系中，為城市地質(zhì)調(diào)查、科學(xué)研究搭建了基礎(chǔ)地質(zhì)框架[3]；英國還通過整合三維工程地質(zhì)模型和二維水文地質(zhì)數(shù)據(jù)開展了倫敦 Earls Court 的城市地下空間總體規(guī)劃研究[4]。

上海是我國最早開展城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的城市，利用鉆孔、地層平面分布圖(含等值線)、剖面圖等數(shù)據(jù)，采用地層分級劃分的方式逐級建立三維地層實(shí)體模型，并根據(jù)鉆孔中的各類測試試驗數(shù)據(jù)、地球物理和地球化學(xué)數(shù)據(jù)建立了三維屬性體模型[5-6]；廣州采用人機(jī)交互的方法構(gòu)建了較精細(xì)的基巖三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型[7]；北京市、杭州市、合肥市均采用多元數(shù)據(jù)的使用問題、多方法集成和協(xié)同問題、多層次干預(yù)的問題“三多”的建模思路建立了三維地質(zhì)模型[8]；福州市依據(jù)鉆孔資料、遙感影像、數(shù)字高程模型及管網(wǎng)數(shù)據(jù)等建立了地下地質(zhì)模型及地表精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)了地上地下的三維一體化[9]；重慶市利用多源地學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建地層包絡(luò)面，建立了多基巖裸露的山區(qū)三維地質(zhì)模型[10]；蘇州市采用多地質(zhì)數(shù)據(jù)約束下的層狀地質(zhì)體全自動建模技術(shù)，根據(jù)地質(zhì)知識庫約束條件和準(zhǔn)則，結(jié)合地質(zhì)學(xué)規(guī)律和數(shù)學(xué)算法模擬未知區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立了整個區(qū)域的地質(zhì)模型[11]，并根據(jù)水文地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地層與第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)地層的對應(yīng)關(guān)系，建立了全區(qū)含水層與隔水層模型[12]。

2 城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法研究

2.1 建庫方法選取

通過對國內(nèi)外三維建模技術(shù)的研究，尤其是對國內(nèi)城市地質(zhì)三維建模方法的研究總結(jié)，國內(nèi)多以計算機(jī)自動建模為主，采用數(shù)值分析模擬的方法構(gòu)建三維地質(zhì)模型，適用于小區(qū)域、地層構(gòu)造簡單的地區(qū)，對大范圍或地質(zhì)情況復(fù)雜的區(qū)域不能很好地反應(yīng)實(shí)際地質(zhì)情況。

項目組在長株潭雨湖區(qū)和天心區(qū)分別采用自動建模法和交叉剖面建模法開展了三維建模試點(diǎn)工作，其結(jié)果不能很好地反映丘陵地區(qū)的地質(zhì)情況。因此，在實(shí)施長株潭城市群核心區(qū)地質(zhì)資料信息服務(wù)集群化產(chǎn)業(yè)化項目中，全面集群了過去幾十年積累的大量城市地質(zhì)調(diào)查和工程勘察地質(zhì)資料，以此為基礎(chǔ)，利用多元地學(xué)信息開展了城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建庫工作。

2.2 建庫方法

三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)不同于以工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用數(shù)值分析方法(各種數(shù)學(xué)模型)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，是基于大量第一手野外地質(zhì)調(diào)查和大量鉆孔編錄獲取的真實(shí)地質(zhì)資料，經(jīng)地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員綜合解譯，構(gòu)建符合當(dāng)前研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)識水平的三維地質(zhì)實(shí)體，可借助計算機(jī)、大數(shù)據(jù)、云計算、GIS等現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行可視化分析應(yīng)用。

