曾濤，郭甲騰，楊坡，陳新，張文娟，屈茜茜

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450000；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450000；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局河南省地質(zhì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，鄭州 450000；5.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)），鄭州 450000）

城市高層建筑和大型橋梁隧道的地基建設(shè)，與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件直接相關(guān)，建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行三維可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合分析[1，2]。

近年來(lái)，三維地質(zhì)建模技術(shù)快速發(fā)展，在地質(zhì)工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3-5]。來(lái)自不同國(guó)家的地質(zhì)調(diào)查組織（GSO）提出了三維地質(zhì)建模和繪圖程序，旨在建立一個(gè)三維地質(zhì)框架，為地下全面3D認(rèn)知提供基礎(chǔ)平臺(tái)[6]。早在1994年，Houlding就提出了利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)模擬（3D-Geoscience Modeling），進(jìn)而解決工程問(wèn)題的技術(shù)方法思路[7]。隨后的二十年間，為滿足國(guó)內(nèi)外圍繞巖土工程需要，三維可視化功能的研發(fā)取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展[8-9]。國(guó)外專業(yè)化工具類型建模軟件取得了長(zhǎng)足的發(fā)展并逐漸成熟，如Micromine、Gocad、Surpac等[10-11]。

我國(guó)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)也取得了一定的成績(jī)，如以中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織的城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目為引領(lǐng)，依托鉆孔、剖面、地震解譯等數(shù)據(jù)開(kāi)展了北京、天津、上海等城市的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建設(shè)[12-15]。隨后在濟(jì)南、沈陽(yáng)等城市開(kāi)展三維地質(zhì)建模應(yīng)用中[16-17，20]，利用鉆探數(shù)據(jù)，采用GTP的建模方法[18-21]進(jìn)行了三維地質(zhì)模型的建設(shè)。

當(dāng)前，隨著三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建設(shè)的推進(jìn)，多元、多格式、多方法建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型應(yīng)運(yùn)而生，但是目前并沒(méi)有一種普適性的建模方法可實(shí)現(xiàn)紛繁復(fù)雜的、不同地質(zhì)條件下的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化，而實(shí)現(xiàn)可交換的、規(guī)范的、輕便的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型格式是實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)下模型共享的一種途徑。本文以鄭州航空港勘探鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于鄭州航空港項(xiàng)目勘探鉆孔數(shù)據(jù)及地層分層資料，采用GTP建模方法，自動(dòng)創(chuàng)建三維地層模型，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了廣義三棱柱體元模型向中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局頒布的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)（Geo3DML）進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

1 GTP建模方法

1.1 廣義三棱柱（GTP）模型

該模型是一種精確描述和表達(dá)地質(zhì)體表面結(jié)構(gòu)的非規(guī)則體元（三棱柱體），由上下面不一定平行的三角形和三個(gè)側(cè)面空間四邊形組成，主要幾何要素包括：結(jié)點(diǎn)、棱邊、頂、底、三角形、空間四邊形[18-25]?？紤]到GTP模型非常適合鉆孔采樣約束，通常用于地質(zhì)地層界面構(gòu)建和平原區(qū)地質(zhì)建模。

1.2 建模流程

首先，建立研究區(qū)地質(zhì)概念模型。由于地層是各地質(zhì)年代巖土體沉積、侵蝕的產(chǎn)物，因此地質(zhì)實(shí)體之間關(guān)系也呈現(xiàn)不連續(xù)、不均勻、不確定等特性。在三維地層信息系統(tǒng)中，如何對(duì)地層進(jìn)行劃分是涉及到三維地層建模的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在三維地質(zhì)建模中，地層的層序關(guān)系與地質(zhì)學(xué)中的地層層序關(guān)系的概念有所不同。地質(zhì)學(xué)中地層的層序關(guān)系是根據(jù)地層形成時(shí)間的先后次序而劃分的；而在三維地質(zhì)建模中，地層層序關(guān)系根據(jù)鉆孔上所記錄地層（以巖性為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)）的上下關(guān)系來(lái)劃分。