1)多元地學(xué)信息收集及數(shù)字化

收集資料包括：① 工作區(qū)最大比例尺的地質(zhì)圖，反映各地質(zhì)體的地表空間展布關(guān)系；② 對應(yīng)的實(shí)際材料圖，補(bǔ)充區(qū)內(nèi)產(chǎn)狀信息；③ 最大比例尺的構(gòu)造綱要圖，反應(yīng)斷裂、褶皺構(gòu)造的形態(tài)和空間展布，建立構(gòu)造屬性數(shù)據(jù)庫；④ 數(shù)字高程模型，可快速建立地表三維地形；⑤ 工程鉆孔資料，可校正深部各地質(zhì)體的空間位置，反映特殊地質(zhì)體。

2)剖面的選取及精度的確定

根據(jù)區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造線方向確定平行剖面線走向。根據(jù)數(shù)據(jù)庫精度要求或收集資料的精度，確定剖面線距和選用鉆孔的點(diǎn)距。

3)選取鉆孔并標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)已確定鉆孔點(diǎn)距優(yōu)選鉆孔，并對其標(biāo)準(zhǔn)化。

4)建立剖面圖

根據(jù)選定的剖面線，按以下方法重構(gòu)剖面圖：① 以區(qū)域地質(zhì)圖、實(shí)際材料圖、構(gòu)造綱要圖等面上區(qū)域性資料構(gòu)建圖切剖面；② 以鉆孔數(shù)據(jù)為依據(jù)構(gòu)建剖面圖；③ 把上述兩類剖面圖綜合在一起，相互校正，形成更加符合實(shí)際的綜合剖面圖。

5)構(gòu)建三維地質(zhì)體

根據(jù)相鄰剖面圖結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和平面地質(zhì)圖的情況，構(gòu)建三維地質(zhì)體。

6)三維空間數(shù)據(jù)庫精度評價

從鉆孔數(shù)據(jù)庫中選取沒有參與三維地質(zhì)體構(gòu)建的鉆孔從地層厚度、地層高程等幾個方面對三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行精度評價。

3 在長株潭城市群核心區(qū)的應(yīng)用

長株潭城市群核心區(qū)地處湖南省中東部、湘江下游，范圍包括長沙、株洲、湘潭三市建成區(qū)和規(guī)劃區(qū)，總面積4149 km2，為丘陵地區(qū)，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

3.1 工作方法和流程

該區(qū)三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)步驟可分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、編制三維地質(zhì)體的地層劃分標(biāo)準(zhǔn)、布置剖面線、鉆孔篩選及標(biāo)準(zhǔn)化、繪制地質(zhì)剖面圖、建立三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫等。

3.2 數(shù)據(jù)選取及剖面線布置

建庫選取、使用的多元地學(xué)數(shù)據(jù)見表1。采用2 m×2 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)來表達(dá)三維地質(zhì)模型的地表形態(tài)；利用鉆孔地層分層信息及1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖數(shù)據(jù)庫相互校正，建立全區(qū)1000 m×200 m網(wǎng)格的地質(zhì)剖面圖；根據(jù)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖，并參考1∶10萬構(gòu)造綱要圖表達(dá)地層、地質(zhì)構(gòu)造在地表的分布形態(tài)。由于工程鉆孔是建立三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的主要依據(jù)，本次收集到的95.5%的工程鉆孔深度都在0 m高程以上，因此本次三維地質(zhì)建模底板都統(tǒng)一至0 m高程。

全區(qū)共布置剖面線83條(圖1)。其中，以垂直主要構(gòu)造走向即135°為剖面線方向，剖面間距1 km，布置了75條平行剖面；另選取了長沙市地鐵1號線至5號線等8條重要工程線路作為本次建庫的輔助剖面。

表1 建庫使用的多元地學(xué)數(shù)據(jù)列表Table 1 A list of multiple geological data used in database construction

圖1 剖面線布置圖Fig.1 Profile line layout map1—三維建模范圍 2—剖面線及編號 3—重要線路 4—河流

3.3 鉆孔選取及標(biāo)準(zhǔn)化

剖面線原則上按200 m的間距選擇鉆孔。當(dāng)鉆孔密度較稀時，偏離剖面線50 m內(nèi)可直接投影使用，偏離超過50 m可根據(jù)情況做短剖面插值。