其次，鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于原始數(shù)據(jù)中鉆孔的地層信息與建模所需的數(shù)據(jù)格式存在差異，即原始鉆孔數(shù)據(jù)中未保存缺失地層的數(shù)據(jù)信息，而建模需要完整的地層數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要查找鉆孔的缺失地層并對(duì)其地層信息進(jìn)行補(bǔ)充。

最后，構(gòu)建三維地質(zhì)模型。通過(guò)不同土層類型，利用GTP建模方法進(jìn)行三維地質(zhì)體建模。鉆孔采用多棱柱擬合圓柱的方式進(jìn)行模擬。

2 建模方法應(yīng)用

2.1 研究區(qū)基本條件

研究區(qū)位于河南省鄭州市航空港地區(qū)。研究區(qū)地形較平坦，地面標(biāo)高介于115～125 m。研究區(qū)地處東經(jīng)123°38'、北緯41°8'，南北方向長(zhǎng)約18 000 m，東西方向?qū)捈s31 000 m。

研究區(qū)的地質(zhì)鉆探開(kāi)孔及終孔孔徑為110 mm，各鉆孔間距2 000 m。獲得鉆孔69個(gè)，鉆孔深度20.0～100.0 m。

2.2 建模過(guò)程

本次研究主要按以下工作流程進(jìn)行（圖1）：

圖1 三維地質(zhì)建模及格式轉(zhuǎn)換工作流程Fig.1 Workflow of 3D geological modeling and format conversion

2.2.1 工程地質(zhì)層序概念模型建立

根據(jù)工作區(qū)工程建設(shè)層內(nèi)土體的成因、巖性、物理力學(xué)特征等，對(duì)工作區(qū)100 m以淺的土層進(jìn)行了工程地質(zhì)層組劃分。根據(jù)收集鉆孔情況，埋深100 m深度內(nèi)，共劃分13個(gè)工程地質(zhì)組35個(gè)工程地質(zhì)層（表1）。其中下更新統(tǒng)缺失。概念模型以年代為一級(jí)概念，相同年代地層內(nèi)，根據(jù)成因進(jìn)一步劃分，最細(xì)一個(gè)級(jí)別為巖性特征。在分類特征上，屬于樹(shù)形分類體系，有利于多級(jí)概念的界定，從而為不同級(jí)別的概念模型轉(zhuǎn)換預(yù)留集成能力。

表1 鄭州航空港區(qū)地層劃分概念模型表Table 1 Conceptual model of stratigraphic division in Zhengzhou airport port area

2.2.2 鉆孔數(shù)據(jù)處理

以鄭州航空港勘探鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立三維地質(zhì)模型。根據(jù)研究區(qū)鉆孔分布情況和地層巖性特征，整個(gè)區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)用69個(gè)工程地質(zhì)鉆孔進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理。有關(guān)鉆孔分別取自中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局部署開(kāi)展的城市地質(zhì)調(diào)查工作和各地工程勘察工作，因此在鉆進(jìn)深度、巖土體年代表達(dá)、巖土體沉積相認(rèn)定、巖土體巖性特征等方面，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容均存在一定差異。區(qū)內(nèi)鉆孔投影平面分布均勻，能滿足區(qū)域情況控制的基本需要（圖2）。

圖2 研究區(qū)鉆孔二維分布圖Fig.2 Two dimensional distribution of boreholes in the study area

2.2.3 建立三維地層模型

本次利用GTP建模方法進(jìn)行工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，按照本區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念模型為指導(dǎo)，將鉆孔數(shù)據(jù)表達(dá)為從新到老的相互沉積順序，從而表達(dá)為GTP模型下的插值算法順序，進(jìn)而依次生成地層模型圖元。其三維地質(zhì)模型和空間三角網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 研究區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.3 Three dimensional geological model of the study area