根據(jù)精度要求及鉆孔優(yōu)選原則選取了7222個工程地質(zhì)鉆孔，并按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化主要是按地層時代的先后順序統(tǒng)一鉆孔中地層、巖性名稱以及統(tǒng)改對應(yīng)的顏色、花紋、地層代碼。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)剖面繪制

綜合標(biāo)準(zhǔn)化的鉆孔、數(shù)字高程模型(DEM)、基巖面的數(shù)字高程模型、1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖數(shù)據(jù)庫、1∶2.5萬實(shí)際材料圖、1∶25萬構(gòu)造綱要圖等信息，相互校正，繪制標(biāo)準(zhǔn)剖面。

3.5 三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

根據(jù)地表地質(zhì)圖、DEM、標(biāo)準(zhǔn)剖面構(gòu)建地質(zhì)實(shí)體。建成的長株潭城市群核心區(qū)三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包含2266個地質(zhì)體，數(shù)據(jù)量1.58 GB；在此基礎(chǔ)上又細(xì)分了巖土體類型，建立了包含209類工程地質(zhì)層，4305個地質(zhì)體的三維空間工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)量2.8 GB。

3.6 精度評價

數(shù)據(jù)庫建成后，項目組隨機(jī)選取了鉆孔數(shù)據(jù)庫中約10%，共計29507個實(shí)際孔與模型孔進(jìn)行分層厚度、地層埋深誤差分析，通過生成的誤差等值線圖來評價全區(qū)三維模型精度。按全區(qū)鉆孔地層厚度誤差生成的等值線圖(圖2a)，其計算結(jié)果平均誤差為2.03 m，在主城區(qū)誤差值較小，而在模型邊緣部分，即寧鄉(xiāng)縣、長沙縣、岳麓區(qū)西部誤差較大。按全區(qū)鉆孔地層埋深誤差生成的等值線圖(圖2b)，其計算結(jié)果平均誤差為2.58 m，與圖2a類似，在主城區(qū)誤差值較小，在模型邊緣部分誤差較大，這與鉆孔分布的疏密情況大體一致。

圖2 地層厚度誤差等值線圖(a)與地層埋深誤差等值線圖(b) Fig.2 Contour map of stratum thickness error (a) and stratum buried depth error (b)

4 結(jié)論

1) 本文基于已有地質(zhì)調(diào)查成果、工勘資料，提出了通過收集資料并數(shù)字化、剖面的選取及精度的確定、選取鉆孔并標(biāo)準(zhǔn)化、建立剖面圖、構(gòu)建三維地質(zhì)體、數(shù)據(jù)庫精度評價等6個步驟建立城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建庫方法，并以長株潭城市群核心區(qū)為實(shí)例開展了建庫工作，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)陸復(fù)雜地質(zhì)條件建模。

2) 利用實(shí)際孔與模型孔分層厚度、地層埋深誤差分析對建成的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了精度評價，形成的等值線圖均顯示主城區(qū)誤差值較小，而在模型邊緣部分，即寧鄉(xiāng)縣、長沙縣、岳麓區(qū)西部誤差較大，與鉆孔分布的疏密情況大體一致。

本次建庫所用數(shù)據(jù)多為城市建設(shè)多年來積累的資料，未增加其他工程地質(zhì)實(shí)物工作量，對其他城市具有普適性及可操作性。采用本文提出的建庫方法，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)陸復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)三維建模，但人機(jī)交互式建模對建模人員專業(yè)水平要求較高，且工作量較大，軟件對復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)有限推斷仍是目前亟待解決的科學(xué)難題。基于精度評價為數(shù)據(jù)庫成果利用提供了可靠依據(jù)，若在城市新區(qū)適當(dāng)補(bǔ)充工程地質(zhì)工作量，即可大大提高整體城市地質(zhì)工作水平。