3 交換格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

3.1 Geo3DML簡(jiǎn)介

Geo3DML全名為三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式（Geo3DML）（DD2015-06），于2015年12月由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局頒布實(shí)施[26-35]，主要面向建模成果數(shù)據(jù)無(wú)法在不同部門間實(shí)現(xiàn)相互共享和交換的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題所設(shè)置，也是行業(yè)內(nèi)唯一的地質(zhì)三維模型交換標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)建模成果只有在以此為主的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換，才能具有更強(qiáng)的服務(wù)能力。

3.2 轉(zhuǎn)換步驟

3.2.1 面向?qū)ο蠓治?/p>

基于GTP構(gòu)模方法的鄭州航空港工程地質(zhì)模型描述了地質(zhì)體空間分布。其中地質(zhì)要素是地質(zhì)體的抽象，地質(zhì)要素之間可能存在特定的關(guān)系（如地質(zhì)關(guān)系、空間關(guān)系等），這些特征基本與Geo3DML的思想一致。

3.2.2 XML文件的建立

Geo3DML是一種規(guī)范的數(shù)據(jù)格式。需要運(yùn)用統(tǒng)一的XML格式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且將可視化信息與幾何數(shù)據(jù)分離，通過(guò)1個(gè)工程文件將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，據(jù)此，需要依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件，建立幾何信息、屬性信息和可視化信息三部分的XML格式的文件。基于信息平臺(tái)，通過(guò)讀取三維模型的幾何對(duì)象信息、屬性信息，寫(xiě)入XML。示例如下：

（1）模型基本情況Xml:

Geo3DML中所有的地質(zhì)對(duì)象都需存儲(chǔ)在Model中，將模型按如下格式進(jìn)行存儲(chǔ)，就可以建立與之對(duì)應(yīng)的Geo3DML對(duì)象類型。

存儲(chǔ)具體的地質(zhì)對(duì)象

＜/GeoModel＞

（2）模型Xml

轉(zhuǎn)換前格式：

轉(zhuǎn)換為Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)后的格式：

3.3 精度驗(yàn)證

Geo3DML基于XML設(shè)計(jì)，旨在提供一種實(shí)用開(kāi)放、與三維地質(zhì)建模軟件無(wú)關(guān)的交換格式標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)在不同軟件之間的交換與共享。同時(shí)研發(fā)了交換格式支持工具Geo3DMLViewer，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換過(guò)程的可視化，方便各建模軟件進(jìn)行Geo3DML數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式解析測(cè)試。借助Geo3D MLViewer，本次所建模型經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換，鉆孔和地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型均無(wú)失真等問(wèn)題（圖4）。

圖4 研究區(qū)鉆孔、三維地質(zhì)模型在原型系統(tǒng)Geo3DMLViewer中的可視化效果（Z軸放大15倍）Fig.4 Visualization effect of drilling and 3D geological model in the study area in the prototype system and geo3dmlviewer(Z-axis magnified 15 times)

4 結(jié)論與展望

（1）基于勘探鉆孔數(shù)據(jù)，采用GTP建模方法，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、地層分布以及巖溶特征，建立了鄭州航空港項(xiàng)目三維地質(zhì)模型，準(zhǔn)確客觀地反映了研究區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜地層地質(zhì)條件。

（2）本文未討論巖性標(biāo)準(zhǔn)層沿空間位置的插值問(wèn)題，因此，所構(gòu)建的模型是一種基于當(dāng)前準(zhǔn)確資料刻畫(huà)下的可信模型。面對(duì)不同工作條件形成的較淺鉆孔數(shù)據(jù)與較深鉆孔數(shù)據(jù)之間，如何以現(xiàn)有空間關(guān)系特征，結(jié)合地層沉積的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)一步進(jìn)行插值實(shí)現(xiàn)未知區(qū)域的預(yù)測(cè)性表達(dá)，將是下一步研究的重點(diǎn)方向。

（3）基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維模型轉(zhuǎn)換，可以有效解決不同軟件系統(tǒng)功能重點(diǎn)不同、與其他非地質(zhì)要素模型聯(lián)合分析等現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題，有關(guān)格式標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換能確保數(shù)據(jù)精度、模型元素邏輯關(guān)系，是將來(lái)跨軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)接入的主要方法。